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关键词:物联网;数据分析;网络拓扑;节点管控
中国分类号:TP311・1文献标识码:A文章编号:10053824(2013)03003004
0引言
物联网(internet of things, IoT)是指将各种信息感知设备及系统通过接入网络与互联网结合起来而形成的巨大的智能网络[12]。物联网作为一次技术革命,代表了通信技术和计算技术的未来,被称作继计算机和互联网之后,世界信息产业的第三次浪潮[3],受到了世界各国政府和科研机构的广泛关注[4]。
作为物联网的主要支撑技术之一[5],信息处理软件直接影响着物联网的用户体验及其进一步发展[67]。但是已有的物联网数据处理软件的功能较为单一,可扩展性不足,应用领域受限。为了改善物联网数据处理软件的功能性和扩展性,为用户提供快速、高效的物联网实时管控方案,本文设计并实现了一种模块化的多功能的物联网数据分析与处理软件。该软件采用模块化设计,以VC++ 6.0作为主控模块实现环境,便于在Windows系统环境下方便地使用本软件;服务器采用Apache Tomcat 6.0搭建;数据库模块基于MySQL 6.0实现,以保证软件的易扩展性和稳定性;拓扑显示模块采用Flex和flash player ActivX 10.0进行开发,以改善用户体验。
1软件的总体设计
1.1主要功能
本软件旨在为用户提供一套快速、高效的物联网实时数据处理与管控方案,其主要功能包括以下几个方面。
1)网络数据解析和处理功能:软件可对物联网数据进行协议解析、分析、处理和存储等操作,并同相邻网络层设备进行数据交互。
2)网络数据的存储功能:软件可通过数据库读写操作,将网络重要历史数据存储于远程数据库中,并可进行读取等操作,为物联网网络管理人员提供便利。
3)网络拓扑显示功能:软件采用FLEX技术绘制目标物联网网络拓扑,并通过定时发送拓扑数据请求实现网络拓扑状态图的实时更新,提供了优越的用户体验。
4)网络信息查询和控制功能:本软件集成了网络节点信息的显示、查询能力,用户可对网络节点相关状态进行针对性的查询;同时,提供网络属性调整和节点控制功能,用户可根据实际需要修改网络节点参数,控制网络运行情况。
1.2软件系统总体架构
本软件系统运行于C/S架构的服务器平台上,作为远端服务器控制软件完成网络监听与数据包接收、网络数据分析处理、网络拓扑状态显示以及节点信息查询与控制等物联网管控工作。系统总体组织架构图如图1所示。
图1软件总体架构图软件功能模块主要由6个部分组成,分别是网络通信模块、参数设置模块、数据处理模块、拓扑显示模块、信息查询模块和数据库交互模块,如图2所示。其中,网络通信模块完成底层的网络通信工作;参数设置模块接收并设定用户输入的软件工作基本参数;数据处理模块负责数据包的解析、判别和数据分类处理工作;拓扑显示模块负责为用户提供网络拓扑和节点简要信息的显示;信息查询模块为用户提供网络节点详细属性的查询和节点控制;数据库模块负责完成网络数据的存储和查询等工作。
图2软件系统功能模块1.3软件系统工作流程
本软件功能模块间的数据流关系如图3所示。各模块间通过相应接口完成网络数据的上传、分析与处理和控制命令的下发操作。首先,软件接收来自网络的各类型数据,并对其进行分类与解析。随后,软件将数据处理结果通过数据库模块进行存储。在此基础上,拓扑显示模块和信息查询模块分别通过查询/更新数据库进行信息显示和用户控制指令的下发操作。数据处理模块和数据库模块扫描数据库中的相应表项,提取控制信息后通过网络通信模块下发至目标网络。
图3软件工作流程图2主要功能模块的实现
2.1网络通信功能模块
网络通信模块是本软件的底层数据通信模块,该模块采用完成端口模型(I/O completion port, IOCP)作为本软件的网络服务引擎,由于IOCP规定了并行线程的数量,并使用线程池对线程进行管理,从而避免了反复创建线程和线程调度的开销,提高了本软件的并行处理能力。该模块通过构造完成端口模型类(IOCPModeSvr),使用CreatIOCompletionPort()函数创建完成端口对象;构造ListenProc()函数监听来自物联网感知层网络网关节点的连接请求;使用bool CIOCPModeSvr::SendMsg()函数响应上层控制命令的下发要求,向客户端发送控制命令帧。
2.2数据分析与处理功能模块
数据处理模块是物联网数据分析与处理软件的关键组成模块之一。该模块接收来自底层网络模块的数据帧,并进行分类、分析、处理及重构等操作,为上层数据应用奠定数据预处理基础。通过创建DataProc类实现该模块,具体包括:
1)通过内联函数checkType()快速解析由底层网络上传的数据帧的协议类型与数据类型;
2)构造getInt()、getRangeString()等函数完成数据帧的数据进制与格式转换;
3)使用ProcessRecvData()函数分析数据帧,重构出信息处理所需数据;
4)完成相应数据处理功能,主要包括数据聚类、数据计算、数据范围判断、数据异常的处理、反馈数据帧的构造。
2.3参数设置模块
参数设置模块是物联网数据分析与处理软件的系统参数初始化模块,该模块读取用户设置的软件运行参数,并对软件进行相应运行参数初始化。该模块响应用户参数设置操作,读取参数并判断参数是否有效。若参数设置有效,则对软件相应运行参数进行修改,同时显示软件当前连接状态,界面实现如图4所示。
图4参数设置界面
2.4数据库与Web服务器
本软件采用MySQL数据库进行原始数据的存放,其中已经直接保存了经由数据分析与处理模块上传的全部数据,主要数据表包括:表node_topu_stat,用以存储网络所有原始拓扑信息;表node_info_stat,存储网络节点上传的状态信息;表control_stat,负责存储用户的查询和控制指令。由于上层的拓扑展示模块所需要的是最新的数据信息,因而需要Web服务器模块将冗余的原始数据进行初步处理,为拓扑显示模块提供无冗余的信息,以实现基于拓扑图的物联网实时监控。首先,通过对数据库中各分类表加入触发器实现数据的初步提取。其次,在本模块中,数据处理模块所生成的最新数据进一步转换为能够表示拓扑图的XML文件,即将节点所上传的邻居表转换为节点与边的关系。本系统中使用了Web服务器所能支持的JSP技术实现了实时访问数据库生成转换数据的功能,拓扑控制模块直接访问该页面的地址,即可实现拓扑数据的获取,如图5所示。
图5数据库与Web服务器2.5拓扑显示模块
网络拓扑显示模块是与用户进行交互的主要模块,用户通过点击“网络拓扑”访问拓扑展示模块。该模块通过定时向Web服务器数据处理模块发起拓扑数据请求实现网络拓扑的实时更新。通过向数据处理模块获取拓扑XML数据,图形界面将其转化为拓扑图中的“节点”与“边”的实际图形对象,并将其他附加数据作为标签保存在给节点,方便用户查看。模块工作流程及实现界面分别如图6和图7所示。
图6拓扑显示模块图7拓扑显示界面2.6信息查询与控制
本模块中的查询控制功能是指对物联网可控节点发送控制指令。查询控制指令与拓扑数据一样,需要经过数据库作为中转,整个中转回传的代码构成了控制模块。控制指令需要根据实现指定的通信协议发送。在控制指令的收集窗口中,用户可以进行相应的选择,控制模块负责将用户在窗体中的选择输出至与数据库相连的JSP页面,并由JSP页面将其存入数据库中。网关通过定期与服务器通信获得最新的操作指令,将其转换为控制指令最终发送至物联网节点,实现界面如图8所示。
3结束语
本文设计并实现了一种多功能物联网数据分析与处理软件。该软件通过网络监听、数据分析处理、网络拓扑显示以及节点信息查询与控制等功能模块实现对物联网数据的有效处理。通过将该软件移植于实际物联网应用环境,验证了该软件能够快速、高效地处理网络数据,且易于扩展,为多模异构网络条件下的物联网创新应用平台构建提供了新的思路。
图8信息查询与控制界面
参考文献:
[1]孙其博,刘杰,黎.物联网:概念、架构与关键技术研究综述[J].北京邮电大学学报,2010,33(3):19.
