大學計算機-計算思維導論翻轉課堂答辯報告計算機在本學科的應用及前景September29,2016September29,2016

目錄1 概述 -1-概述問題說明信息技術廣泛地定義為包括計算機、世界范圍高速寬帶計算機網絡及通訊系統,以及用來傳感、處理、存儲和顯示各種信息等相關支持技術的綜合.信息技術對電氣工程的發(fā)展具有特別大的支配性影響.信息技術持續(xù)以指數速度增長在很大程度上取決于電氣工程中眾多學科領域的持續(xù)技術創(chuàng)新.反過來,信息技術的進步又為電氣工程領域的技術創(chuàng)新提供了更新更先進的工具基礎.電氣工程及其自動化畢業(yè)生具有系統地掌握本專業(yè)領域必需的較寬的技術基礎理論知識,主要包括電工理論、電子技術、信息處理、控制理論、計算機軟硬件基本原理與應用等方面的知識和能力。我們將介紹三個方面的內容：1.電氣工程的發(fā)展趨勢與所遇到的問題2.計算機在電氣工程中的應用及在這方面的研究3.計算機在電氣工程中的應用前景相關概念CADACADCAD即計算機輔助設計（ComputerAidedDesign），誕生于二十世紀六十年代，用于圖形的編輯、放大、縮小、平移、復制和旋轉等有關的圖形數據加工工作。ACAD即AutoCAD是當今最流行的二維繪圖軟件，世界第四大PC軟件公司Autodesk公司的主導產品。AutoCAD有強大的二維繪圖功能，如繪圖、編輯、剖面線和圖案繪制、尺寸標注等功能，同時具有三維繪圖功能。利用AutoCAD提供的AutoLISP、ADS、ARX作為二次開發(fā)的工具，還可以在許多實際應用領域開發(fā)出許多符合實際應用的軟件。目前，Autodesk公司最新發(fā)布的版本是AutoCAD2008。也是我們電氣工程使用的應用軟件。機智云云儲存智能電網機智云，亞洲最大的智能硬件自助開發(fā)PaaS及物聯網SaaS云服務平臺，全球領先的物聯網云服務商，全棧式物聯網平臺服務領導者，廣州機智云物聯網科技有限公司注冊商標。產品及服務涵蓋終端管理、連接管理、應用支持和業(yè)務分析等主要功能，為有志于進軍物聯網的用戶提供智能硬件一站式開發(fā)工具及云端運維服務，是目前IoT技術最成熟、云端應用功能最完善、全球量產客戶最多、最受IoT開發(fā)者喜愛的量產級別智能硬件開發(fā)及云服務平臺，被業(yè)界及媒體公認為物聯網第三方云服務第一品牌。云存儲(CloudStorage)是以數據存儲和管理為核心功能的云計算系統，它是指通過集群應用、網格技術或分布式文件系統等功能，將網絡中大量各種不同類型的存儲設備通過應用軟件集合起來協同工作，共同對外提供數據存儲和業(yè)務訪問功能的一個系統。智能電網(SmartGrid)是把最新的信息化、通訊、計算機控制技術和原有的輸、配電基礎設施高度結合，形成一個新型電網，實現電力系統的智能化。智能電網可以提高能源效率、減少對環(huán)境的影響、提高供電的安全性和可靠性、減少輸電網的電能損耗。進入新世紀后，美國能源部、電力科學研究院以及歐盟委員會等對未來智能電網的發(fā)展紛紛提出各自的設想和框架；國際電工委員會、國際大電網會議組織等國際組織也高度關注智能電網的發(fā)展情況。國內國家電網公司提出了建設“堅強智能電網"的電網發(fā)展大戰(zhàn)略。1.2.3智能家居智能家居（英文：smarthome,homeautomation）是以住宅為平臺，利用綜合布線技術、網絡通信技術、安全防范技術、自動控制技術、音視頻技術將家居生活有關的設施集成，構建高效的住宅設施與家庭日程事務的管理系統，提升家居安全性、便利性、舒適性、藝術性，并實現環(huán)保節(jié)能的居住環(huán)境，不需要用戶指揮也能根據不同的狀態(tài)互動運行。