基于EPIP的虚拟仪器技术课程实训教学研究

许 超

(天津机电职业技术学院，天津 300350)

虚拟仪器技术是自动化专业等相关专业的重要专业技术课程。在以往的教学方案中，很多教材及论文侧重从LabVIEW开发平台的编程及NI采集卡的使用两部分进行知识讲解。随着社会不断进步，虚拟仪器的使用领域也不断扩大，教学内容急需更新换代。另外，目前很多教材的实训案例多为工业使用的传统案例，不能激发学生的创造性。工程实践创新项目(EPIP)的理念随着鲁班工坊项目的不断推进，在职业教育领域逐渐深入人心。以天津机电职业技术学院自动化专业的虚拟仪器技术课程为例，探讨引入EPIP理念，研究构建了适合职业教育的实训教学案例。

工程实践创新项目(EPIP)包含四个关键要素，工程(Engineering)、实践(Practice)、创新(Innovation)、项目(Project)，EPIP正是这四个英文单词的首字母缩写。因此，一个合格的EPIP项目应该是“工程化、实践性、创新型、项目式”的项目。工程化的核心是指项目原型应当真实，属于实际生活或者生产中的真实应用。只有做到工程化，项目教学才能服务经济社会发展，才能促进学生成才就业。实践化的核心是指在实践中学习，可以利用工程教育载体，真题真做、真题重做、真题仿做。创新化的核心是指源于实践的创新，在工程实践的基础上，改变、更新和创造新的东西。项目化的核心是指经过工程、实践、创新环节工作，达到一个项目需求。

《习近平治国理政“100句话”》中提到“把论文写在祖国的大地上”。河北省科学院践行总书记的号召，与巨鹿县共建了应用技术研究院，展开智慧农业相关的课题研究。巨鹿县是有名的金银花之乡，全县集中种植面积达到13万亩，占全国总产量的60%，是全国最大的金银花种植区。河北省科学院为巨鹿金银花种植园规划设计了金银花产业数字孪生系统，通过硬件、物联网、数据分析等技术，采集金银花生长环境数据，构建数字农业环境，实现科学种植、智慧种植。

本实训案例项目原型为“金银花产业数字孪生系统”的“金银花种植环境监测平台模块”。金银花种植环境监测平台要求在种植区部署传感器和智能控制设备，实时监测环境数据。环境监测平台采集多项数据，包括：太阳辐射度、风向、风速、空气湿度、空气湿度等14个检测项目。平台界面及检测项目如图1所示。

图1 项目原型——金银花种植环境监测平台

教学实训项目力求还原工程实际应用，但是也需要考虑实际教学成本的投入、教学实施是否方便、学生的接受能力等问题。因为在实际项目中，14个检测项目的实施方法类似，因此教学项目只选取其中的温度、空气湿度、光照和土壤水分4个检测项目，在“金银花种植环境监测平台”的基础上，进行简化再设计，制定了实训项目——“智慧农业监控系统”的总体方案。

“智慧农业监控系统”一共分为三个模块：数据采集模块、数据存储模块和远程控制模块。数据采集模块可以实现温度、空气湿度、光照和土壤水分的数据采集和数据显示；
数据存储模块可以实现温度、空气湿度、光照和土壤水分的数据存储和对历史数据的查看；
远程控制模块可以实现通过对温度、空气湿度、光照和土壤水分的数据分析，判断是否进行远程光照和浇水控制。

“智慧农业监控系统”实训项目，在教学上采取“教”“学”“做”“创新”四步走的教学策略。项目的数据采集和数据存储模块为“教学做”模块，由教师一边做一边讲，学生一边学一边做，完成模块的搭建并调试实现功能。远程控制模块为“创新”模块，由学生创新设计、自主搭建并调试实现功能。“教学做”模块主要使学生完成对理论教学环节所学知识的查漏补缺，积累搭建小型系统的方法和经验。“创新”模块主要培养学生自主创新能力和对LabVIEW的综合应用能力。

给出数据采集和数据存储模块的具体实施方案，远程控制模块需要学生自行设计。因此，方案需要具有良好的可扩展性，在硬件选择、人机界面控件选择和设计模式的选择上都需要选择易于扩展的设计方法。

