專利名稱：無線數(shù)字教學(xué)實驗系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種教學(xué)實驗系統(tǒng)，特別是一種基于Zigbee無線通訊協(xié)議構(gòu)建 的無線數(shù)字教學(xué)實驗系統(tǒng)，以提高教學(xué)實驗系統(tǒng)的設(shè)備鏈接能力并減少了傳輸線對實驗的 干擾，屬于教學(xué)實驗設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前，應(yīng)用在中小學(xué)等教學(xué)課堂中的教學(xué)實驗系統(tǒng)往往偏重于學(xué)生從原理上完成 實驗。然而，由于學(xué)生操作經(jīng)驗的局限和判別能力有限，使得實驗過程中的精準度難以達到 實驗正常的精度要求，嚴重時甚至?xí)箤嶒灥贸鲥e誤的結(jié)果。根據(jù)這一問題，目前已有一些 實驗教學(xué)系統(tǒng)采用了采用了傳感技術(shù)，通過將實驗中的實驗量轉(zhuǎn)化為精度較高的電信號， 在經(jīng)過后級的相關(guān)信號處理電路，完成對實驗過程的精確判斷，輔助學(xué)生順利完成各項實 驗。 但是，這種使用傳感器的實驗教學(xué)系統(tǒng)目前普遍采用的是有線的方式連接前端傳 感器和后端的信號分析處理設(shè)備(通常是計算機)。由于，計算機對外提供的可擴展接口 有限，一般可連接的傳感器在6個以下。這就使得這樣的實驗教學(xué)系統(tǒng)無法完成一些復(fù)雜 程度較高，需要傳感器數(shù)量較多的教學(xué)實驗需求。并且，在這種實驗教學(xué)系統(tǒng)中，一臺計算 機往往只能滿足一組實驗的需要。要想讓學(xué)生同時進行多組實驗，就需要配備多臺計算機。 這使得該實驗教學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)建成本大大提高。另外，采用這種有線方式的實驗教學(xué)系統(tǒng)，必 然涉及到布線問題。如果，布線不合適不但會影響實驗室內(nèi)的環(huán)境，甚至還會影響到部分實 驗的操作。同時，布線之后對線材的維護和保養(yǎng)也較為繁瑣。 基于以上現(xiàn)有實驗教學(xué)系統(tǒng)中的不足，本專利設(shè)計采用無線方式實現(xiàn)前端傳感器 和后端的信號分析處理設(shè)備之間的連接。

發(fā)明內(nèi)容本實用新型的發(fā)明目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，提供一種基于Zigbee 無線通訊協(xié)議構(gòu)建的無線數(shù)字教學(xué)實驗系統(tǒng)，以提高教學(xué)實驗系統(tǒng)的設(shè)備鏈接能力并減少 了傳輸線對實驗的干擾。 本實用新型的發(fā)明目的是通過下述技術(shù)方案予以實現(xiàn)的 無線數(shù)字教學(xué)實驗系統(tǒng)，其特征在于包括若干傳感發(fā)射端裝置、數(shù)據(jù)接收裝置和 數(shù)據(jù)處理裝置； 每個傳感發(fā)射端裝置包括有傳感器、信號放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、編解碼器和無線信 號發(fā)射器；該傳感器設(shè)置在傳感發(fā)射端裝置的前端，用以將實驗量轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號； 該傳感器依次與信號放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器串聯(lián)，將采集到的所述電信號經(jīng)信號放大器放大 后，再由模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號由編解碼器對其進行編碼，打包成 可供無線通信的數(shù)據(jù)包；該無線信號發(fā)射器將該打好包的數(shù)據(jù)包以射頻的方式發(fā)射出去； 該數(shù)據(jù)接收裝置接收各個傳感發(fā)射端裝置的無線信號發(fā)射器發(fā)出的數(shù)據(jù)包，并將所接收的數(shù)據(jù)包拆包為所述數(shù)字信號；數(shù)據(jù)接收裝置與數(shù)據(jù)處理裝置相連接，將所述數(shù)字 信號發(fā)送至數(shù)據(jù)處理裝置。 在所述無線信號發(fā)射器與數(shù)據(jù)接收裝置之間通過zigbee技術(shù)實現(xiàn)無線通信。 所述傳感器可以為電導(dǎo)率傳感器、溫度傳感器、高溫傳感器、ra值傳感器、電壓傳
感器、微電壓傳感器、電流傳感器、微電流傳感器、溶解氧傳感器、氧氣傳感器、加速度傳感
