基于嵌入式平臺的房間溫度場實時繪制系統

周奕++仇潤鶴

摘 要：介紹了一種基于嵌入式的房間溫度場實時繪制系統，整個系統由分布房間中的采集節點、現場采集終端和遠程數據中心組成。首先采集節點采集房間溫度信息，經過現場采集終端的中轉和遠程數據中心通信，數據中心處理溫度位置數據，將溫度信息進行實時的可視化，即繪制溫度場，反映一個時間段中的溫度場變化。通過介紹采集節點的設計、現場采集終端設計和溫度場繪制方法，并使用Labview軟件，采用溫度場繪制方法，繪制出形象的溫度場圖形。通過測試驗證系統應用的可靠性和溫度場圖形繪制的準確性。

關鍵詞：嵌入式系統；溫度場；短距傳輸技術；Labview

中圖分類號：TP73 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）05-0004-02

溫度在一定程度上反映了物體內能的變化，而溫度場的動態量的測量是對物體內部能量的變化、熱能傳遞方向和大小進行判斷、計算，還可以根據熱平衡方程和邊界條件得到試樣的導熱系數、導溫系數等熱物性參數。

該系統采用的測量方法是通過在一壓力區域內傳感器陣列獲取各測試點上的溫度值，最后再通過上位機對這些溫度值進行實時處理，得到相應區域各個時刻的溫度場。與現有的溫度場測量技術相比，這種新方法的溫度場測量速度更快、準確性更高、裝置的研制難度低，完全滿足溫度場的測試要求，并能夠實時地反映一段時間內溫度場的變化。

該系統是一套多點溫度測試系統，其中每個采集點相對獨立。此外，采集點的數量不僅與測試系統的成本有關，同時直接影響測量精度。因此，在壓力場測試時傳感器陣列的布放要求布局合理。

遠程數據中心的服務器解釋前端數據，首先在軟件上構筑測試房間的幾何模型，根據期望計算精度劃分網格，在模型上定位測試點的空間位置，軟件將根據位置參數自動計算各個測試點應當歸屬的計算網格，最后繪制出溫度場圖形。

1 系統設計

基于嵌入式平臺的房間溫度場繪制系統是由房間布放的采集節點、現場采集終端和遠程數據中心三級結構組成，級與級之間通過短距傳輸無線網絡和GPRS網絡傳輸數據，其系統結構如圖1所示。

1.1 采集節點設計

采集節點設計如圖2所示。

節點選用STM32F103嵌入式芯片，該芯片具有指令執行速度快、集成度高等特點。通過SPI口訪問無線收發模塊，溫度傳感器信號經過嵌入式芯片的A/D轉換模塊轉換成數字信號，再經過線性變換轉換成實際溫度值。

節點處理的具體步驟如下：①通過PT100溫度傳感器，將房間溫度信息轉化成電壓信號，接著A/D轉化模塊將電壓信號轉化成數字信號；②傳輸到處理芯片進行數據處理；③將處理后的溫度信息通過SPI接口存入SD卡中，同時通過短距傳輸模塊傳輸到現場采集終端。

圖1 基于嵌入式平臺的房間溫度場 圖2 采集節點設計框圖

繪制系統結構

1.2 現場采集終端設計

現場采集終端設計如圖3所示。

圖3 現場采集終端設計框圖

現場采集終端在整個系統中起到核心作用，它不僅要收集采集節點的溫度信息，還要將數據發送出去。

在收集采集節點的數據時，采用了ADF7021收發模塊，是實現無線數據傳輸的關鍵器件，該器件融合了En-hancedShoekBurst 技術。接著將數據通過SPI接口傳輸到處理芯片進行處理，最后將數據通過UART串口發送到GSM模塊。終端采用了SIMCOM公司的工業級雙頻GSM/GPRS模塊——SIM900A，通過GPRS網絡將數據傳輸到遠程數據中心。

1.3 遠程數據中心設計

遠程數據中心運用Labview開發人機交互友好界面，使用TCP/IP協議建立SOCKET連接，與現場采集終端的GSM模塊進行通信，并配合專業軟件實現溫度的實時可視化。

在實現溫度的可視化過程中采用了獨特的繪制方法。在軟件上構筑測試平面的幾何模型，根據期望計算精度劃分網格，在模型上定位測試點的空間位置，軟件根據位置參數自動計算各個測試點應當歸屬的計算網格。

測試數據的獲取時間間隔和探頭的響應時間應當遠遠小于測試數據變化的時間常數。因此，在每一時刻溫度場的計算過程中，可以將此時刻的溫度場近似為穩態過程，以簡化計算。

算法把空間分為有限數目的網格單元，將微分方程變換為差分方程，通過數值計算直接求取各網格單元節點的溫度，最常見的網格劃分及對應的差分方程如圖4所示。但與其他算法不同的是，本算法將測試數據作為邊界條件，直接約束迭代計算過程，達到期望的結果。溫度場計算的準確程度取決于測試點的多少和是否放置在特征點上，真正實現了測試點越多，越能理解物體的本質；當測試點密集到一定程度，則測點位置已不重要，計算結果都能反映真實情況。如果測試點有限，而根據測試數據算出的溫度場/濃度場不合常理，這說明測試點位置有可能有問題，不在特征點上。因此，溫度場繪制方法可以幫助完善測試點位置的選擇。

2 測試與分析

通過現場采集終端的實時采集，可以在遠程數據中心實時得到各個采集點的溫度數據變化，下表1為10：11—14：11每隔1 h的房間內9個溫度采集點的溫度數據變化。

表1 9個溫度采集點的溫度數據變化表

利用遠程計算機處記錄采集的9個點的溫度信息以及它們的位置坐標，首先采用溫度場繪制方法構筑測試平面的幾何模型，根據期望計算精度劃分網格，在模型上定位測試點的空間位置。根據位置參數自動計算各個測試點應當歸屬的計算網格，最后為每個點配以不同的配色方案繪制每個時刻房間的溫度場圖片。圖5為10：11—14：11內每隔1 h測試房間內的溫度場變化。

從溫度場的變化來看，10：11—13：11的溫度場整體顏色有淺變深，表明房間溫度從上午到中午不斷上升，可見空氣源熱泵系統開始運行，使房間不斷加熱。而從13：11后溫度場整體顏色由深變淺，表明房間溫度到了下午有不斷下降的趨勢；最后顏色分布均勻，表明空氣源熱泵系統能夠按照控制要求控制房間溫度。整個過程表明該空氣源熱泵系統設計能夠按照控制要求控制室內溫度，控制時間需要4 h左右。對于溫度場中出現的溫度奇點，主要是由兩個原因造成：①由于溫度場算法采用連續性方程，需要特征點，而圖中的奇點即特征點；②圖中奇點表明空調系統送風路徑及其送風大小變化，比如從13：11和14：11時的情況可以看出，空調系統送風口位于房屋一角，同時可以看出隨著房間溫度達到控制值，送風量越來越小。