《測控數(shù)據(jù)采集與處理》教學大綱

《測控數(shù)據(jù)采集與處理》教學大綱適用范圍：202X版本科人才培養(yǎng)方案課程代碼：05147161課程性質(zhì)：專業(yè)必修課學分：3學分學時：48學時（理論32學時，實驗16學時）先修課程：傳感器技術、單片機原理及應用、Python程序設計基礎、計算機網(wǎng)絡等后續(xù)課程：專業(yè)方向課程設計、畢業(yè)設計適用專業(yè)：測控技術與儀器開課單位：電氣工程與自動化學院一、課程說明《測控數(shù)據(jù)采集與處理》是測控技術與儀器本科專業(yè)的專業(yè)必修課。本課程主要任務是學習物聯(lián)網(wǎng)背景下測控數(shù)據(jù)采集、傳輸與分析的關鍵技術，包括物聯(lián)網(wǎng)基本概念、網(wǎng)絡技術、數(shù)據(jù)分析技術、應用案例等。通過本課程的學習，使學生獲得物聯(lián)網(wǎng)及測控數(shù)據(jù)采集技術相關的基本理論、基本知識和基本技能，并能應用相關物聯(lián)網(wǎng)平臺實現(xiàn)測控數(shù)據(jù)采集應用。二、課程目標通過本課程的學習，使學生達到如下目標：課程目標1：了解物聯(lián)網(wǎng)及測控數(shù)據(jù)采集與處理的基本概念、發(fā)展歷史及趨勢、應用領域等；掌握不同數(shù)據(jù)采集技術、數(shù)據(jù)傳輸技術及數(shù)據(jù)處理技術的功能及原理；掌握振動信號采集分析的原理及方法；掌握Wifi、Lora、4G、5G等數(shù)據(jù)無限傳輸技術；能夠將測控數(shù)據(jù)采集與處理的基礎知識與數(shù)學和自然科學基本理論相結合，分析測控領域復雜工程問題，并針對具體對象分析系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)特性，獲得多種解決方案。課程目標2：能綜合運用所學知識設計測控數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，所設計的測控數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)充分考慮成本、功耗、可靠性、實時性等因素，滿足工程工業(yè)應用需求。培養(yǎng)良好的職業(yè)規(guī)范及工程素養(yǎng)；追求精益、勇于創(chuàng)新的工匠精神；善于學習、積極探索的創(chuàng)新意識；團隊協(xié)作、終身學習精神。課程目標3：能夠針對測控技術與儀器及相關領域復雜工程問題，合理選擇并應用人工智能技術開發(fā)設計數(shù)據(jù)分析算法；能夠根據(jù)測控系統(tǒng)的性能指標要求，綜合運用物聯(lián)網(wǎng)云平臺，設計智能化測控系統(tǒng)，實現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場設備運行狀態(tài)遠程監(jiān)控，分析設備狀態(tài)異常原因并給出解決方案。三、課程目標與畢業(yè)要求《測控數(shù)據(jù)采集與處理》課程教學目標對測控技術與儀器專業(yè)畢業(yè)要求的支撐見表1。表1課程教學目標與畢業(yè)要求關系畢業(yè)要求指標點課程目標支撐強度2.問題分析2.2能根據(jù)數(shù)學、自然科學和工程科學的基本原理分析測控領域復雜工程問題，并針對具體對象分析系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)特性，獲得多種解決方案。課程目標1：了解物聯(lián)網(wǎng)及測控數(shù)據(jù)采集與處理的基本概念、發(fā)展歷史及趨勢、應用領域等；掌握不同數(shù)據(jù)采集技術、數(shù)據(jù)傳輸技術及數(shù)據(jù)處理技術的功能及原理；掌握振動信號采集分析的原理及方法；掌握Wifi、Lora、4G、5G等數(shù)據(jù)無限傳輸技術；能夠將測控數(shù)據(jù)采集與處理的基礎知識與數(shù)學和自然科學基本理論相結合，分析測控領域復雜工程問題，并針對具體對象分析系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)特性，獲得多種解決方案。