器、光強傳感器、氣壓傳感器、雙向力傳感器、光電門傳感器或聲音傳感器。 所述數(shù)據(jù)接收裝置設(shè)置在所述數(shù)據(jù)處理裝置內(nèi)。 在所述傳感器與信號放大器之間依次串聯(lián)有共模電壓提升電路和高頻抗干擾電 路。 本實用新型的有益效果是該無線數(shù)字教學(xué)實驗系統(tǒng)通過無線通信方式替代現(xiàn)有 的有線通信方式來進行實驗數(shù)據(jù)的傳輸，提高了教學(xué)實驗系統(tǒng)的設(shè)備鏈接能力并減少了傳 輸線對實驗的干擾。

圖1為無線數(shù)字教學(xué)實驗系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為共模電壓提升電路及高頻抗干擾電路電路圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖和實施例對本實用新型作進一步描述。 鑒于上述現(xiàn)有有線教學(xué)實驗系統(tǒng)中存在的問題，本專利設(shè)計了一種通過無線方式 傳輸實驗數(shù)據(jù)的無線數(shù)字教學(xué)實驗系統(tǒng)。圖1為該無線數(shù)字教學(xué)實驗系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。 如圖所示，該無線數(shù)字教學(xué)實驗系統(tǒng)包括若干傳感發(fā)射端裝置、數(shù)據(jù)接收裝置和數(shù)據(jù)處理 裝置。 每個傳感發(fā)射端裝置包括有傳感器、信號放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、編解碼器和無線信
號發(fā)射器。該傳感器設(shè)置在傳感發(fā)射端裝置的前端，用以將實驗量轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號。該
采集到的電信號經(jīng)信號放大器放大后發(fā)送至模數(shù)轉(zhuǎn)換器，由模數(shù)轉(zhuǎn)換器將該模擬信號轉(zhuǎn)換
為數(shù)字信號。轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號由編解碼器對其進行編碼，打包成可供無線通信的數(shù)據(jù)包。
該無線信號發(fā)射器作為無線通信的發(fā)射端，將該打好包的數(shù)據(jù)包以射頻的方式發(fā)射出去。 該數(shù)據(jù)接收裝置為無線通信的接收端，用以接收各個傳感發(fā)射端裝置的無線信號
發(fā)射器發(fā)出的數(shù)據(jù)包，并將所接收的數(shù)據(jù)包拆包為前述模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號。數(shù)
據(jù)接收裝置與數(shù)據(jù)處理裝置相連接，將所述數(shù)字信號發(fā)送至數(shù)據(jù)處理裝置。 該數(shù)據(jù)處理裝置為實驗數(shù)據(jù)的核心處理裝置。它通過預(yù)先設(shè)置好的數(shù)據(jù)處理軟件
對上述數(shù)字信號進行數(shù)據(jù)分析，并將最終的實驗結(jié)果顯示輸出。 這里所謂傳感器可以根據(jù)不同實驗的需要采用不同的傳感器。具體地說，可以采
用電導(dǎo)率傳感器、溫度傳感器、高溫傳感器、ra值傳感器、電壓傳感器、微電壓傳感器、電流
傳感器、微電流傳感器、溶解氧傳感器、氧氣傳感器、加速度傳感器、光強傳感器、氣壓傳感 器、雙向力傳感器、光電門傳感器、聲音傳感器等傳感器。由于，這些具體的傳感器結(jié)構(gòu)已為 公知技術(shù)，在此就不再對其具體的結(jié)構(gòu)做進一步描述。 可見，本實用新型所設(shè)計的無線數(shù)字教學(xué)實驗系統(tǒng)其關(guān)鍵在于在傳感發(fā)射端裝置
4和數(shù)據(jù)接收裝置之間，本系統(tǒng)并不是采用傳統(tǒng)的有線連接方式進行數(shù)據(jù)傳輸，而是采用了 無線通信方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。通過這樣數(shù)據(jù)傳輸方式的改變，使得數(shù)據(jù)處理裝置所能處理 的傳感器采集數(shù)據(jù)不再受有線接口數(shù)量限制。通過本專利所設(shè)計的無線數(shù)字教學(xué)實驗系 統(tǒng)，數(shù)據(jù)處理裝置理論上連接的傳感發(fā)射端裝置的數(shù)量可多達60000個設(shè)備。這個數(shù)量遠 遠超過前述有線方式最多所能連接的設(shè)備數(shù)量。進而，該實驗系統(tǒng)可以實現(xiàn)更為復(fù)雜的教 學(xué)試驗設(shè)計。 