基于物聯網自制綜合實驗系統的設計與實現

郭陽勇　張軒愷　王嬡琳　張仁杰

摘要：為保障物聯網專業綜合實驗的需求，設計了物聯網綜合實驗系統。該系統通過多路重量傳感器采集模型飛機的重量，結合模數轉換及單片機處理后連接到系統主機，通過主機軟件對數據進行計算處理，實現對模型飛機重量和重心的測量與計算。經過使用測試，該系統運行穩定性高，測量精準度高，提供多開發接口與配套實驗，滿足了物聯網相關課程與創新創業教育的要求。

關鍵詞：物聯網實驗系統;自制實驗系統;重心與重量;創新創業教育

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）20-0213-03

由于實驗設備及實驗系統研發難度較大、研發周期較長等特點，多數高校的實驗相關設備與系統一般來自第三方，通過教師自主研發的較少。采用第三方實驗設備及系統，與高校實驗教學關聯性與針對性不強，往往不能滿足實驗教學的需求。針對以上問題，本文提出了通過教師自主設計開發一款基于物聯網的綜合實驗系統，系統與物聯網相關課程實驗相結合，滿足實驗實訓的要求，同時能夠滿足創新創業教育與教學的需求。

本文對基于物聯網的綜合實驗系統原理進行了研究，根據物聯網實驗課程及創新創業教育需求，結合軟硬件系統開發流程，提出了該系統的系統架構、功能模塊、軟硬件設計與實現、系統測試、課程實驗項目開發等，并研發了樣機及軟件平臺。

1物聯網自制綜合實驗系統特點

1）通過三點支撐測量方法實現對模型飛機重量測量。通過對模型飛機重量的實時采集，實現對模型飛機的重心與重量的測量。在稱重采集單元，物聯網自制綜合實驗系統通過三點支撐測量方法實現對模型飛機重量測量，重量等于三個支撐點之和[1]。模型飛機的重心與飛機的結構有關，本設計的模型飛機選擇斗機如殲10為實驗對象，通過三點支撐建立坐標系，通過各個支撐點采集到的重量，根據力矩平衡原理，測量進行模型飛機重心計算。通過兩種狀態下的測量，得到模型飛機的重心，一是水平狀態下的測量，即三稱重支撐點處于同一水平位置，通過稱重測量并計算后得到水平狀態下的二維（水平）重心坐標;二是抬高模型飛機機頭所在稱重支撐位置，通過稱重并結合水平稱重狀態點的參數，計算得到狀態下的三維（垂直）重心坐標[2]。

2）系統硬件開發板為開展實驗提供豐富的接口，并提供軟件二次開發程序。學生能夠完成單片機系統、短距離無線有線通信技術、傳感器技術、程序開發與設計等課程相關的實驗，可以在實驗系統的基礎上開展系統軟硬件的擴展與二次開發。

3）系統提供多終端數據輸出。系統開發了PC端C/S應用程序、安卓手機端APP以及液晶屏輸出等實驗應用軟件。通過主機的計算處理，在終端用戶可以實現對模型飛機重心重量測量參數的設置、數據的管理等。

在模型飛機的設計中，一般以模型飛機機體坐標系為主，其重心計算和測量結果要求在機體坐標系中給出，因此根據以上公式測量的模型飛機實際重心位置，最后需要通過幾何方法轉換到模型飛機機體坐標系上表示。

2系統設計

2.1系統總體架構

物聯網自制綜合實驗系統總體架構如圖1所示。包括四部分，一是稱重硬件模塊，該部分是本系統的核心，通過本模塊實現采集模型飛機的重量信息并轉化成數據信息;二是系統主機，實現對重心重量的處理、計算、控制及存儲;三是安卓手機端APP，實現對重心重量的手機端處理、計算與控制;四是LCD顯示端，直接連接稱重硬件模塊，顯示重量等屬性信息。通過稱重硬件模塊單元的串口或者WIFI單元實現與主機的通信，主機應用程序處理稱重數字信息，并計算重心數據，同時可以實現對稱重硬件模塊單元的管理與控制。安卓手機端的APP程序通過WIFI或者藍牙通信實現與稱重硬件模塊單元的交互，具有同主機相同的管理、控制、存儲等功能[3]。