H3.設計／開發(fā)解決方案3.3能夠在設計開發(fā)環(huán)節(jié)中綜合考慮社會、健康、安全、法律、文化以及環(huán)境等因素對設計進行優(yōu)化改進，最終實現(xiàn)工程表達，并體現(xiàn)創(chuàng)新意識。課程目標2：能綜合運用所學知識設計測控數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，所設計的測控數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)充分考慮成本、功耗、可靠性、實時性等因素，滿足工程工業(yè)應用需求。培養(yǎng)良好的職業(yè)規(guī)范及工程素養(yǎng)；追求精益、勇于創(chuàng)新的工匠精神；善于學習、積極探索的創(chuàng)新意識；團隊協(xié)作、終身學習精神。M5.使用現(xiàn)代工具5.1了解現(xiàn)代儀器、信息檢索工具、工程工具、專業(yè)仿真軟件等工具的原理和使用方法。課程目標3：能夠針對測控技術與儀器及相關領域復雜工程問題，合理選擇并應用人工智能技術開發(fā)設計數(shù)據(jù)分析算法；能夠根據(jù)測控系統(tǒng)的性能指標要求，綜合運用物聯(lián)網(wǎng)云平臺，設計智能化測控系統(tǒng)，實現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場設備運行狀態(tài)遠程監(jiān)控，分析設備狀態(tài)異常原因并給出解決方案。M注：表中“H（高）、M（中）”表示課程與相關畢業(yè)要求的關聯(lián)度。四、教學內(nèi)容、基本要求與學時分配1.理論部分理論部分的教學內(nèi)容、基本要求與學時分配見表2。表2教學內(nèi)容、基本要求與學時分配教學內(nèi)容教學要求，教學重點難點理論學時實驗學時對應的課程目標1.物聯(lián)網(wǎng)及測控數(shù)據(jù)采集處理基本概念1.1物聯(lián)網(wǎng)起源1.2物聯(lián)網(wǎng)架構1.3測控數(shù)據(jù)采集在物聯(lián)網(wǎng)中的作用教學要求：掌握物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)組成及架構；理解測控數(shù)據(jù)采集在物聯(lián)網(wǎng)中的作用。重點：物聯(lián)網(wǎng)架構；測控數(shù)據(jù)采集在物聯(lián)網(wǎng)中的作用。難點：物聯(lián)網(wǎng)架構。212.測控數(shù)據(jù)采集技術2.1數(shù)據(jù)采集技術基礎2.2開關信號采集2.3數(shù)字信號采集2.4模擬信號采集教學要求：了解數(shù)據(jù)采集技術基礎；掌握開關信號、數(shù)字信號和模擬信號采集方法及技術。重點：開關信號、數(shù)字信號和模擬信號采集方法及技術。難點：數(shù)字信號和模擬信號采集方法及技術。641、23.信號傳輸技術3.1常用信號傳輸技術概述3.2近距離信號傳輸3.3遠距離信號傳輸3.4信號傳輸協(xié)議教學要求：了解常用的信號傳輸技術；掌握Wifi、RS-232/485等近距離信號傳輸技術；掌握4G遠距離信號傳輸技術；了解5G傳輸發(fā)展趨勢；掌握MQTT、Modbus等傳輸協(xié)議，能夠自定義信號傳輸協(xié)議。重點：Wifi、RS-232/485等近距離信號傳輸技術；4G遠距離信號傳輸技術；MQTT、Modbus等傳輸協(xié)議。難點：4G遠距離信號傳輸技術；MQTT、Modbus等傳輸協(xié)議。61、24.數(shù)據(jù)處理技術4.1振動信號分析原理4.2時域信號分析處理技術4.3時頻域信號分析處理技術教學要求：理解振動信號分析原理；掌握時域信號分析處理技術及時頻域信號分析處理技術。重點：振動信號分析原理；時頻域信號分析處理技術。難點:時頻域信號分析處理技術。