內容章節(jié)安排第一節(jié)介紹電氣工程的發(fā)展過程中遇到的問題第二節(jié)介紹計算機在電氣工程中的應用及在這方面的研究第三節(jié)介紹計算機在電氣工程中的應用前景具體介紹電氣工程的發(fā)展過程中遇到的問題電氣工程自動化水平低的現狀1、系統設計比較復雜，沒有根據具體應用對象，有針對性地進行編程設計，在實際應用中，自動化水平低，沒有真正發(fā)揮電氣工程自動化的重要作用。2、電氣工程自動化系統功能的集成作用很低，信息數據在交流上有障礙問題，單一的功能作用導致電氣工程自動化水平還存在不足。而且在進行電氣自動化技術的研發(fā)時很容易受到技術管理人員的主觀影響，不利于電氣工程自動化的發(fā)展。3、電氣工程自動化在發(fā)展的過程中還不是很統一，不同的電力企業(yè)運用的網絡信息技術不同，使得信息程序的傳輸接口不同，這樣就會造成資源信息的交流存在障礙，阻礙了電氣工程自動化的發(fā)展。實施中的效率低方法復雜由于網絡布線以及在電氣工程以及自動化方面的軟件設計上的不足，直接導致了電氣工程及其自動化你能否成功的運行。它的運行依靠的是各種各樣的網絡結構，當今網絡結構錯綜復雜，這會造成一些額外的影響，在加上電氣工程所需的技術和網絡構架的截然不同，直接造就了造成了電氣工程及其自動化發(fā)展與建設中的繁瑣與雜亂，致使施工的過程效率及其地下。這是現階段電氣工程及其自動化發(fā)展不容忽視的問題，也是急需解決的問題。數據傳輸的安全性電氣工程自動化雖然最早應用于工業(yè)領域，但是隨著全球一體化的進行，已經悄然的朝著商業(yè)化過渡，這就使數據安全性成為了我們最為注意的問題，電氣工程自動化的前期發(fā)展中不注意對數據安全性的控制，同時很多企業(yè)在進行內部信息交流是也會因為不同的產品差異造成數據傳輸上的困難，使電氣工程自動化技術在應用的過程中增加成本。計算機在電氣工程中的應用及在這方面的研究2.2.1我們主要介紹三個內容，首先是ACADAutoCAD在電氣領域內的設計主要包括：（1）機械及汽車電氣設計。如零件圖、裝配圖、電氣原理圖、KE-Jetronic電路圖、發(fā)動機點火裝置電路圖的繪制。（2）變電工程圖設計。如變電工程圖、電氣主接線圖、變電所斷面圖、高壓開關柜外觀圖的繪制。（3）輸電工程圖設計。如架空線路圖、電纜線路工程圖的繪制。（4）電子線路圖的設計。如數字電路、模擬電路及電力電子電路的繪制。（5）工廠電氣控制圖的設計。如工廠低壓系統圖、電動機控制圖、車間接地線路圖、工廠智能系統配線圖的繪制。（6）通信工程圖的設計。如移動通信系統圖、數字交換機系統結構圖、無線尋呼系統圖的繪制。（7）建筑電氣平面圖設計。如辦公樓配電平面圖、屋頂防雷接地平面圖的繪制等。簡單給大家看看一下電氣制圖使用CAD進行機械制圖的優(yōu)勢使用簡單，易于上手機械制圖中經常需要設計新零件，而ACAD對其零件的制造有很好的支持和擴充，在ACAD軟件中，可以根據模板零件改裝新零件，可以單獨設計新零件，對零件模板的修改方便快捷，同時ACAD還能保證零件與零件之間的親密耦合，避免單獨設計零件導致的裝配錯誤。ACAD帶可以設計一些復雜的數學模型來輔助零件的制作，大大縮減了繪圖者的繪圖時間，提高了繪圖效率。繪圖精度高一般機械制圖要求的精度精確到毫米，手工繪圖誤差較大，ACAD實現了高精度的繪圖標準，這事手工繪圖所無法比擬的，特別是在精度要求較高的燈光照度分析、日影分析等方面具有較大的有時，利用ACAD制圖極大地提高了機械制圖的精確性。