基于嵌入式智能在线系统的返混实验教学系统及实验方法技术方案

本发明专利技术公开了基于嵌入式智能在线系统的返混实验教学系统及实验方法，该系统由返混实验装置模块、传感器模块、嵌入式智能在线系统、控制模块、跨平台移动端教学模块及教师远端交互教学管控平台组成。返混实验参数经传感器模块传输到嵌入式智能在线系统，嵌入式智能在线系统通过控制模块操控返混实验装置模块；而嵌入式智能在线系统经网络与教师远端交互教学管控平台连接，实现实验教学远程交互功能。本发明专利技术具有远程操控返混实验装置、实验安全报警、实时教学互动等功能，能够在实验过程中实现多种工况；移动端模块能够完成实验资料获取、视频观看、数据查询和下载、分析计算和历史问题回顾。本发明专利技术适于用化工实验教学、智能教学控制等领域。

【技术实现步骤摘要】
基于嵌入式智能在线系统的返混实验教学系统及实验方法
本专利技术提供了基于嵌入式智能在线系统的返混实验教学系统及其实验方法，特别适于用化工实验教学、计算机辅助教学以及智能教学控制等领域。
技术介绍
返混是化学反应工程课程教学中的重要概念，反应器内物料返混程度会影响反应器内浓度和温度的分布，从而影响反应的结果。传统返混实验过程中，通常采用管式反应器和釜式反应器，通过测定稳态实验条件下的停留时间分布，分析返混程度，帮助学生掌握返混概念。目前工业上已经开发了多种新型反应器，如：环流反应器、循环反应器等。在生产过程中，反应器操作也会发生诸多的异常。而传统的返混实验教学过程中，这些教学内容较少体现，使得学生对工业反应器的认知程度不够，缺少应对实际生产状况的能力；同时缺少实验结果实时反馈及课后回顾信息，不利于学生及时纠正实验失误和进行学习反思。
技术实现思路
针对目前返混实验教学过程中，反应器类型少、实验教学内容和工业实践差距较大的问题。本专利技术提供了基于嵌入式智能在线系统的返混实验教学系统及其实验方法。所述的基于嵌入式智能在线系统的返混实验教学系统，其特征在于由返混实验装置模块、传感器模块、嵌入式智能在线系统、控制模块、跨平台移动端教学模块以及教师远端交互教学管控平台组成，传感器模块接口和控制模块接口与返混实验装置模块相连接，返混实验装置模块的实验参数通过传感器模块传输到嵌入式智能在线系统，嵌入式智能在线系统通过控制模块操控返混实验装置模块；而嵌入式智能在线系统通过互联网与教师远端交互教学管控平台连接，实现实验教学远程交互功能，控制模块通过I/O或RS485通讯接口和嵌入式智能在线系统连接、通讯。所述的基于嵌入式智能在线系统的返混实验教学系统，其特征在于嵌入式智能在线系统的核心硬件为嵌入式主板，至少包括一台高速数据采集机和一台教学策略机。教学策略机和高速数据采集机通过内部通讯接口完成连接，实现嵌入式智能在线系统的功能，安装过程可采用集中安装或分布式安装模式。所述的基于嵌入式智能在线系统的返混实验教学系统，其特征在于返混实验装置模块包括管式反应器、循环管式反应器、连续釜式反应器、环流反应器、固定床反应器、流化床反应器中的一种或多种排列组合及与反应器通过管路连接的流动相储槽、示踪剂储槽和液体输送装置。所述的基于嵌入式智能在线系统的返混实验教学系统其特征在于传感器模块包括电导率传感器、流量传感器、液位传感器及温度传感器等。所述的基于嵌入式智能在线系统的返混实验教学系统，其特征在于控制模块包括流量控制模块、流道控制模块、自动进样模块和系统干扰模块。所述的基于嵌入式智能在线系统的返混实验教学系统，其特征在于跨平台移动端教学模块用于完成实验资料获取、实验视频观看、实验数据查询及下载、分析计算及历史问题回顾等功能。所述的基于嵌入式智能在线系统的返混实验教学系统，其特征在于教师远端交互教学管控平台用于远程实验信息显示和管理、教学策略调整及安全监控功能。