[2]International Telecommunication Union. Internet reports 2005: the Internet of Things [R]. Geneva: ITU, 2005.
[3]刘强,崔莉,陈海明.物联网关键技术与应用[J].计算机科学, 2010, 37(6):110.
[4]刘云浩. 从普适计算、CPS到物联网:下一代互联网的视界[J]. 中国计算机学会通讯, 2009, 5(12):6669.
[5]邬贺铨. 物联网的应用与挑战综述[J].重庆邮电大学学报:自然科学版, 2010, 22(5): 526531.
关键词:计算机 软件数据库 设计
中图分类号:TP311.13 文献标识码:A 文章编号:1007-9416(2016)05-0000-00
1 引言
数据库的核心价值就是能够安全稳定的运行,因此在设计过程中要根据用户的需求,严格的遵守数据库设计理念,通过合理的逻辑分析来实现最终设计。数据库在设计的过程中,我们可以根据数据之间的互有特征来将数据整理,形成一个共有的数据实体,并且按照应用环境实现对数据实体的转化。本文中笔者将对计算机软件数据设计的相关原则进行详细的介绍。
2数据库设计原则
为了更好的满足数据库的应用体验,数据库设计中要重点遵守以下原则。
(1)合理规范数据命名;数据库在设计的过程当中对于数据命名有着很高的要求,目前我们大多都是通过字母大小写的分辨来实现对数据的分类处理,这种方式也是我们后台程序编写过程中常用的方法。在数据命名的过程中也要严格的遵守命名长度要求。(2)不用游标;在数据库设计过程中,在某些特殊的使用场景要避免游标的使用。因为很多大型数据在调用的过程中,很容易由于游标导致出现死机的情况,这样就违背了数据库建立和使用的原则。在一些必须要用游标的情况下,要通过输入相关数据以避免低性能游标的情况发生。(3)精简设计;由于在数据库使用的过程中对于数据实体之间的关联要求很高,因此要尽量实现一事一地,将各个实体信息进行分化处理,通过简化各类数据之间的交互流程来实现数据性能的提高。(4)调整数据性能;数据库中对于数据交互要求很高,通过合理的数据结构调整才能够更好的实现数据调用和存储,极大的提高数据运行和使用效率。通过合理的数据调整来实现数据运行逻辑的简化。(5)减少重复字段的使用;重复字段的使用会造成数据冗余,这样也很容易导致数据库在使用的过程中出现数据应用不一致的情况。减少重复字段的使用能够更好的明确关键字之间的关系。
3 数据库设计
3.1 数据库设计理论分析
在数据库建立的过程中,选择数据模型十分重要,数据库的结构选择、数据操作方法等对于数据库的后期使用都会造成很大的影响。因此,在数据库的设计过程中首先要根据用户的应用需求,通过选取常用的数据模型的方式来便于客户应用过程中进行数据调取;其次,就是要以数据库结构基础为根本,通过数据库结构约束的建立来保证数据库的结构完整。由于数据约束在数据库的设计过程中也会对数据造成很大的影响,因此通过数据约束来实现对数据语法关联等实现数据实践。
3.2 数据库设计的实践探索
在软件开发的过程当中,对于软件窗口的合理分析,从属整体系统的逻辑性设计对于软件开发数据库设计有着十分重要的作用和意义。所谓从属关系,就是对于数据库当中的数据进行分类整理,从而形成各自独立的从属形式的数据表格;这种数据表格在使用的过程当中能够使数据变得更加条理化;在数据库当中一般都是以文字的形式来展现的,这就使得数据不但能够更加直观的展示给使用者,而且能够在数据调用的过程中通过数据分析来有效的提升数据库的容错性。假设在程序设计的过程中使用者输入错误,数据库能够对其进行提示,并限制下一步的动作,从而避免使用者出现错误。软件系统的设计效果对于软件设计有着很大的影响,因此在数据库的设计使用过程中要根据使用者的使用习惯,对数据库系统的整体系统进行管理,通过固定的流程形式来进行相关操作。
3.3 数据库设计案例分析
软件设计过程包含诸多内容,首先就是要对未来系统的使用需求进行分析,并且按照软件的设计理念来归纳用户需求,从而实现对所需设计软件的逻辑分析,进而对软件进行物理设计。
(1)数据库需求分析,就是在软件设计之初对于用户的需求进行分析,根据客户对软件的信息要求以及后期应用过程中的安全要求等来取得相关信息,从而实现对数据库内容的前期规划。(2)数据库概念设计,首先就是按照集成设计的理念,然后对软件整体进行分析,进行实现对软件整体的合理分解,模块化小单位的设计能够极大地提升软件设计的可靠性和安全性,之后再讲小模块进行容纳组合;或者对软件系统通过数据分析进行整体化的布局。(3)数据库逻辑设计,数据库的逻辑模式对于设计者在使用过程中有着很大的影响,因此数据库设计对于内容的逻辑有着很高的要求。数据库的设计要对根据最终使用者的倾向来进行设计,并且在复杂的数据结构中针对各个用户进行针对性的数据调用,并且能够实现数据库的数据保密。(4)数据库的物理设计,数据库物理设计是对庞大数据库当中索引、分区等相关资料区分的内容,(5)数据库维护,数据库维护是数据库设计最后阶段的重要组成部分,这样才能够保证在软件设计完成并且投入使用后能够稳定的运行。
4 结语
在本文中我们对计算机软件数据库设计的相关问题进行了分析和探讨,数据库的设计运用不但是为了满足数据使用者的设计需求,而且是保证计算机时代数据安全、系统稳定的重要保证。所以说在数据库设计的过程当中,除了设计前期的逻辑设计、数据分析之外,还要对数据库进行物理设计、维护等工作。以上是笔者对计算机软件库设计原则及应用的几点认识,希望能够对大家能够有所帮助。
参考文献
[1] 潘博.计算机软件数据库设计的重要性以及原则研究[J].计算机光盘软件与应用,2013(8).