成果重復利用，傳統的手工制圖，項目與項目之間的零件無法復用，利用ACAD制圖，可以建立不同類型的項目中的素材庫，設計一次零件，可以應用到后續(xù)所有使用該零件的項目中，不用重復開發(fā)。對類似的零件，可以修改復制成為新的零件，大大提高了工作效率，同時項目經驗可以復用。2.2.2接著要介紹的是機智云的用途及其與電氣工程的關系。首先是用途：1.免費通過機智云后臺的自助接入工具配合GoKit開發(fā)板，30分鐘可以完成一款物聯網設備原型的開發(fā)。讓開發(fā)者快速把想法變成產品。2.免費通過機智云后臺可視化的設備功能定義工具，硬件廠商可以自助、快速的實現硬件產品的云端接入。3.機智云免費提供物聯網設備網絡連接、遠程操控、互聯互通所必需的云端服務支持。4.通過機智云后臺完成一款設備的功能定義之后，后臺自動生成負責底層通信的SDK（應用開發(fā)工具包），開發(fā)者只需完成界面用戶體驗層的開發(fā)，集成SDK后即完成一款智能硬件App開發(fā)。5.設備接入機智云后，機智云免費提供了設備數據的統計分析和運算處理。6.通過機智云開放平臺，讓更多的第三方應用開發(fā)者為你提供應用開發(fā)服務，同時也供了智能硬件與第三方智能硬件的互聯互通條件。接著是與電氣工程的關系感知層與電氣自動化物聯網感知層由各種傳感器以及傳感器網關構成，包括二氧化碳濃度傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、二維碼標簽、RFID標簽和讀寫器、攝像頭、GPS等感知終端。感知層的作用相當于人的眼耳鼻喉和皮膚等神經末梢，它是物聯網識別物體、采集信息的來源，其主要功能是識別物體，采集信息。其包含傳感器技術，RFID技術，二維碼技術，藍牙技術等技術。而自動化在這一層次上主要承擔的角色是指自動化承擔為物聯網提供各種技術支持。因為自動化技術是一門綜合性技術，它和控制論、信息論、系統工程、計算機技術、電子學、液壓氣壓技術、自動控制等都有著十分密切的關系，這些理論所帶來的技術方面的支撐能很好的支持物聯網感知層的建立，能夠提供從事自動控制、自動化、信號與數據處理及計算機應用等方面的技術工作。這些都是物聯網所需要的最基本的技術支持，沒有這些技術的支持，物聯網感知層必定不能夠起到一種類似“神經”的效果，也就是說物聯網感知層必須與自動化技術聯系起來，只有這樣才能實現“感知”。網絡層與電氣自動化物聯網網絡層是在現有網絡的基礎上建立起來的，它與目前主流的移動通信網、國際互聯網、企業(yè)內部網、各類專網等網絡一樣，主要承擔著數據傳輸的功能。網絡層主要用于把感知層收集到的信息安全可靠地傳輸到信息處理層，然后根據不同的應用需求進行信息處理,實現對客觀世界的有效感知及有效控制。物聯網網絡層將承擔比現有網絡更大的數據量和面臨更高的服務質量要求，所以現有網絡尚不能滿足物聯網的需求，這就意味著物聯網需要對現有網絡進行融合和擴展，利用新技術以實現更加廣泛和高效的互聯功能。物聯網中連接終端感知網絡與服務器的橋梁便是各類承載網絡物聯網的承載網絡包括互聯網、移動通信網以及無線低速網和無線寬帶網等網絡形式。而自動化可以在這一部分承擔起信息整合的整合的能力及提供新的網絡支撐，即將信息實現一種智能化的分配，讓信息能夠被篩選出來，不再是雜亂無章的，而這種能力的具備是需要自動化的不斷發(fā)展，利用其在自動控制系統及信息論及系統工程等理論知識，實現信息的完美分配，自動化方面的信息與網絡方面的知識才是支撐物聯網網絡層搭建的好幫手。自動化將在物聯網網絡層搭建中承擔起一個很重要的地位，因為只有自動化技術的發(fā)展與完善才能夠為物聯網技術的突破與應用帶來一個新的局面。應用層與電氣自動化應用層位于物聯網三層結構中的最頂層，其功能為“處理”，即通過云計算平臺進行信息處理。