王　立　雷　斌

(西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院　西安　710021)

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高寒環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究*

王立雷斌

(西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院西安710021)

摘要在深入分析高寒環(huán)境溫濕度變化的基礎(chǔ)上，論文主要介紹如何設(shè)計(jì)綜合數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)以ARM為核心，采用聯(lián)合藍(lán)牙、安卓平臺(tái)完成對(duì)所需觀測(cè)量的采集、解析、實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)、遠(yuǎn)程上報(bào)功能以及對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、查詢。由設(shè)備測(cè)量到的數(shù)據(jù)和人工測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比。經(jīng)過驗(yàn)證，證明了此測(cè)量系統(tǒng)的正確性以及在工業(yè)生產(chǎn)中的實(shí)用性。

關(guān)鍵詞數(shù)據(jù)采集; 高寒環(huán)境; ARM; Android

Class NumberTU755

1引言

獲取野外環(huán)境的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[1～2]是寒區(qū)旱區(qū)相關(guān)研究工作的基礎(chǔ)，長期以來主要依靠人工監(jiān)測(cè)手段，但是人工監(jiān)測(cè)已經(jīng)無法滿足大規(guī)模的凍土監(jiān)測(cè)。為了及時(shí)準(zhǔn)確地獲取凍土的相關(guān)特性信息，對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)尤為重要。凍土的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)不僅能夠?qū)崟r(shí)的獲取凍土的相關(guān)特性參數(shù)變化，而且在一定程度上反映出所在區(qū)域氣候變換，尤其是對(duì)凍土區(qū)的道路安全性進(jìn)行評(píng)估，給相關(guān)部門針對(duì)道路交通安全提供重要的決策依據(jù)[3]。本文將介紹利用ARM通過藍(lán)牙聯(lián)合安卓平臺(tái)對(duì)野外環(huán)境溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

2設(shè)計(jì)思想

該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由現(xiàn)場監(jiān)測(cè)站、Android兩大部分組成。一方面測(cè)站自動(dòng)采集各種監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并通過無線網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)傳輸給監(jiān)測(cè)中心，在中心完成數(shù)據(jù)的整理、存儲(chǔ)、檢索、分析；另一方面，利用安卓平臺(tái)，可以通過藍(lán)牙實(shí)時(shí)對(duì)數(shù)采儀進(jìn)行配置，并且實(shí)時(shí)顯示測(cè)量結(jié)果，可以將各種傳感器的電量(電壓、電流、電阻)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)數(shù)值并形成觀測(cè)記錄保存，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候采用公共無線通信網(wǎng)絡(luò)(GSM、CDMA、3G、衛(wèi)星)傳遞給上位機(jī)，由上位機(jī)根據(jù)傳遞函數(shù)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)電量，再套用傳感器的標(biāo)定參數(shù)進(jìn)行計(jì)算得到各種觀測(cè)物理量數(shù)據(jù)，并進(jìn)行存儲(chǔ)、檢索、分析、統(tǒng)計(jì)。整個(gè)系統(tǒng)的工作流程如圖1所示。

圖1　采集系統(tǒng)流程圖

3模塊設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)測(cè)量系統(tǒng)主要由多個(gè)功能模塊組成[4～6]，主要包括主控模塊、溫濕度采集處理模塊、遠(yuǎn)傳模塊等。

圖2　監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件框圖

3.1主控模塊

主控模塊采用ARM處理器STM32，溫濕度傳感器采集到的信號(hào)傳輸?shù)街骺啬K，對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行分析與處理[7～8]。

3.2溫濕度采集處理模塊

溫濕度采集模塊將采集到的信號(hào)通過前置放大電路，濾波電路，二級(jí)放大電路，A/D轉(zhuǎn)換電路將采集到的電信號(hào)轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)可以直接處理的數(shù)字量[8～12]。

