高寒環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與研究*

王　立　雷　斌

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

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高寒環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與研究*

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)合藍牙、安卓平臺完成對所需觀測量的采集、解析、實時顯示、存儲、遠程上報功能以及對測量數(shù)據(jù)統(tǒng)計、查詢。由設(shè)備測量到的數(shù)據(jù)和人工測量值進行對比。經(jīng)過驗證，證明了此測量系統(tǒng)的正確性以及在工業(yè)生產(chǎn)中的實用性。

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)測手段，但是人工監(jiān)測已經(jīng)無法滿足大規(guī)模的凍土監(jiān)測。為了及時準(zhǔn)確地獲取凍土的相關(guān)特性信息，對其進行實時監(jiān)測尤為重要。凍土的實時監(jiān)測不僅能夠?qū)崟r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，尤其是對凍土區(qū)的道路安全性進行評估，給相關(guān)部門針對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通過藍牙聯(lián)合安卓平臺對野外環(huán)境溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計。

2設(shè)計思想

該監(jiān)測系統(tǒng)由現(xiàn)場監(jiān)測站、Android兩大部分組成。一方面測站自動采集各種監(jiān)測數(shù)據(jù)，并通過無線網(wǎng)絡(luò)自動傳輸給監(jiān)測中心，在中心完成數(shù)據(jù)的整理、存儲、檢索、分析；另一方面，利用安卓平臺，可以通過藍牙實時對數(shù)采儀進行配置，并且實時顯示測量結(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)值并形成觀測記錄保存，在適當(dāng)?shù)臅r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，由上位機根據(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)進行計算得到各種觀測物理量數(shù)據(jù)，并進行存儲、檢索、分析、統(tǒng)計。整個系統(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

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

圖2　監(jiān)測系統(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傳輸?shù)街骺啬K，對采集到的信號進行分析與處理[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通過前置放大電路，濾波電路，二級放大電路，A/D轉(zhuǎn)換電路將采集到的電信號轉(zhuǎn)化為計算機可以直接處理的數(shù)字量[8～12]。

3.3遠傳模塊

傳感器采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過信號預(yù)處理系統(tǒng)的處理，傳輸給主控芯片，主控芯片對接收到的數(shù)據(jù)進行處理。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。

4測試系統(tǒng)

本設(shè)計是基于Android系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)應(yīng)用設(shè)計[13～14]。在Android系統(tǒng)中，運用Java語言進行網(wǎng)絡(luò)編程，通過藍牙串口通信實現(xiàn)PC端、開發(fā)板和Android手機之間的通信，在PC端和Android端實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸解析通信，并通過手機實現(xiàn)對開發(fā)板的測量控制。

4.1軟件設(shè)計流程圖

本軟件的基本流程圖如圖3所示，在進入配置時需要和數(shù)采儀的藍牙進行配對連接，如果連接成功進行校時，如果失敗則重新進行配置；在立即測量則會和數(shù)采儀進行通信，傳輸采集數(shù)據(jù)；讀取數(shù)據(jù)時會進行數(shù)據(jù)解析并且保存收到的所有數(shù)據(jù)；上報則會將所收到的所有數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器。同時在配置成功會有60s的輸入等待，如果無輸入指令則會退出關(guān)機。

圖3　軟件設(shè)計流程圖

4.2系統(tǒng)基本功能測試

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

圖4　測試數(shù)據(jù)顯示界面

實驗開始，需要進行對數(shù)采儀的藍牙進行搜索連接，輸入配對密碼，完成參數(shù)的配置。Android終端與設(shè)備藍牙鏈接成功方可繼續(xù)進行操作?；拘畔⒔缑?，包含校時、讀取基本信息、立即測量上報和退出等功能。圖4顯示本次測試時間為2015年6月19日7:16:30，終端編號即數(shù)采儀編號為綜合數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(339F)。

如圖4所示為Android終端通過對數(shù)采儀進行立即測量指令，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，測試頭電阻值。安卓終端對采集到的數(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，同時可以將數(shù)據(jù)保存在本地進行操作。

5結(jié)果

在溫濕度采集系統(tǒng)設(shè)計完成后，用以下兩種測試方案對其結(jié)果進行分析，進而驗證該系統(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常溫下測量結(jié)果分析

測試方案：

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

測試方案：

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

2)選取單個航插進行測試，單個阻值測量20次，統(tǒng)計并分析數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性；

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

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

圖5　常溫條件下測試數(shù)據(jù)精度

如圖6所示為常溫條件下測試數(shù)據(jù)穩(wěn)定性，橫軸代表測試頭的1～18針。測試數(shù)據(jù)未顯示偏離數(shù)據(jù)較大的偏差，穩(wěn)定性較好。通過常溫下測量結(jié)果的數(shù)據(jù)分析，該系統(tǒng)的測量最大偏差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超低溫下測量結(jié)果分析

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

圖6　常溫條件下測試數(shù)據(jù)穩(wěn)定性

圖7　超低溫條件下測試數(shù)據(jù)精度

如圖8所示為超低溫條件下測試數(shù)據(jù)穩(wěn)定性，橫軸代表測試頭的1～18針?？v軸為二十次測量值測試數(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　超低溫條件下測試數(shù)據(jù)穩(wěn)定性

高寒環(huán)境對精度和穩(wěn)定性的要求更高，本系統(tǒng)測試模擬高寒環(huán)境進行測試，實現(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)過實際驗證，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，具有很強的實用性。

參 考 文 獻

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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