基于三星ARM A8的智能實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙剛+何博+曾智+黃浩+王陸強(qiáng)

摘要：智能家居在我們的生活中是越來(lái)越發(fā)展起來(lái)了，隨著智能家居的發(fā)展，在我們實(shí)驗(yàn)室方面也可以借鑒智能家居的發(fā)展。智能實(shí)驗(yàn)室是利用先進(jìn)的科學(xué)計(jì)算機(jī)技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)等將實(shí)驗(yàn)室的各種子系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合在一起，通過(guò)統(tǒng)籌管理，讓我們的實(shí)驗(yàn)室能安全、舒適、有效的利用，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通訊技術(shù)的發(fā)展，以及嵌入式的日漸完善，智能實(shí)驗(yàn)室也是時(shí)代開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)，而嵌入式系統(tǒng)具有體積較小，功能強(qiáng)大，可靠性高等特點(diǎn)，被廣泛的應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域。所以結(jié)合智能家居的發(fā)展和嵌入式的研究，與我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室應(yīng)用方面的需求，提出了智能實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。智能實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)如下：（1）搭建實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)關(guān)硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，android系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)；（2）掌握android平臺(tái)上的底層開(kāi)發(fā)，讀取串口數(shù)據(jù)；（3）搭建嵌入式web服務(wù)器，結(jié)合SQLite結(jié)構(gòu)一個(gè)輕量級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)開(kāi)發(fā)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)；（4）各個(gè)實(shí)驗(yàn)室組內(nèi)部組網(wǎng)系統(tǒng)，利用TI公司的CC2530的zigbee模塊來(lái)做無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)做無(wú)線傳感器的硬件開(kāi)發(fā)，最終實(shí)現(xiàn)用戶的遠(yuǎn)程web訪問(wèn)智能實(shí)驗(yàn)室的網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)；（5）在各個(gè)實(shí)驗(yàn)室安裝安防模組硬件設(shè)施，主要是以STM32+CC2530作為數(shù)據(jù)采集和傳輸，以及氣體監(jiān)控，溫濕度監(jiān)控，火焰控制等功能。

關(guān)鍵詞：智能實(shí)驗(yàn)室Android；CC2530；Web實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)STM32

1引言

發(fā)展智能實(shí)驗(yàn)室是社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的必然條件，智能實(shí)驗(yàn)室是實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)室的實(shí)時(shí)監(jiān)控，管理和利用，能夠舒適、安全、有效實(shí)時(shí)的對(duì)所控制的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行管理。我們智能實(shí)驗(yàn)室利用STM32單片機(jī)（STM32單片機(jī)具有成本低，功能強(qiáng)大，可編程容易，體積小，功耗低等優(yōu)勢(shì)）作為我們各個(gè)實(shí)驗(yàn)室子系統(tǒng)的發(fā)送控制端，我們ARM8開(kāi)發(fā)板作為我們的主機(jī)利用串口讀取zigbee數(shù)據(jù)來(lái)有效接收子系統(tǒng)的狀況和控制子系統(tǒng)。

在ARM8的開(kāi)發(fā)板上我們利用Aandroid的控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和數(shù)據(jù)庫(kù)SQLite以及搭建嵌入式Web服務(wù)器等有機(jī)結(jié)束構(gòu)建一個(gè)輕量級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)遠(yuǎn)程開(kāi)發(fā)控制系統(tǒng)。我們利用ARM8開(kāi)發(fā)板來(lái)編寫(xiě)控制界面和數(shù)據(jù)處理，并將有效數(shù)據(jù)分享Web服務(wù)器讓遠(yuǎn)程能夠?qū)崟r(shí)的檢測(cè)我們系統(tǒng)的信息，并且利用讀取Web我們主機(jī)ARM8開(kāi)發(fā)板能夠有效的讀取遠(yuǎn)程用戶的控制信息，這樣能夠有效的實(shí)驗(yàn)用戶遠(yuǎn)程監(jiān)控與控制。