并且，由于該實驗系統(tǒng)可以同時連接多個傳感發(fā)射端裝置，因此可以僅采用一套 數(shù)據(jù)接收裝置及數(shù)據(jù)處理裝置來完成多組實驗數(shù)據(jù)的并行處理。這樣可以大大節(jié)省教學(xué)實 驗系統(tǒng)的構(gòu)建成本。 由于，通常情況下所述數(shù)據(jù)處理裝置都是采用計算機來實現(xiàn)。因此，本專利根據(jù)這 一情況將所述數(shù)據(jù)接收裝置設(shè)計在一塊可插接在計算機擴展接口的電路板上。這樣，所述 數(shù)據(jù)接收裝置和數(shù)據(jù)處理裝置可以實現(xiàn)一體化設(shè)計，從而進一步實現(xiàn)簡化教學(xué)實驗系統(tǒng)的 目的。 如前所述，本專利的設(shè)計要點在于通過無線通信方式實現(xiàn)傳感發(fā)射端裝置和數(shù)據(jù) 接收裝置之間數(shù)據(jù)傳輸。因此，用以實現(xiàn)這一無線通信連接的無線通信方式就顯得尤為重 要。目前，常用的局域網(wǎng)無線通信方式主要有wifi、藍牙、紅外、zigbee等技術(shù)。而在本專 利所設(shè)計的無線數(shù)字教學(xué)實驗系統(tǒng)中，我們最終選用了 zigbee技術(shù)來實現(xiàn)其中的無線通 信連接。 Zigbee無線通信技術(shù)是IEEE 802. 15. 4協(xié)議的代名詞，該名稱來源于蜜蜂與同伴 傳遞花粉所在方位信息的八字舞。該通信協(xié)議是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速 率、低成本的無線通信協(xié)議。 ZigBee技術(shù)的主要特點如下一、數(shù)據(jù)傳輸速率低只有10K字節(jié)/秒到250K字 節(jié)/秒，專注于低傳輸應(yīng)用；二、功耗低在低耗電待機模式下，兩節(jié)普通5號干電池可使用 6個月到2年，免去了充電或者頻繁更換電池的麻煩。這也是ZigBee的支持者所一直引以 為豪的獨特優(yōu)勢；三、成本低ZigBee數(shù)據(jù)傳輸速率低，協(xié)議簡單，所以大大降低了成本。且 免收專利費；四、網(wǎng)絡(luò)容量大每個ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可支持255個設(shè)備；五、時延短通常時 延都在15毫秒至30毫秒之間；六、安全ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，采用 AES-128加密算法；七、有效范圍小有效覆蓋范圍10 75米之間，具體依據(jù)實際發(fā)射功率 的大小和各種不同的應(yīng)用模式而定，基本上能夠覆蓋普通的家庭或辦公室環(huán)境；八、工作頻 段靈活使用頻段為2. 4GHz、868MHz歐洲及915MHz美國，均為免執(zhí)照頻段。 因此，無論是與藍牙、紅外或是WiFi技術(shù)相比較，ZigBee技術(shù)都更適于在教學(xué)實 驗環(huán)境下應(yīng)用。相對于zigbee技術(shù)其他的無線通信技術(shù)的功耗都較高，在不充電的情況下 最多工作不超過幾周。這與zigbee技術(shù)僅靠兩節(jié)普通5號干電池就可使用6個月到2年， 無法相比。并且，其他的無線通信技術(shù)相比zigbee技術(shù)，組網(wǎng)復(fù)雜性更高，往往需要人手配 置和維護網(wǎng)絡(luò)連接，這也不適于在教學(xué)實驗系統(tǒng)中使用。在這方面，zigbee技術(shù)也一定程 度上降低了系統(tǒng)的維護成本。 綜上所述，zigbee技術(shù)是目前常用無線通信技術(shù)中最適宜應(yīng)用于教學(xué)實驗系統(tǒng)中 無線通信技術(shù)。 另外應(yīng)當指出的是，由于本專利所設(shè)計的教學(xué)實驗系統(tǒng)采用了無線通信方式進行
5實驗數(shù)據(jù)的傳輸。但是，其產(chǎn)生的高頻無線信號也有可能給前端傳感器檢測實驗量帶來干 擾，影響最終的實驗結(jié)果。針對這一問題，本專利還在每個傳感發(fā)射端裝置的傳感器和信號 放大器之間串聯(lián)有共模電壓提升電路和高頻抗干擾電路。 如圖2所示，所述共模電壓提升電路由電阻R18、R19、R20構(gòu)成。該電阻R18、R19阻 值相同，兩電阻串聯(lián)后并接在傳感器的輸出端。電阻R20 —端連接擬提升的共模電壓VDD， 另一端接在電阻R18、 R19的中間點。三個電阻共同構(gòu)成共模電壓提升電路，放大傳感器輸 出的感應(yīng)電信號。所述高頻抗干擾電路由電阻R15、 R16和電容C2構(gòu)成。該電阻R15、R16 阻值相同，對稱串聯(lián)在傳感器的輸出線路上。該電容C2并聯(lián)在輸出線路兩端。