给出“智慧农业监控系统”实训项目中数据采集和数据存储模块的硬件设计方案，如图2所示。

图2 项目硬件设计方案

控制器选择Micro：bit主控板。Micro：bit是一款基于ARM Cortex-M0的nRF51822处理器的创客板，集成了蓝牙、2.4G无线功能、5×5 LED点阵、两个可编程按键、加速度计、三轴地磁和温度计等功能。Micro：bit功能强大，价格低廉，可以支持图形化、Java、Python等多种流行的编程语言。在本实训项目中编程环境采用Makecode在线方式，无须安装。主控板通过普通Micro-USB线就可以与电脑连接，在编程环境中设置连接，就可以一键烧录程序。

温度传感器采用Micro：bit自带的测温功能，用来模拟实际项目中的空气温度。Micro：bit可以对外界温度进行检测是因为其nRF51822芯片内置了温度传感器。虽然检测的温度实际为芯片温度，但是无须额外连线，大大删减了重复的传感器接线环节，提高了教学效率。

光线传感器采用Micro：bit自带光线强度检测功能，用来模拟实际项目中的太阳辐射度。Micro：bit可以检测外界光线强度，这是利用其自带的LED点阵进行的，通过LED矩阵来感知周围的光，通过反复将LED转换成输入，采样电压衰减时间，从而得到一个光线强度的相对值。

湿度传感器采用价格低廉的电容式土壤湿度检测传感器，用来采集湿度和土壤水分。实际专业的农用传感器的价格较贵，而且在实际教学中，传感器往往是易损件。而电容式土壤湿度检测传感器在使用方法上与专业农用传感器使用方法近似，可以满足教学效果的需要。

项目硬件均采用价格低廉、容易获得、学生经济可承担的产品，既使学生课后复盘项目变得简单易行，同时，学生只需要添加相应的模块，就可以对系统进行拓展设计。

人机交互界面是用户与应用系统之间传递交换信息的接口，对于一个应用系统而言，是非常重要的组成部分。应用系统的整体设计思路基本是基于用户与系统的接口进行设计的。在虚拟仪器技术课程的传统教学中，人机交互界面的知识内容往往作为非重点内容一带而过。但是在真实项目中，一个友好的人机界面往往可以第一时间抓住用户。本文给出“智慧农业监控系统”实训项目中数据采集和数据存储模块的人机界面方案，设计了3个人机交互界面，包括登录界面(如图3a所示)、初始化界面(如图3b所示)和主程序界面(如图3c所示)。

图3 人机交互界面

登录界面、初始化界面紧密关联，用户在输入正确的用户名和密码后，单击确定，就自动连接到初始化界面对整个系统进行初始化。

主程序界面采用选项卡控件，可以展示实时数据和历史数据，也可以通过添加选项卡来扩展系统功能。用户可以通过单击“实时数据显示”选项卡，读取当前温度、空气湿度、光照及土壤水分值，并且状态栏提示当前状态为实时数据状态；
通过单击“历史数据回顾”选项卡，读取温度、空气湿度、光照及土壤水分值的历史数据，并且在状态栏提示当前状态为历史数据状态。通过单击“退出”按钮，可以退出系统，同时状态栏提示系统退出。

在实训项目的程序框图设计上，本着力求做到“工程化、实践性、创新型、项目式”的原则进行设计。给出“智慧农业监控系统”实训项目中数据采集和数据存储模块的程序框图设计方案。该程序框图方案力求涵盖虚拟仪器技术课程的全部重要知识点，既有数据类型、数组和簇、条件结构、循环结构、事件结构等基础知识，又包括文件项目管理、文件I/O、VI服务器、同步、图形显示、属性节点、调用节点、变量、通讯、数据库等较难的知识，而且还使用了多种设计模式结构：生产者/消费者模式、并行结构和状态机等。

(一)项目化管理

在真实项目中，往往使用项目管理器对整个项目进行管理，可以解决文件混乱松散的问题，使LabVIEW开发大型项目程序成为可能。在虚拟仪器技术传统课堂中，一般的实操练习都是在2个学时的自然课堂中完成的，项目管理的理念无法得到真正实施。综合实训则不同，可以在连续几周内完成一个或者多个大型项目的练习，因此，有必要将项目式管理融入教学项目中。本实训案例对自定义控件、数据库相关文件、子程序都做了分类管理。