3.3遠(yuǎn)傳模塊

傳感器采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過信號(hào)預(yù)處理系統(tǒng)的處理，傳輸給主控芯片，主控芯片對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。得到的結(jié)果通過公共無線通信網(wǎng)絡(luò)(GSM、CDMA、3G、衛(wèi)星)傳遞給上位機(jī)。

4測(cè)試系統(tǒng)

本設(shè)計(jì)是基于Android系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)應(yīng)用設(shè)計(jì)[13～14]。在Android系統(tǒng)中，運(yùn)用Java語言進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編程，通過藍(lán)牙串口通信實(shí)現(xiàn)PC端、開發(fā)板和Android手機(jī)之間的通信，在PC端和Android端實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸解析通信，并通過手機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)開發(fā)板的測(cè)量控制。

4.1軟件設(shè)計(jì)流程圖

本軟件的基本流程圖如圖3所示，在進(jìn)入配置時(shí)需要和數(shù)采儀的藍(lán)牙進(jìn)行配對(duì)連接，如果連接成功進(jìn)行校時(shí)，如果失敗則重新進(jìn)行配置；在立即測(cè)量則會(huì)和數(shù)采儀進(jìn)行通信，傳輸采集數(shù)據(jù)；讀取數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)進(jìn)行數(shù)據(jù)解析并且保存收到的所有數(shù)據(jù)；上報(bào)則會(huì)將所收到的所有數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器。同時(shí)在配置成功會(huì)有60s的輸入等待，如果無輸入指令則會(huì)退出關(guān)機(jī)。

圖3　軟件設(shè)計(jì)流程圖

4.2系統(tǒng)基本功能測(cè)試

數(shù)采儀喚醒后進(jìn)入配置狀態(tài)，等待藍(lán)牙發(fā)送指令，若無指令，等待60s自動(dòng)關(guān)機(jī)，若有指令執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，例如執(zhí)行校時(shí)，讀基本信息，立即測(cè)量，立即上報(bào)，讀取文件，提取文件，關(guān)機(jī)[15]。系統(tǒng)測(cè)試圖如圖4所示。

圖4　測(cè)試數(shù)據(jù)顯示界面

實(shí)驗(yàn)開始，需要進(jìn)行對(duì)數(shù)采儀的藍(lán)牙進(jìn)行搜索連接，輸入配對(duì)密碼，完成參數(shù)的配置。Android終端與設(shè)備藍(lán)牙鏈接成功方可繼續(xù)進(jìn)行操作。基本信息界面，包含校時(shí)、讀取基本信息、立即測(cè)量上報(bào)和退出等功能。圖4顯示本次測(cè)試時(shí)間為2015年6月19日7:16:30，終端編號(hào)即數(shù)采儀編號(hào)為綜合數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(339F)。

如圖4所示為Android終端通過對(duì)數(shù)采儀進(jìn)行立即測(cè)量指令，數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)解析得到的溫濕度、內(nèi)電壓、外電壓，測(cè)試頭電阻值。安卓終端對(duì)采集到的數(shù)據(jù)提取、讀取、刪除，在此界面可以將數(shù)據(jù)上傳tftp服務(wù)器，同時(shí)可以將數(shù)據(jù)保存在本地進(jìn)行操作。

5結(jié)果

在溫濕度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，用以下兩種測(cè)試方案對(duì)其結(jié)果進(jìn)行分析，進(jìn)而驗(yàn)證該系統(tǒng)的精度與穩(wěn)定性，是否能夠更好地應(yīng)用于生產(chǎn)過程中。

5.1常溫下測(cè)量結(jié)果分析

測(cè)試方案：

電阻測(cè)試頭：采用DB37高精度測(cè)試頭，單個(gè)航插共18針，阻值范圍分布于400～8000Ω。

測(cè)試方案：

1)測(cè)試前采用6位半的萬用表預(yù)熱二十分鐘，采用四線法和兩線法對(duì)測(cè)試頭進(jìn)行核準(zhǔn)；

2)選取單個(gè)航插進(jìn)行測(cè)試，單個(gè)阻值測(cè)量20次，統(tǒng)計(jì)并分析數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性；