該高頻抗干 擾電路通過電容C2濾掉傳感器輸出感應(yīng)電信號中的高頻干擾信號，從而提高實驗系統(tǒng)的 測量精度。 綜上所述，本專利所設(shè)計的無線數(shù)字教學(xué)實驗系統(tǒng)主要是通過無線通信方式替代 現(xiàn)有的有線通信方式來進行實驗數(shù)據(jù)的傳輸，從而解決了現(xiàn)有有線教學(xué)實驗系統(tǒng)中存在的 問題，提高了教學(xué)實驗系統(tǒng)的設(shè)備鏈接能力并減少了傳輸線對實驗的干擾。基于這一設(shè)計 思想，本領(lǐng)域一般技術(shù)人員所做的任何不具有創(chuàng)造性價值的改造，均應(yīng)視為在本實用新型 的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求無線數(shù)字教學(xué)實驗系統(tǒng)，其特征在于包括若干傳感發(fā)射端裝置、數(shù)據(jù)接收裝置和數(shù)據(jù)處理裝置；每個傳感發(fā)射端裝置包括有傳感器、信號放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、編解碼器和無線信號發(fā)射器；該傳感器設(shè)置在傳感發(fā)射端裝置的前端，用以將實驗量轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號；該傳感器依次與信號放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器串聯(lián)，將采集到的所述電信號經(jīng)信號放大器放大后，再由模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號由編解碼器對其進行編碼，打包成可供無線通信的數(shù)據(jù)包；該無線信號發(fā)射器將該打好包的數(shù)據(jù)包以射頻的方式發(fā)射出去；該數(shù)據(jù)接收裝置接收各個傳感發(fā)射端裝置的無線信號發(fā)射器發(fā)出的數(shù)據(jù)包，并將所接收的數(shù)據(jù)包拆包為所述數(shù)字信號；數(shù)據(jù)接收裝置與數(shù)據(jù)處理裝置相連接，將所述數(shù)字信號發(fā)送至數(shù)據(jù)處理裝置。
2. 如權(quán)利要求1所述的無線數(shù)字教學(xué)實驗系統(tǒng)，其特征在于在所述無線信號發(fā)射器 與數(shù)據(jù)接收裝置之間通過zigbee技術(shù)實現(xiàn)無線通信。
3. 如權(quán)利要求1所述的無線數(shù)字教學(xué)實驗系統(tǒng)，其特征在于所述傳感器可以為電導(dǎo) 率傳感器、溫度傳感器、高溫傳感器、ra值傳感器、電壓傳感器、微電壓傳感器、電流傳感器、 微電流傳感器、溶解氧傳感器、氧氣傳感器、加速度傳感器、光強傳感器、氣壓傳感器、雙向 力傳感器、光電門傳感器或聲音傳感器。
4. 如權(quán)利要求1所述的無線數(shù)字教學(xué)實驗系統(tǒng)，其特征在于所述數(shù)據(jù)接收裝置設(shè)置 在所述數(shù)據(jù)處理裝置內(nèi)。
5. 如權(quán)利要求1所述的無線數(shù)字教學(xué)實驗系統(tǒng)，其特征在于在所述傳感器與信號放 大器之間依次串聯(lián)有共模電壓提升電路和高頻抗干擾電路。
專利摘要本實用新型提供了一種無線數(shù)字教學(xué)實驗系統(tǒng)，包括若干傳感發(fā)射端裝置、數(shù)據(jù)接收裝置和數(shù)據(jù)處理裝置；每個傳感發(fā)射端裝置包括有傳感器、信號放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、編解碼器和無線信號發(fā)射器；所述傳感器、信號放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、編解碼器和無線信號發(fā)射器依次串聯(lián)；該數(shù)據(jù)接收裝置接收各個傳感發(fā)射端裝置的無線信號發(fā)射器發(fā)出的數(shù)據(jù)包；數(shù)據(jù)接收裝置與數(shù)據(jù)處理裝置相連接，將所述數(shù)字信號發(fā)送至數(shù)據(jù)處理裝置。該無線數(shù)字教學(xué)實驗系統(tǒng)通過無線通信方式替代現(xiàn)有的有線通信方式來進行實驗數(shù)據(jù)的傳輸，提高了教學(xué)實驗系統(tǒng)的設(shè)備鏈接能力并減少了傳輸線對實驗的干擾。
文檔編號G09B19/00GK201465350SQ200920108869
公開日2010年5月12日 申請日期2009年6月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月11日
發(fā)明者姜亞東, 王艷輝 申請人:北京旌歌時代科技有限公司