應用層與最低端的感知層一起，是物聯網的顯著特征和核心所在.物聯網應用層的核心功能圍繞兩個方面：一是“數據”，應用層需要完成數據的管理和數據的處理;二是“應用”，僅僅管理和處理數據還遠遠不夠，必須將這些數據與各行業(yè)應用相結合。而這些聯絡體系的構建更是與自動化技術緊密相關。因為自動化技術始終提供了物聯網一個基本的技術支撐，有助于物聯網構建一種新的體系——物聯網應用體系。確立了物聯網的體系結構，有助它進一步的發(fā)展，自動化不僅僅提供了一種技術上的支撐，更是為建立一個美好的物聯網王國而提供一種體系結構的臂膀。自動化幫助物聯網形成物聯網的體系，為它提供了極大的便利，這些都是顯而易見的。2.2.3最后介紹一下模擬電路的設計制作：電路設計前奏在進行電路設計之前，十分重要的一點就是對電路的功能進行規(guī)劃。也就是說，先不去理會電路的復雜性和電路形式、電子器件的選擇等問題，而對電路系統所要完成的功能進行一個詳細而清晰的設計。舉一個例子，在采集聲音信號的過程中，我們只關心低頻的聲音信號，而高頻噪聲的存在會影響分析的效果。這時，可以設計一個低通濾波器。該濾波器所要實現的完整功能如下所示：截止頻率為1.5kHz。增益為20dB。雖然只有簡單的兩點功能，但這卻是著手進行該電路設計和電路板制作加工的指導思想。如圖1-2所示，用方框代表了未來將要設計的電路，而電路的輸入輸出信號是已知的。這些方框還需要進一步的設計，所以它現在只是一個“黑匣子”。圖1-2低通濾波器的功能框圖電路設計電路設計是一項需要綜合思維能力的工作。對于初學者來說，想迅速成為電路設計的高手就必須從一個個基本的、簡單的電路入手，對這些電路的原理和電路形式有較好的掌握。這樣，在復雜電子系統的電路設計過程中才會做到有的放矢、游刃有余。目前，電路的種類主要有以下3種：模擬電路。數字電路。模數混合電路。模擬電路包括放大器、振蕩器、濾波器、信號運算與處理電路、信號發(fā)生器等；數字電路包括邏輯門電路、組合邏輯電路、觸發(fā)器、時序邏輯電路、存儲器、可編程邏輯器件、A/D和A/D器件等。但是，單純使用模擬電路或數字電路的場合已經不多了，比如在單片機、DSP等系統中，有機地集合了數字與模擬器件。典型的例子還有電源電路和電子通信電路，其中由數字IC和電容、電感、電阻等外圍器件組成的電路解決了越來越多的工程實際問題。所以，要想成為一名熟練的、有經驗的電路設計師，需要經過長時間的電路知識的積累。如果讀者感覺個人能力有限，可以選擇一塊自己感興趣的領域，比如濾波器或CPLD等的一個方向進行深入而系統的研究，同時兼顧了解其他方面的電路就可以了。一些有經驗的老工程師可能對模擬、數字電路很熟悉，原因是模擬電路的發(fā)展伴隨著他們的成長；此外，年輕一些的設計師們可能對單片機控制電路輕車熟路，因為單片機在20世紀80年代后蓬勃發(fā)展；而有一批更年輕的電子設計師，他們很容易就駕馭DSP系統和嵌入式系統，這是因為20世紀90年代后，隨著計算機的普及和編程技術的發(fā)展，電路的功能被極大地復雜化和可控化，年輕一代對以往電路就是硬件的概念已經不再滿足，他們希望能在一塊PCB板上隨著人的意志做一些更靈活的事情。從圖1-3所示的電子技術的發(fā)展史中，不但可以了解各種電路的出現和發(fā)展時期，還可以根據個人的喜好，選擇研究方向。繪制電路原理圖圖1-12Protel2004中的低通濾波器與Multisim8中相同的是，Protel2004中的電路也可以進行仿真。此外，這張繪制好的原理圖可以很方便地生成電路板設計圖紙。關于如何在Protel2004中繪制電路原理圖將在本書稍后部分談到。