[2] 黄山,王妍.浅议计算机软件数据库设计的原则及重要性[J].青年科学(教师版),2014(11).
【关键词】网络数据分析 计算机网络系统 系统开发
1 基于网络数据分析的计算机网络系统开发重要内容
1.1 网络系统安全性的保障
在开发过程中,要将安全性放在首要位置,观察所进行的开发任务是否符合现阶段计算机软件的使用需求,并根据网络中比较常见的病毒类型来对系统软件进行加密,这样能够最大限度的降低使用威胁。软件加密可以理解为开发过程中的重点内容,关系到系统是否能够在规定的标准内达到使用安全标准,随着系统使用时间的增加,很容易出现漏洞现象,此时所进行的开发也要从软件的更新方面来进行,这样在使用过程中即使遇到严重的安全性下降问题,也能够通过后期的使用更新来得到解决。由此可见,在设计期间科学的利用网络数据分析能够使计算机网络系统开发到达更理想的效果,这也是现阶段开发技术中重点提升的部分功能,需要技术人员加强创新研究。
1.2 网络数据分析在系统开发中的体现
运动网络数据分析能够在短时间内促进软件开发任务更好的进行,同时这也是开发期间需要重点研究的内容,针对传统方法中所遇到的问题,在新型数据库运用时要作为重点解决的内容。开发过程中如何运用数据库,其中包含了大量的数据分析内容,并且能够随着使用过程中效果的不断提升,来促进管理计划在其中更好的落实。软件投入使用后对于病毒的检测是自动进行的,这样能够避免出现使用安全性下降的严重问题,同时也能够确保使用期间操作人员更好的向系统发出指令,以免造成严重的安全不达标现象。对网络系统进行加密处理,能够确保其中的软件得到更好的使用,并保护重要的数据信息不会丢失。
2 基于网络数据分析的计算机网络系统开发建议
2.1 进行网络数据备份
在开发过程中,很容易出现不稳定的现象,造成严重的数据信息丢失,针对这一问题,在开发过程中,需要针对争议性比较大的部分数据来进行备份处理,将其保存在网络存储盘中,这样即使开发期间软件存储系统出现问题,也能够快速的通过网络备份来对数据进行还原处理,确保开发任务可以继续顺利进行。在开发期间,所遇到的问题都能够通过数据分析的合理运用来得到快速解决,这也是计算机网络软件开发过程中技术先进性的具体体现。在此环境下,技术人员应当针对经验来进行相互交流,在短时间内快速进步,并达到理想的使用安全性标准,这样后续的设计任务也能够顺利进行,帮助提升软件使用过程中的创新性,能够在网络环境中快速的完成数据补充与内容更新。
2.2 提升软件的使用兼容性
设计时兼容性的保障也是十分重要的,在这样的环境下,开展开发任务需要通过框架结构测试来观察是否能够适应使用环境。在设计初期,如果发现兼容性不达标的问题,可以通过对后续软件设计框架的调整来达到理想的使用状态,同时这也是设计期间需要重点注意的内容,关系到系统的运行使用的安全性,对于一些比较常见的安全性不足问题,在设计时会重点的优化解决。以免造成严重的安全性下降问题。设计期间要合理运用网络数据分析功能,对软件的数据组成进行科学分析,并筛选出其中比较重要的部分数据进行备份处理,以备使用。
2.3 虚拟局域网的应用
运用虚拟局域网,能够在短时间内扩大软件的存储功能,并帮助更好的提升使用过程中的软件稳定性。运行期间,系统能够在网络平台中自动的搜索更新数据库,并在网络允许的情况下自动完成更新任务,通过这种方法来帮助降低使用过程中的网络安全性影响,并且在存储功能与数据分析功能上都会有很明显的进步,这也是传统方法中难以解决的,在这样的环境中,网络数据功能的实现会通过虚拟局域网部分。这种方法更方便对软件的安全性进行检测,发现问题也能在局部范围内解决,不容易造成严重的安全性下降问题。设计技术的合理选择直接关系到后续软件是否能够正常使用,并且在功能上也存在很多的不合理现象,针对传统方法中存在的各类问题,能够更好的解决,并促进使用效果得到更多的发挥,解决网络环境中所受到的安全威胁。明确重点的技术方法之后,在设计过程中需要科学的落实应用,高效完成网络系统的开发与设计任务。
3 结语
计算机网络系统开发是一个长期且复杂的任务,即使现在的网络技术已经日渐成熟、网络安全防范体系也日趋完善,但是网络安全问题是相对存在的。因此,在实际计算机应用管理中,只能根据网络宽带的特点和具体的应用需求去找到平衡网络安全和网络性能,以此为指导思想来配置网络安全软件。
参考文献
[1]刘勇.“计算机网络实验课程”仿真系统平台的研究与设计[D].兰州:兰州理工大学,2013(03).
[2]杨丽坤.计算机网络办公自动化系统开发技术研究[J].电子技术与软件工程,2014(02).