641、35.AIRIOT物聯(lián)網(wǎng)平臺5.1常用物聯(lián)網(wǎng)平臺發(fā)展及應用領域5.2AIRIOT物聯(lián)網(wǎng)平臺特點5.3AIRIOT物聯(lián)網(wǎng)平臺應用教學要求：了解常用物聯(lián)網(wǎng)平臺發(fā)展及應用領域；了解AIRIOT物聯(lián)網(wǎng)平臺特點；掌握AIRIOT物聯(lián)網(wǎng)平臺應用。重點:AIRIOT物聯(lián)網(wǎng)平臺應用。難點:AIRIOT物聯(lián)網(wǎng)平臺應用。881、36.機械設備故障診斷應用案例分析6.1機械設備故障診斷基本概念6.2機械設備故障診斷數(shù)據(jù)采集6.3機械設備故障診斷算法原理6.4機械設備故障診斷運維平臺教學要求：了解機械設備故障診斷基本概念、數(shù)據(jù)采集、算法原理及運維平臺。重點:機械設備故障診斷數(shù)據(jù)采集和算法原理。難點:機械設備故障診斷算法原理。421、2、3合計32162.實驗部分實驗部分的教學內(nèi)容、基本要求與學時分配見表3。表3實驗項目、實驗內(nèi)容與學時實驗項目實驗內(nèi)容和要求實驗學時對應的課程目標1.軸承振動信號采集實驗內(nèi)容：利用信號采集儀、軸承故障模擬試驗臺實現(xiàn)不同故障狀態(tài)軸承振動信號采集。實驗要求：掌握信號采集儀及軸承故障模擬試驗臺的使用。41、2、32.軸承振動信號分析實驗內(nèi)容：利用時域分析及時頻域分析技術分析軸承故障狀態(tài)。實驗要求：掌握時域分析及時頻域分析技術在軸承故障診斷中的應用。41、23.基于AIRIOT物聯(lián)網(wǎng)平臺的智能測控系統(tǒng)實驗內(nèi)容：綜合利用所學內(nèi)容，結合AIRIOT物聯(lián)網(wǎng)平臺設計遠程監(jiān)控系統(tǒng)，如智能家居、智慧農(nóng)業(yè)、智能運維、智能電網(wǎng)等。實驗要求：掌握AIRIOT物聯(lián)網(wǎng)平臺應用，具備自主學習及綜合設計能力。81、2、3合計16五、教學方法及手段課堂教學以充分利用多媒體和互聯(lián)網(wǎng)資源，以線上自學（MOOC）為輔，線下教學為主，增強學生自學能力，培養(yǎng)學生科技前沿敏感度，幫助學生養(yǎng)成終身學習的習慣。優(yōu)化教學手段，以實際工程項目為例，針對不同水平層次的學生開展“案例引導、層次遞進、虛實結合”的教學，優(yōu)化教學方法，轉變以往教師為主的教學方式，對學生進行分組，開展引導式、討論式、翻轉課堂等方式，逐漸轉為以學生為主體的教與學，增強學生利用專業(yè)知識解決實際工程問題的能力，提高學生團隊協(xié)作意識和能力，增強學生主人公意識，將學習轉化為內(nèi)在動力。實驗教學著重講授如何利用先進的實驗設備、數(shù)據(jù)處理技術、數(shù)據(jù)展示平臺等工具，實現(xiàn)從簡單實驗到復雜測控系統(tǒng)的設計開發(fā)。采用教師講授和學生動手操作的方法，重點講授各個功能模塊應用步驟及程序框架，穿插各模塊工作原理。在實驗前學生應復習和掌握與本實驗有關的教學內(nèi)容、認真閱讀實驗指導書、自學相關內(nèi)容；在實驗中要嚴格遵守實驗紀律，按照實驗要求完成系統(tǒng)硬件與軟件設計；實驗結束后，總結實驗設計過程中系統(tǒng)測試出現(xiàn)的問題；每完成一項實驗，要認真完成一份實驗報告。六、課程資源注：每門課程需推薦優(yōu)秀參考書3本以上（不包括教材），本學科國內(nèi)或國際權威期刊5種以上（至少包括外文期刊1種），網(wǎng)絡資源2項以上。1.推薦教材：作者（譯者）.書名.出版社.出版時間．（1）楊鵬等.《物聯(lián)網(wǎng)：感知、傳輸與應用》[M].北京:電子工業(yè)出版社,2020.2.參考書：作者（譯者）.書名.出版社.出版時間．（1）高澤華等.物聯(lián)網(wǎng)——體系結構、協(xié)議標準與無線通信[M].北京:清華大學出版社，2020.（2）張飛舟等.物聯(lián)網(wǎng)應用于解決方案（第二版）[M].北京:電子工業(yè)出版社,2019.（3）孫少強等.