圖1-13嵌入式系統板PCB的表面一般有3層，從上到下依次是絲印層、阻焊層和銅箔層。（1）絲印層：即絲網印刷層。電路板要能更好地完成電氣連接任務，除了銅箔層外，絲印層也是必不可少的。絲印層位于印刷電路板的最上層，記錄著一些標志圖案和文字標號（一般為白色），如元件的標號、型號、封裝形狀、廠家標志和一些設計信息。（2）阻焊層：為了使制作的電路板滿足焊接的需要，同時為了保護下一層的銅箔導線，在絲印層下是阻焊層。該層把除了焊盤和過孔（焊盤和過孔的概念稍后會談到）外，將銅箔導線用阻焊劑保護了起來。（3）銅箔層：即信號層或叫布線層。銅箔層完成電路的電氣連接。通常將銅箔的層數定義為電路板的層數，因此單面板只有一個銅箔層，雙面板上下表面都有銅箔層，而更復雜的電路板則有多個銅箔層。圖1-14是一個雙面板的示意圖，其中說明了以上3層在PCB中的位置。絲印層絲印層銅箔層銅箔層阻焊層阻焊層圖1-14PCB結構示意圖總而言之計算機無論是在CAD制圖，機智云都有著非常重要的應用，計算機為電氣工程的發(fā)展起到了非常強的推動作用。計算機在電氣工程中的應用前景依托計算機，電氣工程將有更為廣闊的應用前景，謹以智能家居、云倉庫以及本校的門禁系統簡單介紹。2.3.1智能家居智能家居是在互聯網影響之下物聯化的體現。智能家居通過物聯網技術將家中的各種設備（如音視頻設備、照明系統、窗簾控制、空調控制、安防系統、數字影院系統、影音服務器、影柜系統、網絡家電等）連接到一起，提供家電控制、照明控制、電話遠程控制、室內外遙控、防盜報警、環(huán)境監(jiān)測、暖通控制、紅外轉發(fā)以及可編程定時控制等多種功能和手段。與普通家居相比，智能家居不僅具有傳統的居住功能，兼?zhèn)浣ㄖ⒕W絡通信、信息家電、設備自動化，提供全方位的信息交互功能，甚至為各種能源費用節(jié)約資金。一、家庭自動化（HomeAutomation）家庭自動化系指利用微處理電子技術，來集成或控制家中的電子電器產品或系統，例如：照明燈、咖啡爐、電腦設備、保安系統、暖氣及冷氣系統、視訊及音響系統等。家庭自動化系統主要是以一個中央微處理機（CentralProcessorUnit，CPU）接收來自相關電子電器產品（外界環(huán)境因素的變化，如太陽初升或西落等所造成的光線變化等）的訊息后，再以既定的程序發(fā)送適當的信息給其它電子電器產品。中央微處理機必須透過許多界面來控制家中的電器產品，這些界面可以是鍵盤，也可以是觸摸式熒幕、按鈕、電腦、電話機、遙控器等；消費者可發(fā)送信號至中央微處理機，或接收來自中央微處理機的訊號。二、家庭網絡（Homenetworking）首先大家要把這個家庭網絡和純粹的“家庭局域網”分開來，我們在本書中還會提到“家庭局域網/家庭內部網絡”這一名稱，它是指連接家庭里的PC、各種外設及與因特網互聯的網絡系統，它只是家庭網絡的一個組成部份。家庭網絡是在家庭范圍內(可擴展至鄰居，小區(qū))將PC、家電、安全系統、照明系統和廣域網相連接的一種新技術。當前在家庭網絡所采用的連接技術可以分為“有線”和“無線”兩大類。有線方案主要包括：雙絞線或同軸電纜連接、電話線連接、電力線連接等；無線方案主要包括：紅外線連接、無線電連接、基于RF技術的連接和基于PC的無線連接等。三、網絡家電網絡家電是將普通家用電器利用數字技術、網絡技術及智能控制技術設計改進的新型家電產品。網絡家電可以實現互聯組成一個家庭內部網絡，同時這個家庭網絡又可以與外部互聯網相連接。可見，網絡家電技術包括兩個層面：首先就是家電之間的互連問題，也就是使不同家電之間能夠互相識別，協同工作。第二個層面是解決家電網絡與外部網絡的通信，使家庭中的家電網絡真正成為外部網絡的延伸。