作者简介
田海宇(1978-),男,现为黑龙江职业学院 信息工程学院讲师。研究方向为计算机网络。
关键词:计算机复杂工程;虚拟仿真;创新能力;课程群;实践体系
0.引言
计算机科学与技术是一门基础学科,计算机能力是当代大学生必备的能力之一,建立大学生创新创业教育体系,完善创新型人才培养模式非常重要…。但由于学校的学科优势、专业特色、课程设置、管理模式等情况各异,实验室资源条件也各不相同,计算机教育必须应对网络化时代的挑战,无论是技术发展、管理手段,还是学习模式变化,都使计算机领域的虚拟仿真实验教学成为必然。因此,引入虚拟仿真技术解决计算机复杂工程问题具有很高的现实意义和推广价值。
1.教学内容面向解决系统化工程问题
复杂工程问题需要扎实的专业基础知识,学校应面向计算机类专业的就业领域进行调研,根据调研的情况修订培养方案,在修订过程中把握3条主线,即软件架构与应用软件类(包括系统架构、软件开发等)、硬件应用设计类(包括嵌入式、组成原理等)、数据科学类(包括大数据分析、云计算等)始终贯穿培养方案,如图1所示为改革后的课程群。应用软件类第一学期开设c语言程序设计课程;第二学期开设c语言实践课程;第三学期开设数据结构课程,奠定软件开发基础;第四学期开设操作系统、数据库等,提升软件开发能力;第五学期开设专业程序设计课程,例如Web程序设计、软件综合课程设计等,强化专业应用软件设计开发能力;第六学期开设智能终端软件开发和软件工程等软件设计课程,提升应用软件系统创新设计能力;第七学期开设软件架构与应用开发课程,全方位提升软件架构设计开发能力,使学生从进入校园到离开校园,应用软件设计能力连续提高,直至就业。在此过程中,学校应充分利用校企合作,安排学生到企业实习、实训,以提高学生的软件开发能力,系统化地培养应用软件类人才。硬件应用类第一学期开设计算机科学导论课程、第三学期开设数字电路与逻辑设计课程;第四学期开设计算机组织与结构课程;第五学期开设嵌入式系统设计课程,奠定硬件开发基础;第六学期开设硬件综合课程设计,提升硬件开发能力。学校要瞄准“互联网+”,适应行业需求,增设数据科学方向。第一学期开设高等数学及计算机科学导论等课程;二学期开设概率论与数理统计课程;第三学期开设离散数学及数学建模/计算方法等课程;第四学期开设算法分析与设计课程等,奠定数据分析基础;第五学期开设数据挖掘基础课程,强化数据利用基础;第六学期开设大数据分析与处理、云计算与大数据实践等课程,提升大数据平台搭建和大数据分析应用能力,使学生从进入校园到离开校园数据分析处理能力连续提高,直至就业。实验室组建课外科技活动小组,包括嵌入式系统兴趣小组、智能终端设计开发小组、网页制作及组网兴趣小组等。
2.课程群建设面向复杂工程设计
我们把数字电路与逻辑设计、计算机组织与结构、操作系统和编译原理4门专业课构造为计算机系统核心课程群,重构了课程群的知识体系与实验体系,如图2所示。
软件架构方向培养学生系统的软件设计开发能力。我们将c语言程序设计、数据结构、数据库原理和软件工程4门计算机专业课程构造为该方向课程群,如图3所示。
数据科学方向主要培养大数据科学与工程领域的复合型高级技术人才,毕业生具有信息科学、管理科学和数据科学基础知识与基本技能,掌握大数据科学所需要的计算机、网络、数据编码、数据处理等相关学科的基本理论和基本知识,熟练掌握大数据采集、存储、处理与分析、传输与应用等技术。基于此,我们将概率论与数理统计、离散数学、算法分析与设计和数据挖掘4门计算机专业课程构造为该方向课程群,如图4所示。
3.引入虚拟仿真模式,建立多位一体的学生实践能力培养体系
在信息技术网络化、服务化的演变历程中,信息服务日益丰富,使计算机软硬件系统规模不断增大,复杂性不断提高,信息安全的形式也日益严峻。传统的基于单机和实物的实验教学条件难以呈现异构、复杂的网络环境,难以触及计算机体系结构(例如cPu设计、多核设计等),难以分析实时、潜在的安全威胁,导致学生理论与实际相脱节,对所学知识缺少系统性认识,在能力上无法适应产业发展对计算机人才的需求。因此,必须引入虚拟仿真实验技术,解决计算机各学科中的实验教学问题,完善现有计算机各学科实验教学体系。应重点开展与网络、计算机体系结构和信息安全相关的基础训练、综合设计和创新拓展3层次虚拟仿真实验,并通过随课实验、课程设计、专业实践、毕业设计等环节实施,实验体系如图5所示。
4.统一规划教学内容和教学方法
学生应将数学、自然科学、工程基础和专业知识用于设计CPU,并能够在设计环节中体现创新意识。在理顺教学内容的基础上,各课程以完成基本计算机系统设计和实现为教学目标,改进教学方法;在加强原理性知识讲解的同时,强化工程化实现方法的训练,力求学生在系统原理和工程实现方法两方面均有收获。
5.统一规划课程实验体系
计算机系统能力培养中,实践占有很大的比重,是学生运用所学知识解决实际计算机系统设计问题的过程,更是检验教学效果的重要手段。然而,计算机系统是一个复杂的系统,要让学生在有限的时间内完成教学和实践内容,需要我们精心设计教学实验体系,围绕教学改革目标设置各课程的阶段子目标和相应的实验内容;完成模块设计和实现后,再通过综合实验来最终集成,形成一个完整的计算机系统设计和实现。在计算机组成原理课程中,我们安排了8个教学实验,通过精心安排和组织,8个实验由基础到全面,由运算器、控制器到CPU设计,构成了一个基本完整的CPU系统。