通過(guò)MQ-5液化氣檢模塊達(dá)到對(duì)天然氣、煤氣、酒精氣體等氣體檢測(cè)和煙霧等電氣參數(shù)的采集，之后通過(guò)AM2305溫濕度傳感器采集溫度和濕度，AM2305主要通過(guò)單總線通訊協(xié)議的方式采集數(shù)據(jù)，因其具有校準(zhǔn)功能，所以采集到的數(shù)據(jù)十分準(zhǔn)確。利用火焰?zhèn)鞲衅髂K可以檢測(cè)火焰或者波長(zhǎng)在760納米～1100納米范圍內(nèi)的火焰，探測(cè)角度60°左右，對(duì)火焰光譜特別敏感，利用比較輸出、信號(hào)干凈、波形好、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、超過(guò)15mA等優(yōu)勢(shì)，通過(guò)以上模塊將所需要的參數(shù)采集到，通過(guò)無(wú)線傳輸?shù)姆绞絺鬏數(shù)娇刂葡到y(tǒng)，在手機(jī)上可以讀出所采集到的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。所以，實(shí)現(xiàn)智能實(shí)驗(yàn)室的數(shù)的監(jiān)測(cè)，及時(shí)掌握實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的運(yùn)行情況。

2 液化氣體采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)通過(guò)MQ-5液化氣檢模塊達(dá)到對(duì)天然氣、煤氣、酒精氣體等氣體檢測(cè)和煙霧等電氣參數(shù)的采集，采用工業(yè)級(jí)專業(yè)電能計(jì)算芯片，對(duì)氣體信號(hào)進(jìn)行采集，通過(guò)高速處理器讀出計(jì)量芯片提供的參數(shù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、處理、儲(chǔ)存。MQ-5傳感器對(duì)丁烷、丙烷、甲烷靈敏度高，對(duì)甲烷和丙烷可較好的兼顧，這種傳感器可檢測(cè)多種可燃?xì)怏w，特別是液化氣（丙烷），是一款適合多種應(yīng)用的低成本傳感器。在較寬的濃度范圍內(nèi)可對(duì)可燃?xì)怏w有較好的靈敏度：

3溫濕度采集

一種擁有溫濕度結(jié)合以及準(zhǔn)確數(shù)字信號(hào)的測(cè)量的護(hù)額型傳感器AM2305，它是一款數(shù)字溫濕度傳感器。它擁有專門(mén)的溫濕度傳感和數(shù)據(jù)采集技術(shù)，使產(chǎn)品擁有高性能的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和卓越的可靠性。有一個(gè)測(cè)溫器件和一個(gè)電容式感濕器件組成的傳感器，并且連接一個(gè)8位單片機(jī)。校準(zhǔn)系數(shù)都是經(jīng)過(guò)程序儲(chǔ)存在OTP中的，檢測(cè)信號(hào)和處理比較準(zhǔn)確。單總線接口形式，令傳感器系統(tǒng)的合成顯得十分便捷。信號(hào)的傳輸距離在20米左右和較小的體積和功耗是各種應(yīng)用場(chǎng)合上的最佳選擇。

3.1電氣特性

VDD=5V，T=25℃，特殊情況：

注：采樣間隔不低于2秒

3.3單總線通訊協(xié)議

單總線的通訊方式和其他的通訊方式大致相同，為了保證數(shù)據(jù)的完整性對(duì)于通訊協(xié)議比較嚴(yán)格。單總線芯片在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，每個(gè)單總線芯片都擁有唯一的地址，系統(tǒng)主機(jī)一旦選中某個(gè)芯片，就會(huì)保證通信連接直到復(fù)位，其他器件則全部脫離總線，在下次復(fù)位之前不參與任何通信[1]。

3.3.1單總線通信信號(hào)類型

單總線通訊有以下幾種，主機(jī)的復(fù)位脈沖、從機(jī)的應(yīng)答脈沖、寫(xiě)0、寫(xiě)1、讀0和讀1。

下面就單總線的兩種寫(xiě)時(shí)隙寫(xiě)0和寫(xiě)1進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹。主要有主機(jī)寫(xiě)入1和0傳入到從機(jī)相應(yīng)的1和0。每次的寫(xiě)時(shí)隙有60us的間隔。1時(shí)隙的產(chǎn)生方式：主機(jī)拉低總線后，接著必須在15us之內(nèi)釋放總線，由上拉電阻將總線拉至高電平；主機(jī)先將總線拉底，在15us內(nèi)釋放，將總線拉倒高電平。0時(shí)隙的產(chǎn)生方式為在總線被拉低后，一直保持低電平。（至少60us）。下圖給為寫(xiě)時(shí)隙（包括1和0）時(shí)序的圖形解釋。