(二)主程序设计

在整体框架(如图4所示)上综合运用了扩展性强的生产者/消费者结构和并行结构。第一个While循环是生产者，判断整个系统的三种使用状态，“实时数据显示”“历史数据回顾”和“退出”。根据用户不同的操作，将“实时数据”“历史数据”和“退出”数据存放在队列在中。第二个While循环，作为消费者，将队列中的数据取出，根据数据的不同，判断状态栏应当显示的信息。第三个While循环作为一个并行的结构独立工作，将传感器采集上来的信息，分别显示到实时数据的四个表盘中，同时将数据传输给历史数据的波形图表中，并且通过数据库的操作，将数据存储到数据库中。同时，采用队列的错误簇作为三个While循环的退出机制。

图4 主程序主框架

在参数的传递上，首先定义一个簇常量的自定义控件，再将所有控件引用句柄放入该簇常量中，从而将所有控件引用打包。然后通过该自定义控件来传递所有参数的引用，结合属性节点、调用节点等VI服务器的功能，就可以传递控件的参数及所有属性和方法。该方式的使用大大提高了程序的可读性、可扩展性和可维护性，同时，避免了局部变量和属性节点的过度使用。

(三)子程序

在实际项目中子程序的重要性不言而喻，不仅可以节省程序框图的空间，增加程序的可读性，而且便于维护程序，在更新时，只需要更新子程序，简化了维护流程；
而且子程序的使用，从某种程度上来说，还可以减少内存的使用。在本实训项目中，设计了6个子程序。在每一个子程序中，力求使用不同的结构和函数，力求使项目在追求“工程化、实践性、项目式”的前提下，激发学生探索通过不同的函数和程序结构来实现功能。

以“数据解析”子程序(如图5所示)为例，该子程序采用了新的程序结构——状态机作为主结构。使用While循环和Case条件结构作为状态程序的主要框架。通过“条件结构”定义不同状态及内容，使用While循环结构与移位寄存器来实现不同状态之间的连续传递。对从串口读取的字符串，比如T35H1L17W1，进行解析，分别将T、H、L、W、out作为5种状态，逐一将两个字母之间的数值取出来赋给对应的控件引用值。

图5 “数据解析”子程序

(四)数据库操作

该项目涉及了数据库相关的操作，主要采用LabVIEW SQL Toolkit工具包来实现。LabVIEW SQL Toolkit工具包具有完整的SQL功能，与本地或者远程数据库可以直接实现交互式操作。该工具包不需要使用SQL语句就可以实现数据库记录的查询、添加、修改以及删除等操作。LabVIEW SQL Toolkit工具包的优势在于不需要用户熟悉SQL语言，就可以完成对数据库的访问。该项目采用的数据库为Access。Access是微软发布的一款关系数据库管理系统，简单易开发，非常适合学生学习使用。

(五)通信方式

该项目采用NI开发的虚拟仪器软件架构(VISA)进行串口通信。VISA支持大多数仪器总线连接，其中包括GPIB、USB、串口、以太网等，可以根据使用硬件的类型调用相应的驱动程序，用户无须学习各种硬件的通信协议。

在“智慧农业监控系统”实训项目的数据采集和数据存储模块的教学过程中，以教师“启发式教学”为主，由教师边演示边讲授；
学生“模仿式学做”为辅，学生边听课边模仿，最终使学生掌握小型采集系统的设计方法。同时，学生需要在完成知识的积累后，实现灵活运用，因此在学生完成上述采集系统后，还需要进行创新设计。

学生在完成了数据采集和数据存储两个模块的任务后，应当可以完成远程控制模块的设计。该模块要求可以实现对历史数据的分析，判断达到设定条件后，可以开启灯照和浇水的功能。在本环节要求学生可以独立完成硬件、人机界面及程序框图的设计及搭建。

本实训案例通过“智慧农业监控系统”的硬件设计，旨在培养学生跨课程的知识融合应用能力；
通过系统的人机界面设计，培养学生对LabVIEW各种控件的综合应用能力；
通过系统程序框图的设计，使学生掌握LabVIEW的核心功能和特性。

实训案例基本涵盖了整个学期所学的虚拟仪器技术课程的全部重要知识点，不仅包括数据类型、数组和簇、条件结构、循环结构、事件结构等基础知识，还涵盖了文件项目管理、I/O、VI服务器、同步、图形、属性节点、调用节点、变量、通讯、数据库等较难的知识，而且还包括丰富的设计模式结构：生产者/消费者模式、并行结构、状态机等。通过实践教学证明，在完成该案例的学习后，学生普遍具有开发、调试和维护小型LabVIEW系统的能力。