(1)实验1(海明码)和实验2(乘法器)的目的在于了解和熟悉计算机系统的容错技术和海明码原理以及计算机系统的补码booth乘法器的原理。
(2)实验3(算数逻辑运算单元)的目的是掌握简单运算器的数据传送通路和验证4位ALU运算器的组合功能。
(3)实验4(时序部件)的目的是理解计算机控制器中时序控制部件的基本组成和工作原理,掌握启停逻辑电路、节拍脉冲发生器的工作原理及设计方法,了解启停逻辑电路、节拍脉冲发生器等电路的结构特点。(4)实验5(硬布线控制器)的目的是理解指令译码器的作用和重要性,学习设计组合逻辑控制器。硬布线控制器的控制信号直接由各种类型的逻辑门和触发器构成。
(5)实验6(微程序控制器)的目的是理解微程序控制器的控制原理,进一步掌握指令流程和功能,了解掌握微程序控制器的设计思路和方法。
(6)实验7和实验8(CPU设计)要求学生利用已有的计算机组成原理知识以及对计算机系统结构的初步学习,设计一个完整的CPU体系结构(包括指令系统、寻址方式、数据表示、寄存器结构、存储系统和流水线结构等)。
关键词:航空电源,虚拟仪器,测试
中图分类号:TP274 文献标识码:A
0 引言
随着航空科技的发展,先进的机载设备大幅度增加,自动化程度日益提高,飞机对供电系统的依赖性越来越大,对其供电品质也就提出了更高的要求。为了验证航空电源系统的设计制造是否满足给定的要求,以及为新产品的研发和产品的维修提供依据,就必须对其性能参数进行全面系统的测试。
当前,虚拟仪器技术日益成为测试技术发展的主流。在虚拟仪器技术中,可以用功能强大的计算软件代替某些传统的测量仪器, 实现“软件即仪器”的设计思想,从而使测试系统更为简洁、灵活、方便。根据测试任务和要求,设计了基于虚拟仪器技术的航空电源测试系统。
1 系统的总体设计
航空电源测试系统是以测控计算机为核心的高速数据采集与处理的数字式测试设备,由硬件和软件两大部分组成。测控计算机是整个综合测试系统的核心,通过控制测控计算机中的软件来实现对拖动台的转速、鼓风机的风速等控制;测控计算机通过数据采集系统实现对交直流电源系统相关数据的采集,并由测控计算机进行分析与处理;最后通过控制面板将测试结果和生成报表予以显示,并根据需求进行打印。系统的总体结构图如图1 所示。
图1 系统总体结构图
图2 软件设计模块
2 系统硬件
航空电源测试系统在结构上由拖动台、油冷装置、鼓风机、数据采集系统、计算机测控系统、交直流电阻负载箱等组成,能够实现交直流电源系统的综合测试。数据采集系统主要由信号调理箱和高速数据采集卡实现对数据的调理与采集;计算机测控系统的硬件部分主要是测控计算机,该测控计算机选用较先进的工控计算机,这样可以保证实时数据采集分析、存储的需要,使得该系统具有很好实时性和较强的数据处理能力;交直流负载箱主要提供满足检测所需的直流、单相交流、三相交流的大电流负载;拖动台采用变频调速控制。在功能上测试系统由激励源、数据采集和控制处理系统、显示系统组成。激励源主要用来产生测试被测部件时,系统正常工作所需的各种输入信号;数据采集和控制处理系统主要由计算机以及配套的各种硬件共同完成对数据的采集和处理,同时对加到被测部件的各种激励进行实时控制。
3 系统软件
航空电源测试系统能够依据国军标HB6448-90、GJB181A-20O3、GJB181-86的有关规定及系统要求,对交、直流电源系统的参数进行测试,且具有自动加卸负载的功能。
该系统采用 LabVIEW作为系统开发语言,具有可视化、交互式、标准的 Windows 操作界面,很强的数据处理、数据分析功能和功能齐全的软件工具包,符合测控系统的自身特点。
航空电源测试系统的软件设计采用模块化设计方法,该系统由四个子系统构成:交流测试子系统、直流测试子系统、数据库管理子系统和系统帮助子系统。如图2所示。其中交、直流子系统不仅进行数据采集、处理、显示、回放以及对发电机转速、变频器电源等设备运行状态进行监测,还对数据库进行管理。它的程序结构层次清晰,便于今后可以进一步扩展系统的测试功能。
电源测试程序是整个系统的控制中心,它负责管理和协调各软件子模块的工作,完成测试程序的产生和执行。具体检测程序中系统支持两种 GJB 的数据检测,测试人员可以通过界面下拉菜单选择不同 GJB 标准进行测试,测试系统将按照检测人员选择的待测项目调用测试功能子系统,并生成测试报表,供检测人员参考或分析。参数测试相如图 3 所示。
4 实验应用
以三相交流稳态参数测试为例,采样率为115k,发电机A、B、C三相采集通道分别为AC115V-1,AC115V-2,AC115V-3,启动拖动台并使发电机工作。使用GJB181分析软件进行三相稳态参数分析,结果如图4所示。
5 结束语
该测试系统已经用于航空发电机性能参数的实际测试。通过实际应用发现,该系统运行可靠稳定、人机交互界面友好、功能强大、操作简单,测试结果准确可靠、精度和准确度高,各项指标均达到了工程技术的要求,具有较高的实际应用价值。■
参考文献
[1] 梁虹,吴瑞金,果占治,吴立勋.基于虚拟仪器的直升机电源综合测试系统[J].信息与电子工程. 2007,5(1):26-30.