四、信息家電（3C或者說IA）信息家電應該是一種價格低廉、操作簡便、實用性強、帶有PC主要功能的家電產品。利用電腦、電信和電子技術與傳統家電（包括白色家電：電冰箱、洗衣機、微波爐等和黑色家電：電視機、錄像機、音響、VCD、DVD等）相結合的創(chuàng)新產品，是為數字化與網絡技術更廣泛地深入家庭生活而設計的新型家用電器，信息家電包括PC、機頂盒、HPC、DVD、超級VCD、無線數據通信設備、視頻游戲設備、WEBTV、INTERNET電話等等，所有能夠通過網絡系統交互信息的家電產品，都可以稱之為信息家電。音頻、視頻和通信設備是信息家電的主要組成部分。另一方面,在傳統家電的基礎上，將信息技術融入傳統的家電當中，使其功能更加強大，使用更加簡單、方便和實用，為家庭生活創(chuàng)造更高品質的生活環(huán)境。比如模擬電視發(fā)展成數字電視，VCD變成DVD，電冰箱、洗衣機、微波爐等也將會變成數字化、網絡化、智能化的信息家電。2.3.2云倉庫智能電網云存儲系統電網的智能化體現為能夠全面、及時地掌握電網運行的信息，綜合各自動化功能系統對信息分析的結果，做出最優(yōu)的反應。然而隨著電網建設規(guī)模的不斷擴大，以及數字化電網、數字化變電站等研究應用的不斷深入，系統面對的采集點越來越多。一個中等規(guī)模地區(qū)的采集量可以達到2萬至10萬條記錄，而一個大型地區(qū)未來可能面臨50萬至100萬條記錄的數據采集規(guī)模，一年的數據存儲規(guī)模將從目前的GB級擴大到TB級。從當前情況來看，傳統的數據存儲方式無法滿足智能電網的海量數據儲存需求。云存儲技術的發(fā)展為智能電網海量數據的儲存提供了思路。云存儲通過把分布在眾多計算機中的存儲資源整合在一起，協同工作，共同對外提供存儲服務，極大提高了系統存儲能力。其具備可靠性高、數據處理量巨大、靈活性好、擴展性強、能夠按需分配以及設備利用率高等特點，能夠解決智能電網對海量數據的存儲的難題，最大限度地整合系統的存儲能力，減少電網的重復投資，大幅提高當前系統的數據處理和存儲能力，為電網數據中心提供更力、穩(wěn)定的技術支持與服務保障。將智能電網和云存儲技術結合，可以有力地促進“電力云"的發(fā)展，促進智能電網的發(fā)展。在建設智能電網調度技術支持系統過程中，需要建設多個應用系統，如實時采集與監(jiān)控系統(SCADA)、高級應用系統(PAS)、電量采集與分析系統(TMR)、、地理信息系統(GIS)等，各系統都需要對采集的數據進行存儲，相互之間需要有數據的共享、交換、應用，因此大量數據成為實現智能電網的核心。為了解決海量數據的存儲和處理、系統的統一管理和彈性擴容、備份和容災等問題，構想利用云存儲技術實現在建設中的解決方案。在支持系統中利用云存儲技術可以實現虛擬化整合、鏡像陣列與數據遷移、遠程容災及更進一步的服務器虛擬化支持，最終實現備份容災系統一體化解決方案。云儲存的廣泛應用使智能電網技術支持系統能夠更好地發(fā)揮作用。2.3.3門禁系統電氣專業(yè)與門禁系統的關系門禁系統采用89S52單片機作為控制核心，外圍加蜂鳴器控制電路、開門指示燈電路、電控鎖控制電路以及8位數碼管顯示電路等‘門禁系統主要組成:有CPU、復位電路、電源指示、工作指示、振蕩電路、蜂鳴器電路、門控鎖電路、出門按鈕、讀卡模塊、顯示模塊等組成。采用射頻卡完成刷卡進門，按鈕出門功能。其門禁系統的工作原理：當刷卡是，蜂鳴器響一下，如卡權限獲得允許，顯示模塊顯示卡號，同時繼電器動作將門鎖打開，指示燈點亮，延時一段時間后繼電器再次動作將門鎖鎖閉，指示燈熄滅。當按下出門按鈕時，繼電器動作將門鎖打開，指示燈點亮延時一段時間后繼電器再次動作將門鎖鎖閉，指示