高空溫度動態(tài)采集系統(tǒng)設(shè)計

摘 要： 在采集不同高度的溫度時，在不同高度安置無線網(wǎng)絡(luò)傳感器成本高，無線傳感器的電源替換比較困難，為解決此問題，采用了簡易螺旋直升機(jī)，內(nèi)置由AT89C51單片機(jī)、DS1820數(shù)字芯片，可實(shí)時采集不同高度的溫度。使用JF24D?B無線傳輸模塊將信號送至ARM7控制系統(tǒng)。監(jiān)控端通過無線信號接收并解析，在μClinux下進(jìn)行進(jìn)程調(diào)度和數(shù)據(jù)處理，并通過Python完成數(shù)據(jù)圖表的實(shí)時顯示，便于用戶查看當(dāng)前溫度做出正確決策。

關(guān)鍵詞： 溫度采集； JF24D?B； ARM7； μClinux； Python

中圖分類號： TN911?34； TP274+.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）02?0095?03

0 引 言

在工業(yè)現(xiàn)場，生產(chǎn)環(huán)境惡劣，不能長時間停留在現(xiàn)場采集溫度數(shù)據(jù)，而有限傳輸具有溫度檢測難、可操作性差。高科技農(nóng)業(yè)現(xiàn)場，采集溫度時，布線困難復(fù)雜，成本高。為解決以上困難，采用無線方式。常用的無線方式為433 MHz小無線、ZigBee、CDMA/GPRS、3G等方式，考慮到性價比和現(xiàn)場情況，本系統(tǒng)采用JF24D?B完成無線收發(fā)。為了采集不同高度的溫度，可在不同高度安置無線網(wǎng)絡(luò)傳感器。但考慮到成本和傳感器的電源替換問題，采用簡易螺旋直升機(jī)升降不同高度來采集溫度。通過控制直升機(jī)的升降讓它達(dá)到測量高度進(jìn)行溫度測量并傳送控制單元處理，測量完畢返回便于無線傳感器的維護(hù)。

1 總電路設(shè)計

為了采集高空溫度，采用了簡易螺旋直升機(jī)，內(nèi)置由AT89C51單片機(jī)、DS1820數(shù)字芯片，可實(shí)時采集不同高度的溫度。并通過JF24D?B模塊將信息送至ARM7開發(fā)板，ARM7開發(fā)板用于數(shù)據(jù)顯示和數(shù)據(jù)處理，JF24D?B用于數(shù)據(jù)獲取和命令下達(dá)，控制直升機(jī)的升降。在ARM開發(fā)板上通過μClinux系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，軟件同時在RHEL 4.0上進(jìn)行編譯和處理。本設(shè)計選取對業(yè)界通用的C語言指令、Shell指令和Python指令。C語言指令主要是用于單片機(jī)AT89C51的驅(qū)動編程；Shell指令主要是用于ARM7開發(fā)板上的數(shù)據(jù)處；Python指令主要是用于數(shù)據(jù)圖像顯示。采用這幾個指令的原因是占用的空間小、執(zhí)行速度快、兼容性強(qiáng)。

系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

2 基于單片機(jī)的溫度采集無線傳感器模塊

2.1 硬件電路設(shè)計

硬件電路采用AT89C51單片機(jī)進(jìn)行控制。采用DS18B20進(jìn)行溫度采集。采用JF24D?B[1]進(jìn)行無線模塊的發(fā)送和接收，JF24D?B是一款低成本，小體積，高性能的全雙工無線通信模塊。控制直升飛機(jī)的升降采用另外一個無線模塊。溫度采集模塊中，單片機(jī)P1.0管腳連接DS18B20的DQ，用于采集現(xiàn)場溫度，P2口連接無線模塊JF24D?B。

2.2 基于單片機(jī)的溫度采集系統(tǒng)軟件設(shè)計

首先對程序的初始化，完成DS18B20和JF24D?B無線傳輸模塊的初始化狀態(tài)的設(shè)定。采用定時中斷，每隔10 s采集一次溫度，并進(jìn)入發(fā)射模式。

單片機(jī)發(fā)給JF24D?B無線發(fā)送模塊發(fā)射指令，同時LED2閃爍，隨之進(jìn)入接收模式。單片機(jī)等待ARM7發(fā)來的應(yīng)答信號20 ms，如果器件收到應(yīng)答，則LED1閃爍。器件沒有收到應(yīng)答則再發(fā)送無線模塊發(fā)射指令。主程序及中斷程序設(shè)計框圖如圖2，圖3所示。