所述的基于嵌入式智能在线系统的返混实验教学系统，其特征在于嵌入式智能在线系统包括嵌入式主板、存储介质、时钟电路模块、RS485通讯模块、蜂鸣器模块、液晶显示模块、摄像头模块、散热风扇、开关电源模块、电源指示开关及电子仪表箱。教学策略机包含内部时钟模块、内部通讯接口、USB接口、RS-485接口、网络接口及HDMI接口；高速数据采集机包含传感器接口、控制器接口和内部通讯接口。所述的基于嵌入式智能在线系统的返混实验教学系统，其特征在于嵌入式智能在线系统软件基于Linux平台，用Python、C语言、SQLite数据库和MySQL数据库开发。通讯程序和底层数据采集程序从返混实验模块采集和存储数据，经GUI应用程序，输出可视化界面。能够实时显示实验数据和趋势线，智能分析数据并给出操作提示；摄像头实时拍摄装置运行情况；通过键盘和鼠标接受用户操作及指令输入；如果设备参数异常，程序将触发现场和远程双重报警。所述的基于嵌入式智能在线系统的返混实验教学系统的实验方法，其特征在于包括如下步骤：1）在返混实验装置模块的流动相储槽、示踪剂储槽中分别加入液体，进行排气操作，确保管路和液体输送装置中没有气泡存在，检查返混实验装置模块各个部件状况；2）打开嵌入式智能在线系统的电源，等待开机完毕，系统完成自检，软件完成通讯测试；3）读取教师远端交互教学管控平台的设定值；同时操控返混实验装置模块，通过控制模块改变设备运行参数的方式添加扰动；4）开启返混实验装置模块的液体输送装置，开启高速数据采集机的数据采集功能，根据实验讲义或教师远端交互教学管控平台的实验要求进行实验操作；5）嵌入式智能在线系统的高速数据采集机采集实验过程中，实验装置参数信息，并将该信息以数据包形式传输给教学策略机；教学策略机分析数据并实时显示；6）重复实验获取多组信息后，利用教学策略机的数据分析模块，得到不同条件下返混特征，根据不同实验条件下返混实验数据，分析教师远端交互教学管控平台发送的扰动类型，分析扰动因素对实验造成的影响；7）实验结束后，关闭嵌入式智能在线系统，排尽返混实验装置模块中的液体。通过采用上述技术，与现有技术相比，该系统在增加了新型实验设备的基础上结合了计算机辅助教学及智能教学控制等领域等理念和技术，特别适于用化工实验教学。本专利技术的有益效果如下：本专利技术针对目前返混实验教学过程中，反应器类型少、实验教学内容和工业实践差距较大的问题，提供了基于嵌入式智能在线系统的返混实验教学系统及其实验方法；1）其嵌入式智能在线系统能够高速采集传感器数据，进行实验操作检查、数据处理及误差分析，能够快速反馈实验信息，能够实现实验教学交互，实验过程交互指导、实验结果校核及重做提醒，帮助学生纠正实验失误、掌握实验操作技能；2）能够通过人为制造实验操作扰动，实现了实验装置的可变性，在同一套实验装置中实现不同的操作工况，丰富了实验教学的内容；3）通过安全认证后，教师远端交互教学管控平台能够远程操控嵌入式智能在线系统，实现远程教学、操控返混实验装置、实验安全报警、实时呼叫教师等功能。附图说明图1为本专利技术的结构示意图；图2为本专利技术实施例1的返混实验装置示意图；图3为本专利技术实施例2的返混实验装置示意图。具体实施方式下面结合说明书附图及实施例对本专利技术进行进一步说明。