关键词:labview;接地测量仪器;数据分析
引言
随着电网接地装置性能检测方法的日益成熟,进行接地装置测量的仪器设备层出不穷,市场上鱼龙混杂,目前国内没有一个统一的方法、标准对其性能要求进行限定,也没有一个统一的结构对其进行入网检测、校验,这就给接地装置的准确评估带来了极大的隐患[1]。
该文章针对接地测量仪器,研究设计了一套完整的校验系统,可以对接地装置的电流、电压、接地阻抗等方面进行准确评估,避免了由于测量设备的误差所造成的错误评价,消除了对电网的安全运行带来极大的危害,保证了其性能和精度的要求。
1 系统的总体设计
系统由硬件和测试分析软件两大部分组成,系统的总体设计如图1所示。分析系统以 labview12.0为开发平台,而软件是虚拟仪器的核心部分,系统总体设计框图如图1所示。
图1 系统的总体设计框图
系统软件由控制底层硬件管理模块与分析功能模块组成,完成虚拟仪器特定的逻辑分析处理过程。硬件是虚拟仪器工作的基础,主要由调理电路、数据采集卡和计算机组成,完成对被测信号的采集、传输、运算处理及显示测试结果等。
2 测量方法
图2 接地电阻测量原理图
该文章采用三极法进行测量,接线原理图如图2所示,其中电位极处于实际的零点为区内,在确定电位极位置时,可在接地体与电流极之间多个位置测量尝试,而实际中常采用0.618法,即电位极到接地体的距离dGP是电流极到接地体距离dGC的0.618倍,而电流极到接地体的距离是根据接地网最大对角距离确定的,一般取dGC=(4~5)D,D为接地网最大对角距离[2]。
3 系统软件设计
在系统的编制过程中采用了结构化和模块化编程的基本思路[3]。软件应用DAQ实现了硬件-NI数据采集卡与labview软件之间的信号输送,并开发了一套高效、准确的信号分析系统。软件设计框图如图3所示。
图3 软件设计框图
4 信号分析系统
信号分析系统主要是由三部分组成,分别是时域分析、频域分析和相关性分析,通过分析可以得到电流、电压信号的均值,再根据数学模型测量得到接地电阻的值[4]。分析系统前面板和程序框图如图4、图5所示。
图4 程序前面板
图5 程序框图
5 结束语
该文章针对接地电阻的测量,设计了一套基于labview的数据采集和信号分析与处理系统,实现了对信号的时域分析、频域分析、相关性分析等[5]。系统利用labview软件分析准确和高效,对接地电阻进行精确的测量。该系统同样可以广泛用于测试测量领域,完成对信号的实时采集和处理。
参考文献
[1]何金良,曾嵘.电力系统接地技术[M].北京:科学出版社,2007.
[2]卜云平.接地装置的接地电阻测量[J].实用测试技术,2000(2).
[3]杨乐平,李海涛,杨磊.labview程序设计与应用[M].2版.北京:电子工业出版社.
[4]蔡国英,张宏群.基于labview的信号产生和分析系统[J].国外电子测量技术,2007,26(7):12-14.
硬件部分由滤波电路和放大部分组成,因为微波频率信号再由频率/电压转换电路转换成电压信号幅值较小,而且有干扰信号,无法直接被单片机采集,所以,需要经过滤波放大电路后才可以送给单片机。滤波电路采用Sallen-Key滤波器,Sallen-Key滤波器又称双极点电压控制电压源[3],如图2所示。滤波器输出信号后再通过放大电路,电路采用LMC6484[4]组成的放大电路,如图3所示。经过放大电路后,C8051F310单片机利用内部自带的10位A/D转换器对放大后的信号进行采集得到电压信号,然后送给上位机。
2系统软件设计
软件系统主要包括C8051F310单片机对电压信号的采集程序和用LabVIEW编写的上位机。
2.1C8051F310单片机采集程序C8051F310单片机内部自带10位AD,转换速率可达200ksps,具有17个外部单端或差分输入,VREF可以在外部引脚或VDD中选择[5]。设计采用单端输入,VREF接5V电压,可以采集到0~5V的电压信号,精度为0.00488V,可以满足实验需要。串口发送利用单片机的串口发送给上位机,波特率设置为9600,单片机采集完电压信号后,立即发送给上位机。图4为单片机采集程序流程图。
2.2软件设计溴酸盐检测与分析系统的软件部分在LabVIEW平台上进行开发,采集硬件部分的电压信号,利用RS—232接口将信号传入PC,及时地显示信号数值及其波形,完成对溴酸盐检测与分析系统硬件设备的检测,设计流程如图5所示。数据处理包括数据接收和数据分析。在数据接收方面,上位机一帧一帧地接收数据,每一帧有4个字节数据,分别为:1个字节的帧头、2个字节的电压值、1个字节的帧尾。为了保持数据的可靠性,程序采取对50组数据求平均值的方法。这里采用的是移位寄存器,在大循环框内使用2个移位寄存器,程序每一次循环4个数都不断叠加直到50组数发送完成,然后对这个总数求平均值。数据分析方面,由于传感器输出的电压值与所测溴酸盐浓度值之间存在明显的非线性,为了提高测量精度,必须进行非线性化校正,使之线性化。线性化方法很多,在此应用最小化二乘法原理实现曲线拟合,而且选取在Matlab平台上实现[6]。先用精密天平称量不同质量的溴酸钾粉末,再用蒸馏水分别配置5,8,11,14,17,20,23,26,29,32,35,38,41,44,47,50μg/L的溴酸钾溶液,并用滴管分别取不同浓度的溴酸钾溶液进行测试,得到的数据如表1所示。得到数据在Matlab平台上进行曲线拟合,分别用二,三,四,五次多项式进行拟合,如图7~图10所示。可以看出,用五次多项式能够很好地拟合出电压值与溴酸盐浓度值的关系,而且在计算机上实现起来也比较快速、容易,因此,采用五次多项式进行拟合。从图10的曲线图可以很容易得到溴酸盐浓度值与传感器输出电压值之间的关系,五次多项式的系数分别为0.2764,-2.4990,7.0900,-5.5968,7.3794,2.6526,因此,拟合的曲线方程可以表示。
3系统实验
先用精密天平称量不同质量的溴酸钾粉末,再用蒸馏水分别配置5,10,15,20,30,40,50μg/L的溴酸钾溶液。配完溶液后,用滴管分别取不同浓度的溴酸钾溶液滴到薄壁玻璃瓶内进行测试,得到的数据如表2所示。
4结论