3)采用極差方式分析數(shù)據(jù)的精度，即二十次測(cè)量值最大值與最小值之差。

如圖5所示為常溫條件下測(cè)試數(shù)據(jù)的精度分析，橫軸代表測(cè)試頭的1～18針，縱軸為測(cè)試頭各針的相對(duì)應(yīng)的極差，測(cè)試頭阻值為410Ω時(shí)偏差為0.19,測(cè)試頭阻值為8000Ω左右時(shí)，偏差為1.71，小于系統(tǒng)誤差0.05%。

圖5　常溫條件下測(cè)試數(shù)據(jù)精度

如圖6所示為常溫條件下測(cè)試數(shù)據(jù)穩(wěn)定性，橫軸代表測(cè)試頭的1～18針。測(cè)試數(shù)據(jù)未顯示偏離數(shù)據(jù)較大的偏差，穩(wěn)定性較好。通過常溫下測(cè)量結(jié)果的數(shù)據(jù)分析，該系統(tǒng)的測(cè)量最大偏差1.71，穩(wěn)定性較好，精度較高，能夠滿足工業(yè)生產(chǎn)的需求。

5.2超低溫下測(cè)量結(jié)果分析

如圖7所示為超低溫條件下測(cè)試數(shù)據(jù)的精度分析，橫軸代表測(cè)試頭的1～18針，縱軸為測(cè)試頭各針的相對(duì)應(yīng)的極差，測(cè)試頭阻值為410Ω時(shí)偏差為0.18，測(cè)試頭阻值為8000Ω左右時(shí)，偏差為1.71，小于系統(tǒng)誤差0.05%。

圖6　常溫條件下測(cè)試數(shù)據(jù)穩(wěn)定性

圖7　超低溫條件下測(cè)試數(shù)據(jù)精度

如圖8所示為超低溫條件下測(cè)試數(shù)據(jù)穩(wěn)定性，橫軸代表測(cè)試頭的1～18針?？v軸為二十次測(cè)量值測(cè)試數(shù)據(jù)未顯示偏離數(shù)據(jù)較大的偏差，穩(wěn)定性較好。

圖8　超低溫條件下測(cè)試數(shù)據(jù)穩(wěn)定性

高寒環(huán)境對(duì)精度和穩(wěn)定性的要求更高，本系統(tǒng)測(cè)試模擬高寒環(huán)境進(jìn)行測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了高精度，較好穩(wěn)定性的要求，滿足高寒環(huán)境的需求。

6結(jié)語

經(jīng)過實(shí)際驗(yàn)證，證明了此溫濕度采集系統(tǒng)的正確性，并且它能夠?qū)λ杉瘮?shù)據(jù)常溫地溫下都能達(dá)到精度和穩(wěn)定性的要求，可以很好地滿足工業(yè)生產(chǎn)需求，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。

參 考 文 獻(xiàn)

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收稿日期:2016年1月9日,修回日期:2016年2月23日

作者簡介:王立,男,碩士研究生,研究方向：通信與信息系統(tǒng)，嵌入式系統(tǒng)。雷斌,男,碩士,副教授,研究方向：測(cè)控技術(shù)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(嵌入式系統(tǒng)等)。

中圖分類號(hào)TU755

DOI:10.3969/j.issn.1672-9722.2016.07.040

Design and Research of Integrated Data Acquisition System in Cold Environment

WANG LiLEI Bin

(College of Electronic and Information Engineering, Xi’an Technological University, Xi’an710021)

AbstractBased on the deep analysis of the change of temperature and humidity in high-frigid condition, this paper mainly introduces how to design a integrated data acquisition system. The system uses ARM as the core, chooses Bluetooth, Android platform to complete acquisition, analysis, real-time display, storage, remote notice of the required measurements and the statistics and inquiry of measured data. The data measured by equipment is compared to the artificial measured value. It is verified that the measurement system has validity and practicability in industrial production.

Key Wordsdata acquisition, high-frigid condition, ARM, Android