实施例1：如图1所示，本专利技术的基于嵌入式智能在线系统的返混实验教学系统包括如下：返混实验装置模块1：循环管式反应器、流动相储槽102、示踪剂储槽106和液体输送装置，循环管式反应器具体为内循环环流反应器101，且内循环环流反应器101的顶部、中部和底部各设有一个喷嘴，液体输送装置为离心泵103；传感器模块2：3个电导率传感器201，分别安装于内循环环流反应器101的出口处、内循环外管1/3高度处及2/3高度处、液位传感器202、流量传感器203及氧含量传感器204；控制模块4：包括流道控制模块，分别用于控制顶部、中部和底部的喷嘴、自动进样模块和系统干扰模块，自动进样模块和系统干扰模块用于模拟死区块、挡板可升降等；所述流动相储槽102、示踪剂储槽与内循环环流反应器101通过管道连接，连接管道上设有离心泵103和流量传感器203，通过离心泵103将流动相及示踪剂送入内循环环流反应器101中，其流量由流量传感本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于嵌入式智能在线系统的返混实验教学系统，其特征在于由返混实验装置模块（1）、传感器模块（2）、嵌入式智能在线系统（3）、控制模块（4）、跨平台移动端教学模块（5）以及教师远端交互教学管控平台（6）组成，传感器模块（2）接口和控制模块（4）接口与返混实验装置模块（1）相连接，返混实验装置模块（1）的实验参数通过传感器模块（2）传输到嵌入式智能在线系统（3），嵌入式智能在线系统（3）通过控制模块（4）操控返混实验装置模块（1）；而嵌入式智能在线系统（3）通过互联网与教师远端交互教学管控平台（6）连接，实现实验教学远程交互功能，控制模块（4）通过I/O或RS485通讯接口和嵌入式智能在线系统（3）连接、通讯。

【技术特征摘要】
1.基于嵌入式智能在线系统的返混实验教学系统，其特征在于由返混实验装置模块（1）、传感器模块（2）、嵌入式智能在线系统（3）、控制模块（4）、跨平台移动端教学模块（5）以及教师远端交互教学管控平台（6）组成，传感器模块（2）接口和控制模块（4）接口与返混实验装置模块（1）相连接，返混实验装置模块（1）的实验参数通过传感器模块（2）传输到嵌入式智能在线系统（3），嵌入式智能在线系统（3）通过控制模块（4）操控返混实验装置模块（1）；而嵌入式智能在线系统（3）通过互联网与教师远端交互教学管控平台（6）连接，实现实验教学远程交互功能，控制模块（4）通过I/O或RS485通讯接口和嵌入式智能在线系统（3）连接、通讯。2.如利要求1所述的基于嵌入式智能在线系统的返混实验教学系统，其特征在于嵌入式智能在线系统（3）的核心硬件为嵌入式主板，至少包括一台高速数据采集机（301）和一台教学策略机（302）；教学策略机（302）和高速数据采集机（301）通过内部通讯接口完成连接，实现嵌入式智能在线系统的功能，安装过程可采用集中安装或分布式安装模式。3.如利要求1所述的基于嵌入式智能在线系统的返混实验教学系统，其特征在于返混实验装置模块（1）包括管式反应器、循环管式反应器、连续釜式反应器、环流反应器、固定床反应器、流化床反应器中的一种或多种排列组合及与反应器通过管路连接的流动相储槽、示踪剂储槽和液体输送装置。4.如权利要求1所述的基于嵌入式智能在线系统的返混实验教学系统其特征在于传感器模块（2）包括电导率传感器、流量传感器、液位传感器及温度传感器等。5.如权利要求1所述的基于嵌入式智能在线系统的返混实验教学系统，其特征在于控制模块（4）包括流量控制模块、流道控制模块、自动进样模块和系统干扰模块。6.如权利要求1所述的基于嵌入式智能在线系统的返混实验教学系统，其特征在于跨平台移动端教学模块（5）用于完成实验资料获取、实验视频观看、实验数据查询及下载、分析计算及历史问题回顾等功能。7.如权利要求1所述的基于嵌入式智能在线系统的返混实验教学系统，其特征在于教师远端交互教学管控平台（6）用于远程实验信息显示和管理、教学策略调整及安全监控功能。8.如权利要求2所述的基于嵌入式智能在线系统的返混实验...

【专利技术属性】
技术研发人员：许轶，李琰君，贾继宁，屠美玲，杨阿三，蔡金法，王祁宁，张建庭，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33