現(xiàn)代傳感器技術：面向物聯(lián)網(wǎng)應用（第2版）[M].北京:電子工業(yè)出版社,2016.（4）袁寧等.AIRIOT物聯(lián)網(wǎng)平臺開發(fā)框架應用與實戰(zhàn)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2021.3.期刊：作者.文題.刊名，年，卷號（期號）．或者：刊名，主辦單位（1）儀器儀表學報,中國儀器儀表學會.（2）電子測量與儀器學報,中國電子學會、中國儀器儀表學會.（3）儀表技術與傳感器，沈陽儀表科學研究院有限公司.（4）機械工程學報,中國科學技術協(xié)會、中國機械工程學會.（5）Measurement,Elsevier.（6）IEEETransactionsonInstrumentationandMeasurement,IEEE4.網(wǎng)絡資源：網(wǎng)站名，訪問路徑或者：作者.文題.更新和修改日期.訪問路徑．（1）AIRIOT官網(wǎng)./．（2）中國移動物聯(lián)網(wǎng)開放平臺官網(wǎng)./．七、課程考核對課程目標的支撐課程成績由過程性考核成績和期末考核成績兩部分構成，具體考核/評價細則及對課程目標的支撐關系見表4。表4課程考核對課程目標的支撐考核環(huán)節(jié)占比考核/評價細則課程目標123過程性考核作業(yè)8%（1）主要考核學生對各章節(jié)知識點的掌握程度及相關知識的自學程度，滿分100分；（2）每次作業(yè)單獨評分，取所有作業(yè)成績的平均值作為此環(huán)節(jié)的最終成績。（3）以最終成績乘以其在總評成績中所占的比例計入課程總評成績。√√√523實驗20%（1）根據(jù)每個實驗的實驗操作完成情況和實驗報告質(zhì)量單獨評分，滿分100分；（2）每次實驗單獨評分，取所有實驗成績的平均值作為此環(huán)節(jié)的最終成績。（3）以最終成績乘以其在總評成績中所占的比例計入課程總評成績。√√√101010小組任務12%（1）主要考核學生對各章節(jié)知識點綜合應用能力、自學能力及創(chuàng)新能力，滿分100分；（2）每次小組任務單獨評分，取各次成績的平均值作為此環(huán)節(jié)的最終成績。（3）以最終成績乘以其在總評成績中所占的比例計入課程總評成績?！獭獭?32期末考核60%（1）卷面成績100分，以卷面成績乘以其在總評成績中所占的比例計入課程總評成績。（2）主要考核測控數(shù)據(jù)采集的基本外設原理；信號分析技術；物聯(lián)網(wǎng)平臺應用設計等。（3）考核方式為大作業(yè)、論文等形式?！獭獭?01010合計：100分502525八、考核與成績評定1.考核方式及成績評定考核方式：本課程主要以作業(yè)、實驗、小組任務、期末考核等方式對學生進行考核評價?？己嘶疽螅嚎己丝偝煽冇善谀┛己顺煽兒瓦^程性評價成績組成。其中：期末考核成績?yōu)?00分（權重60%），采用大作業(yè)、論文等形式考核；作業(yè)、實驗、小組任務等過程性評價成績?yōu)?00分（權重40%）；過程性評價和考試試題分值分配應與教學大綱各章節(jié)的學時基本成比例。2.過程性考核成績的標準過程性考核方式重點考核內(nèi)容、評價標準、所占比重見表5。表5過程性考核方式評價標準考核方式所占比重(%)100>x≥9090>x≥8080>x≥7070>x≥60x<60作業(yè)20作業(yè)完整，思路清晰，準確率大于90%，字跡工整。作業(yè)完整，準確率大于80%，字跡工整。不交作業(yè)2次以內(nèi)，準確率大于70%。不交作業(yè)4次以內(nèi)，準確率大于60%。不交作業(yè)5次以上，準確率小于60%。實驗50實驗預習認真，能夠熟練掌握方法與步驟，實驗操作過程熟練、規(guī)范，遵規(guī)守紀、團結協(xié)作，實驗結果詳實、結論清晰、討論合理。實驗前有預習，能夠掌握方法與步驟，實驗操作過程正確、規(guī)范，遵規(guī)守紀、團結協(xié)作，實驗結果正確、討論適當。實驗前有預習，基本能夠掌握方法與步驟，實驗操作過程基本正確、無協(xié)作，實驗結果基本正確，討論一般。實驗前有預習，不能掌握方法與步驟，實驗操作過程基本正確，