2.2系統的功能模塊

系統包括稱重硬件單元、主機單元以及手機APP單元，如圖2所示。稱重硬件單元包括稱重傳感器、數模轉換模塊、微處理器單元、通信模塊、電源模塊等，實現重量數據采集、轉換及處理;主機單元包括設置參數、功能單元、存儲單元及打印單元等功能模塊，實現重心重量的計算、控制、設置、存儲、打印等功能;手機App單元與主機單元類似，包括設置參數、功能單元、存儲單元及打印單元等功能模塊，通過手機端實現對重心重量信息的處理、控制及管理。

稱重硬件部分包括，一是傳感器部分，實現重量數據采集;二是模數轉換部分，實現重量電壓模擬信號轉換為數字信號;三是控制處理部分，實現重量的計算處理及系統數據的存儲管理;四是通信部分，主要指微控制單元與上位機即主機與手機端主控制器的通信，包括ZigBee、藍牙、WiFi、串口等通信方式;五是電源部分，為了保證便攜式系統能夠在無交流電環境下正常工作，由電源控制單元為系統提供兩路電源，一是直接提供電源適配器，二是通過蓄電池組供電。

2.3系統工作原理與過程

通過模型飛機機翼兩側的支撐點重量傳感器采集兩路重量信號，同時通過安裝在支撐點舉升模型飛機頭部的傳感器感知模型飛機機頭重量信號，并輸出至數模轉換模塊實現數據采集和A/D轉換，然后將該信號傳給微處理器單元，微處理器單元對采集到的重量數字信號進行分析、計算與處理，在LCD顯示屏顯示當前計算結果。為了實現重心數據的測量以及系統相關數據的管理，通過主機單元對數據進行進一步分析、計算、處理、存儲及打印，并將處理的模型飛機重量和重心數據輸出至連接主機的顯示屏。為了實現安卓手機對系統的管理與控制，通過安卓手機App對采集的數據進行分析、計算、處理與存儲，并實現采集及處理重量與重心數據的實時顯示。

3系統設計與實現

3.1系統硬件設計

本系統主要實現模型飛機重量及重心測量和管理，在稱重端LCD屏顯示系統實時測量重量等參數，系統主機或者手機端計算處理重量和重心等數據，系統硬件部分主要包括稱重感應采集、模數轉換、微處理控制單元、通信、電源等模塊。

（1）數據采集模塊設計

重量感應采集采用電阻應變式壓力傳感器，該傳感器具有靈敏度高、精度高等特點。其測量原理是通過被測點壓力的變化，進而轉化為阻值的改變，進一步轉化為電壓的變化，最終輸出電壓參數，輸出靈敏度達到1.0+0.15mV，單個傳感器量程為100Kg。

（2）數據AD轉換模塊設計

數模轉換模塊采用海芯HX711芯片，能實現高精度24位A/D轉換，輸入共模電壓范圍（AGND+0.6，AVDD-0.6V），其電路圖如圖6所示。數模轉換模塊首先計算傳感器的供電電壓，接收到稱重傳感器輸入的電壓參數后，輸入電壓參數通過128倍的增益，然后采樣稱重傳感器輸入的電壓參數進行轉換，輸出24位的A/D轉換值。

（3）控制模塊設計

微控制單元采用STC89C52單片機[4]，實現對通過數模轉換模塊輸入的24位的A/D轉換值，即實時采集的重量數據值進行計算處理，并輸出至數碼管或者小液晶顯示屏，同時通過Zig-Bee、WiFi、串口等通信方式連接上位機主控制器，上位機主控制器實現重心的計算，并對重量和重心數據進行存儲和管理[5]。