3.3.2單總線通信的初始化

初始化序列是所有在單總線上的通信的開(kāi)始，初始化序列包括復(fù)位脈沖和應(yīng)答脈沖。黑色實(shí)線代表系統(tǒng)主機(jī)拉低總線，灰色實(shí)線代表從機(jī)拉低總線，而黑色的虛線則代表上拉電阻極愛(ài)那個(gè)總線拉高[2]。復(fù)位與應(yīng)答脈沖的工作情況如下圖：

4軟件設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

4.1STM32單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)啟動(dòng)之后，由STM32單片機(jī)通過(guò)安裝在實(shí)驗(yàn)室硬件上的傳感器采集所需要的參數(shù)值，之后利用zigbee無(wú)線傳輸模塊進(jìn)行對(duì)數(shù)據(jù)的輸送，將其傳輸?shù)街鳈C(jī)上達(dá)到對(duì)各種參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。利用上述方法達(dá)到預(yù)期的功能，實(shí)現(xiàn)智能實(shí)驗(yàn)室控制的目的。endprint

程序流程框圖如圖4所示：

4.1客戶機(jī)/服務(wù)器通訊的實(shí)現(xiàn)

1服務(wù)器的開(kāi)發(fā)

（1）服務(wù)器端實(shí)現(xiàn)對(duì)主機(jī)某個(gè)端口的不斷監(jiān)聽(tīng)，并不斷的接受客戶機(jī)的連接請(qǐng)求，當(dāng)受到連接后打印客戶信息的并向客戶端完成一次服務(wù)。

（2）使用readUTF方式的DataInputStream處理流的提供的方法，功能為讀取滿足UTF格式的字符串。并使用writeUTF方法為DataOutputStream處理流提供的方法，功能為寫(xiě)出滿意足UTF格式的字符。在一般的的網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生學(xué)消息都在發(fā)送端用writeUTF方法寫(xiě)，在接收端用writeUTF方法寫(xiě)，在接收端使用readUTF方法讀取這樣程序的兼容性強(qiáng)，不容易受到亂碼。

2客戶機(jī)的開(kāi)發(fā)

（1）客戶端用于對(duì)某個(gè)固定IP的服務(wù)器進(jìn)行連接，接著向服務(wù)器發(fā)送一條消息，最后接受服務(wù)器返回的消息并打印。

（2）為了與服務(wù)器對(duì)應(yīng)，發(fā)送消息還要用DataInputStream的writeUTF方法。同時(shí)應(yīng)該注意的兩邊的首發(fā)順序是互逆的，服務(wù)器先收后發(fā)，客戶機(jī)先發(fā)后收。

6結(jié)束語(yǔ)

本次項(xiàng)目的模擬裝置能基本實(shí)現(xiàn)傳感器值的采集、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，能及時(shí)準(zhǔn)確的系統(tǒng)中各種參數(shù)的變化情況。整個(gè)系統(tǒng)成本低，操作簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)顯示穩(wěn)定、及時(shí)、精確。同時(shí)利用MQ-5煙霧模塊、AM2305溫濕度傳感器、火焰?zhèn)鞲衅骺梢允顾杉臄?shù)據(jù)十分的精準(zhǔn)。此項(xiàng)目的開(kāi)展也對(duì)智能實(shí)驗(yàn)室的數(shù)據(jù)采集方面有現(xiàn)實(shí)意義。

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作者簡(jiǎn)介：趙剛（1993-），男，四川南充人，本科，主要從事基于ARM開(kāi)發(fā)板的智能實(shí)驗(yàn)室軟件界面設(shè)計(jì)以及ARM開(kāi)發(fā)板的底層驅(qū)動(dòng)的編寫(xiě)。

通訊作者：李富鋼，本科，實(shí)驗(yàn)師，主要從事智能控制領(lǐng)域。

項(xiàng)目資助：樂(lè)山市科技局重點(diǎn)研究項(xiàng)目。endprint