3 基于ARM7的無線接收與控制模塊

3.1 ARM7簡介

ARM7是32位通用微處理器ARM（Advanced RISC Machines）家族中的一員，具有比較低的電源消耗和良好的性價比，基于（精簡指令）RISC結(jié)構(gòu)，擁有比較高的指令處理能力和實(shí)時中斷響應(yīng)能力。ARM指令集由于應(yīng)用了流水線技術(shù)，指令處理和存儲系統(tǒng)的各個部分都可以連續(xù)運(yùn)行，提高運(yùn)行速度。采集到的溫度數(shù)據(jù)通過無線傳送模塊送至ARM7處理，提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理能力，便于完成與用戶友好交互界面顯示。

3.2 JF24D?B無線傳輸模塊的信號解析

進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸就必須遵循一定的協(xié)議，在該設(shè)計中使用的JF240?B無線傳輸模塊使用的是Modbus協(xié)議來進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸和解析。Modbus協(xié)議規(guī)定了消息、數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)、命令和應(yīng)答方式，數(shù)據(jù)通信采用MASTER/SLAVE方式，MASTER端發(fā)出數(shù)據(jù)請求消息，SLAVE端接收到正確消息后就發(fā)送數(shù)據(jù)到MASTER端也可直接發(fā)消息修改SLAVE端的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)雙向讀寫。

為了將直升機(jī)上的JF24D?B和控制器上的JF24D?B相互關(guān)聯(lián)需要將節(jié)點(diǎn)映射為Modbus設(shè)備及其寄存器，即建立地址映射表。Modbus串行鏈路PDU提供了地址域，即Modbus地址[2]。地址映射表被建立后以鏈表的形式存在內(nèi)存中，每個節(jié)點(diǎn)定義為相應(yīng)的結(jié)構(gòu)體類型。

3.3 μClinux進(jìn)程調(diào)度[3?4]

通過進(jìn)程調(diào)度的策略選擇下一個要執(zhí)行的進(jìn)程：首先對所有進(jìn)程進(jìn)行檢測，喚醒任何一個得到信號的進(jìn)程，即改變進(jìn)程的state屬性；然后根據(jù)時間片和優(yōu)先級調(diào)度機(jī)制來計算處于就緒隊(duì)列中每個進(jìn)程的綜合優(yōu)先級，其計算方法由goodness（）函數(shù)實(shí)現(xiàn)；接著選擇綜合優(yōu)先級最高的進(jìn)程作為隨后要執(zhí)行的進(jìn)程，若就緒隊(duì)列中沒有可調(diào)度的，則重新分配時間片，即改變進(jìn)程的counter屬性值，并利用switch_to（）函數(shù)進(jìn)行進(jìn)程切換。

3.4 μClinux中的socket處理JF24D?B數(shù)據(jù)

通過JF24D?B完成點(diǎn)對點(diǎn)的數(shù)據(jù)通信，會在兩點(diǎn)之間建立一個網(wǎng)絡(luò)通信機(jī)制，當(dāng)然在這個機(jī)制同時還需要Modbus協(xié)議的協(xié)助。網(wǎng)絡(luò)的socket數(shù)據(jù)傳輸是一種特殊的I/O，socket也是一種文件描述符。socket（）函數(shù)返回一個整形的socket描述符，隨后的連接建立、數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔僮鞫际峭ㄟ^socket實(shí)現(xiàn)的。經(jīng)常用的socket類型有兩種：一種是流式socket：SCOK_STREAM；另一種是socket：SOCK_DGRAM。在該設(shè)計中，使用的是SOCK_STREAM的類型進(jìn)行數(shù)據(jù)連接傳輸應(yīng)用。socket在實(shí)際應(yīng)用中的設(shè)計流程圖如圖4所示。

3.5 Python讀取數(shù)據(jù)并顯示[5]

將socket處理完成的數(shù)據(jù)存放在sqlite中，在此需要對sqlite進(jìn)行操作，將數(shù)據(jù)讀取出來之后進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示，繪制圖表。為了讓數(shù)據(jù)能夠完全的同步，需要將Python與sqlite數(shù)據(jù)庫進(jìn)行鏈接。具體的連接步驟如下：找個Pysqlite，這是Python訪問sqlite的接口，網(wǎng)址為http：//initd.org/tracker/pysqlit，根據(jù)自己的Python版本選用Pysqlite 2.3或2.4。編寫程序，顯示圖表。在ARM7中顯示的當(dāng)前溫度和不同高度溫度圖表如圖5，圖6所示。

4 結(jié) 論

采用基于51單片機(jī)的溫度采集系統(tǒng)簡單，使用JF24D?B無線傳輸模塊，其協(xié)議可共享開放源代碼，并解決了315 MHz和433 MHz無法解決的同頻干擾問題。控制器采用ARM7系統(tǒng)，通過無線信號解析和接收，在μClinux下進(jìn)行進(jìn)程調(diào)度和數(shù)據(jù)處理，并通過Python完成數(shù)據(jù)圖表的顯示。整個系統(tǒng)具有成本低、可靠性高、可讀性強(qiáng)，有效地解決了對不同高度的溫度采集控制問題。

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