3.2系統軟件設計

系統軟件設計包括兩個部分，下位機軟件及上位機軟件。目前系統通信主要通過串口實現，以下以串口通信為例淡系統軟件實現。

（1）下位機軟件設計

下位機軟件流程如圖3所示。首先對AD、UART、LCD160或數碼管進行初始化，然后執行去皮子程序并獲得毛皮重量，單擊去皮按鈕歸零重量顯示。繼續執行稱重子程序，判斷傳感器是否有重量信號，如果有則執行重量的計算，把電壓信號轉換成重量數據。稱重子程序循環執行，單擊停止按鈕結束稱重，在顯示器上顯示最近一次的重量數據。同時，在程序中，可以執行去皮及清零操作，去皮子程序得到模型飛機未稱重前顯示的初始重量，并可以去皮清零;清零子程序執行稱重歸零操作。同時，程序可以設置標定，由標定子程序完成，標定是電壓信號轉換成重量過程中的一個固定比例值，此比例可以矯正重量，初始化時系統已經給標定賦予一個初始值。

（2）上位機軟件設計

上位機軟件設計包括主機軟件設計以及Android手機App軟件設計。主機操作系統采用Windows CE7.0及以上版本，使用輕量型的關系數據庫SQLite。主機軟件開發使用Visual Stu-dio 2017平臺，軟件界面方便采用觸摸屏操作模式設計，遵循模型飛機注重原理與流程。首先初始化系統菜單、對話框、控件及變量等，在單擊運行按鈕前，設置好模型飛機水平狀態的一些基本參數，包括機型（型號）、狀態、稱重位置（以實際位置為準）。單擊運行按鈕后，進入重量和重心子程序，子程序判斷是否有重量信號，有則顯示在對應文本框，單擊計算按鈕，根據三個重量值計算對應的重心值并單擊保存按鈕。下一步通過抬高模型飛機機頭方法，根據實際測量重新沒計模型飛機的稱重位置參數，單擊計算按鈕，系統自動結合兩次重量和重心及模型飛機相關參數計算出飛機的重心并輸出到飛機重心文本框。另外，系統可以對稱重模塊進行參數沒計，包括標定、清零、去皮等?？紤]到不同緯度重力加速度不一致，系統可以設置重力加速度。主機軟件另外一大功能就是對所有的重量和重心數據進行存儲管理，并可以打印輸出等。

手機App軟件支持Android 6.0以上的版本，使用關系數據庫SQLite，其工作流程與主機軟件一致。

4系統調試結果

完成了系統的測試后，就初步完成了一個完整的嵌入式樣機產品的設計及系統實現。系統上位機軟件主界面如圖所示，實現了模型飛機重量和重心的實時采集、計算與管理，主機采集數據界面如圖4所示，實時測量模型飛機每個支點所承受的重量。

模型飛機的重心必須通過兩種不同狀態下采集的三個支點重量計算得到，通過提升模型飛機頭部高度得到第二種狀態，計算得到重心坐標和總重量。在測量過程中，要保證被測量模型飛機在靜止穩定狀態下才能得到精準的測量結果。

5結語

根據模型飛機重心重量的測量原理與方法，沒計了模型飛機重心重量的硬件模塊，在此基礎上，進一步設計了該系統的手機App與主機應用程序，實現對模型飛機重心重量的管理與控制。該系統作為物聯網相關課程的實驗平臺，滿足了實驗實訓教學以及創新創業實踐。

參考文獻：

[1]劉福佳，顧超.輕型飛機重量重心的測量及計算方法研究[J].沈陽航空航天大學學報，2018，35（2）：17-21.

[2]賈恒信，楊帆，劉方明.多機型千斤頂式飛機重量和重心測量系統研究[J].陜西理工大學學報（自然科學版），2017，33（6）：7-12+44.

[3]饒緒黎，張美平，馬現虎.基于物聯網技術的實驗設備運行監控管理系統設計[J].山東大學學報（理學版），2012，47（11）：74-77.

[4]邵開麗，付財源，張振帥，等.基于STC89C52單片機的智能服裝系統設計[J].毛紡科技，2018，46（9）：61-65.

[5]王中源，張金龍.基于單片機的一種高精度脈沖信號測試儀[J].科技創新與應用，2020（10）：31-32.

【通聯編輯：梁書】

收稿日期：2020-03-23

基金項目：2018年國家級大學生創新創業訓練計劃項目：奔跑的蝸牛（項目編號：201814389065）