关键词:无线温度采集;ZigBee;CC2530;DS18B20
中图分类号:TB
文献标识码:A
doi:10.19311/ki.16723198.2016.31.093
1 前言
工农业安全生产过程中需要对环境温度进行检测,传统的温度检测方式多采用有线传输方式,使用温度传感器采集环境温度并将温度值传输给单片机,单片机将温度值通过总线将数据传输到控制中心,采用的总线有485总线、Can总线、以太网总线等,有线传输方式具有传输速度快、传输可靠等优点,当对于监控范围广、监测点数量多等复杂环境情r,有线传输方式布线困难、成本高。随着无线通信技术的发展,温度采集传输趋向于无线传输方式,无线传输方式具有使用灵活、覆盖范围广等优点,因此无线温度采集系统将会有广泛的应用市场。
本文设计了基于ZigBee的无线温度采集系统,采用CC2530片上系统芯片作为系统控制器,选用DS18B20温度传感器采集环境温度,利用CC2530芯片内部的RF收发器将温度值无线传输,为实现多点温度采集,选用星形网络拓扑结构。协调器模块通过RF收发器接收各终端节点发送的数据,接收数据可显示在LCD1602液晶屏上,同时利用RS232串口模块将数据传输到上位机,进行数据分析、处理及保存。
2 系统硬件设计
本文设计的无线温度采集系统包括温度采集终端和协调器接收系统,采用ZigBee星形网络拓扑结构。温度采集终端由温度传感器芯片、CC2530片上系统芯片、时钟芯片以及天线组成,该模块系统结构如图1所示。协调器接收系统由CC2530片上系统芯片、接收天线、LCD液晶显示屏和FT232接口转换芯片组成,该模块系统结构如图2所示。
2.1 温度采集终端系统设计
温度采集终端系统实现环境温度采集,温度传感器采集数据传输到CC2530芯片,CC2530片内单片机将接收数据转换成温度数值,同时读取时钟芯片寄存器获取当前时间值,温度值和时间值通过CC2530片内RF模块进行无线发射。
2.1.1 温度采集模块
温度传感器选用美国DALLAS公司生产的DS18B20芯片,该芯片温度测量范围广,测量精度高,可实现-55℃~+125℃范围内的温度采集,且其接口简单,使用一根数据线即可完成温度值的传输。
2.1.2 时钟模块
时钟芯片选用美国DALLAS公司生产的DS1302芯片,该芯片为低功耗时钟芯片,晶振频率为32.768kHz,能够实现对年、月、日、周、时、分、秒的计时,还可实现闰年补偿。DS1302时钟数据传输使用SPI模式。
2.1.3 CC2530模块
CC2530是为实现ZigBee应用而开发的片上系统芯片,内部集成了8051控制器、高效2.4GHz的RF无线收发器、片内RAM和其他功能外设。该芯片结合了基于IEEE802.15.4标准的ZigBee协议栈Z-Stack,可提供完整的ZigBee解决方案。
ZigBee设备类型分为终端设备(End-device)、路由器(Router)和协调器(Coordinator),温度采集终端系统初始化设置为终端设备,系统上电后搜索网络协调器,发出请求信息,连接成功后,该模块将接收到一个16位的从节点地址,采用CSMA-CA机制获得信道使用权,获得使用权后,即可向协调器接收系统发送数据。
2.2 协调器数据接收系统设计
协调器数据接收系统实现无线网络的组建,CC2530内部的RF模块接收各温度采集终端发送的温度及时间数值,并传输到CC2530内部单片机,单片机模块将接收到的温度、时间信息一路发送到LCD液晶显示屏模块实时显示,一路通过FT232模块传输到上位机,以便进行数据分析及存储。
2.2.1 CC2530模块
利用CC2530首先组建无线网络,该模块被初始化为协调器。其内部的RF无线收发器接收各温度采集终端发送的温度及时间值,利用片内单片机将无线接收数据发送到液晶显示屏进行显示,同时将无线接收数据通过FT232模块以USB接口模式发送到上位机。
2.2.2 LCD液晶显示模块
LCD液晶显示屏上显示各温度采集终端采集的温度值及时间信息,为降低系统成本,选用LCD1602液晶显示屏,该显示屏可显示两行数据,每行包含16个字符,各温度采集终端采集发送的数据轮流在液晶屏上显示。
2.2.3 FT232串行通信模块
FT232芯片为USB到UART串行接口转换芯片,由于目前多数笔记本电脑没有RS232接口,使用该芯片CC2530内部单片机可通过USB接口与PC机通信。CC2530内部包含2组串行通信接口,可选用任一组与上位机通信,配置UxGCR寄存器设置串行通信传输速率,本系统中设置波特率为9600bps,8位数据位,1位停止位,无校验位。编写上位机软件,可对接收到的各温度采集终端发送的温度值进行分析、保存。
3 系统软件设计
温度采集终端系统上电后,首先完成对DS18B20、DS1302的初始化,并将该节点初始化为终端设备,然后连接调节器,网络连接成功后,读取温度值和时间值,并将数据发送给协调器,该系统的程序设计流程图如图3所示。
协调器数据接收系统上电后,首先完成对LCD1602和UART串行通信的初始化,将该节点初始化为协调器,然后建立网络,并将温度采集终端加入网络,接收温度采集终端发送的温度和时间值,将接收数据发送到LCD1602液晶显示屏,并通过UART串行输出至上位机。协调器接收系统软件流程图如图4所示。
4 结束语
本文设计了基于ZigBee技术的无线温度采集系统,选用CC2530芯片设计温度采集终端和协调器数据接收系统,建立无线传感网络,采用星型网络拓扑结构实现了多点数据采集,完成了该系统的硬件和软件设计。该系统数据传输可靠,功耗低,节点易于扩展,且硬件结构简单,成本低,可应用于复杂环境下的温度采集,具有一定的实用价值。
参考文献
[1]雷纯,何小阳,苏生辉.基于ZigBee的多点温度采集系统设计与实现[J].自动化技术与应用,2010,29(2):4346.
[2]胡庆,杜小丹,罗正华.基于ZigBee技术的智能校园无线温度采集系统[J].电子设计工程,2011,19(24):7577.
[3]邓磊,王子敬,范玲俐.基于ZigBee无线网络的温度采集系统设计[J].电子元器件应用,2010,12(2):3941.
[文章编号] 1671-5918(2017)07-0107-02
doi:10.3969/j.issn.1671-5918.2017.07.050
[本刊网址] http://hbxb.net
一、引言
软件工程实践课程具有较强的理论性,而在专业技能上又表现出更高的操作性。从学科特色来看,软件工程是计算机科学与技术专业的融合,其内容围绕软件需求、系统分析、软件设计、技术实践等环节,强调高素质技能型人才的培养质量。然而,传统的软件工程实践课程教学效果并不理想,教学内容往往单一、枯燥,学生的学习积极性受到抑制。如软件开发中的数据流程无法提供应用环节,学生难以从中发现数据关联性问题,导致执行效率较低;在现代软件开发环境下,难以满足多层分布式架构设计要求。
二、软件工程实践课程内容的拓展
(一)软件工程建模应用设计
传统教学中软件工程实践课程建模设计,主要采用数据流程图方式,其优势在于从数据流程图的绘制上展现软件设计过程。
然而,在绘制软件设计流程图过程中,往往导致学生产生畏难心理。同时,由于对整个软件需求、软件功能分析不到位,导致数据来源不统一、数据需求不清晰、数据存储出现异常、数据冗余度等问题,也在一定程度上影响了学生对知识和技能的掌握。所以,有必要改进软件工程实践课程的教学模式,有针对性地拓宽教学方案,特别是在流程图设计分析上,需要从软件工程分析、软件数据分析、软件功能分析等方面适当延伸和拓展。如在软件功能分析上,需要借助于软件数据流程图进行顶层设计,抽象出各软件功能子系统及相关单元的功能;在软件数据分析上,需要区分软件实体、属性及关联性,并对相关数据库进行识别,引导学生理解和应用不同的数据信息结构建立E-R模型。
(二)软件工程建模设计拓展
传统建模设计主要从系统功能上确定不同的模块,比较适宜面向过程的设计环境。但对于面向可视化、面向对象、面向事件驱动下的程序设计环境,则显得不相适宜。因此,需要从建模设计上进行扩展,保留原来软件过程类模块设计的主要内容,围绕软件结构、软件数据、软件界面等进行扩展。如在系统结构设计上,可以采用集中式结构、分布式结构,还可以采用集中-分布式结构;在确定软件应用模式上,可以采用B/S结构,也可以采用C/S结构;在确定数据设计上,可以采用逻辑数据集关系进行规范化处理,也可以采用物理数据集关系进行编码和命名;在界面设计上,根据软件功能及业务需求,来组织输入、输出,从而满足不同软件设计的开发需要。
三、软件工程类课程实践教学模式
软件工程类课程实践教学模式的重点,在于从教学内容的组织与优化上,联系软件工程设计实际,突出教学方法的创新性、实践性、应用性。根据软件工程类课程特点,在改革实践教学模式上,围绕实践教学纲要目标,融入多种实践教学方法。如案例驱动教学法、任务驱动教学法、典型案例分析法等,逐渐深入、细化软件工程理论知识与应用的展开。
(一)进销存C/S案例分析与应用
C/S?件结构基于客户、服务器关系,适用于业务流程复杂、对软件响应速度较高的软件开发项目。在C/S结构中,用户根据角色权限来操作相应功能模块,并实现进货、销货、库存汇总及各类报表的输出功能。
在数据库设计上,要从软件执行效率、处理异常及满足业务需求等方面,设计系统数据库表、E-R图和数据视图。在数据库表结构设计中,根据不同数据字段项的使用特点,来优化系统后台数据库结构。如在SQL Server 2008数据库中,可以定义员工名称表、商品基本信息表、客户基本信息表、仓库部门信息表、进货商品信息表、用户权限表、退货商品信息表、销售商品信息表、库存信息表等,以满足进销存管理系统设计中不同业务信息的统计与关联。在数据库视图设计上,常用的有标准视图、索引视图、分区视图三种,利用Select语句进行视图检索,确定入库视图v-GoodIn、v-ReGoods、v-UserSell、v-UserView基本视图。针对C/S结构中软件表单编码的设计,要从信息交换、处理、传输、共享等方面来优化编码规则。如在进货商品基本信息格式上,以“系统当前日期+‘JH’+7位数字编码”为规则,来提升商品信息识别效率。
在系统触发器设计上,要保证商品信息数量一致性。如在t-Goods触发器设计上,对于某商品信息没有历史记录者,则触发入库信息表tb-Stock;若该商品在库存信息表中,则将该余量进行及时相加,保障库存信息实时更新。
(二)进销存B/S模型设计与应用
B/S模式是基于多层应用结构,将原来的表示层、业务逻辑层进行分离,便于开发人员提供简洁的功能操作界面。下面以ASP?Net为例来探讨软件工程实践教学。
ASP?Net三层应用结构中,第一层是用户表示层USL,封装了人机交互的表单与组件,满足业务逻辑层与系统用户之间的信息传输需要,并通过简单的校验后传送给浏览器进行显示。第二层是业务逻辑层BLL,主要是对不同应用业务规则和逻辑的封装,便于用户通过业务逻辑层进行多种功能的调用,以及访问数据库等;第三层是数据访问层DAL,通过与数据库进行交互来获取查询记录、插入、修改、删除数据库记录等操作。
在B/S软件工程模型中,数据访问包括业务实体访问和数据操作两部分,业务实体是反映现实生活的各类业务数据,而数据操作是基于对数据库的检索来完成的信息传输服务。
Model业务实体层主要存储与业务实体相关的数据属性值;DBUtility公共类主要是从Web.congfig配置信息库中获取类库,满足对数据库相应操作的访问;DAL数据访问层主要是记录数据库的表结构,满足增删、修改等功能;BLL业务逻辑层主要是满足创建数据库类,以及对数据库进行访问调用。
四、软件工程实践课程案例实施要点
软件工程实践课程在案例教学实践中还要注意几个问题。
一是对于典型案例的选择与应用,要贴近软件工程实践需求,特别是接近行业软件开发现状,体现案例的实践性、应用性。
二是在引入典型案例进行讲授与实践操作时,要注意多种教学方法的统合。如对于一些结构化程序设计方法,可以选择面向对象的综合性案例,让学生能够从结构化模型分析中,了解和认识不同功能模块的设计要求和方法;还可以让学生从项目讨论中,自己动手来设计程序,激发学生的创新意识和探索精神。
三是要优化典型案例的教学方案,不同案例的导入要与教学目标相适应。要让学生从案例实践中,明确为什么这样设计,懂得为什么要撰写不同的设计任务,根据软件工程生命周期来细化程序设计要求,解决什么样的问题,具备什么样的功能等,多从程序设计案例分析上加深理解。
四是案例分析要融入师生互动与参与,特别是通过对程序设计不同功能、不同环境的变化,如何从运行时效性上来优化程序设计;通过分组探讨等方式,来共同编写执行程序,来对各小组程序进行分析,让学生参与提问与改进,从具体的程序设计开发中积累经验,增强学生的合作意识、团队协作能力。
五是强调案例导入分析与总结归纳,特别是教师要鼓励学生在案例分析中,对错误和不解进行归纳,来分析成因和问题所在,积极总结改进思路和方法,尊重学生的独特见解,引领学生创新意识的培养。
另外,软件工程类课程实践教学具有特色性,不同教学内容、不同课程在实践应用中还有差异。如对于当前流行的软件开发语言及程序设计,NET与J2EE架构具有相似性与差异性,在典型案例导入中,要结合企业需求、教学分析、学生实际来选择,体现软件工程类课程实践教学的可操作性,满足学生从案例分析到职场应用的有效过渡。