嵌入式的實時數據采集和控制系統的設計

云南師范大學商學院 施媛波

針對現有工業數據采集的交互性和可靠性差的問題，提出一種嵌入式實時數據采集和控制系統，并完成系統的軟硬件實現。該系統以基于ARM11框架的Raspberry Pi為核心，將Web服務器應用程序移植到嵌入式ARM處理器中，利用基于ARM的嵌入式Web服務器開發在線交互式數據采集與控制系統。傳感器采集的數據通過嵌入式Web服務器上傳，遠程客戶端通過網絡訪問得到采集的數據，當數值超出預警值則啟動繼電器進行控制。測試結果表明，當系統服務器的接收到任何請求時，從傳感器采集的數據會以網頁的形式顯示，說明了設計實現的嵌入式實時數據采集和控制系統的可行性與有效性。

在工業測量和控制領域，獲得大量的實時現場參數是很有必要的。由于環境的復雜性，數據采集系統大多由工業計算機完成，但是工業計算機具有體積大、功耗大、可靠性差和安裝不方便等問題。另外有專用的、可獨立工作的數據采集系統，使用數字信號處理器和微控制器來完成，缺點是價格高，人機交互性差。

嵌入式處理器的快速發展有效地彌補了工業個人計算機（Industrial Personal Computer，IPC）的不足，尤其是ARM處理器，它不僅結合了其他采集系統的優點，克服了它的缺點，增加了一些新功能，進一步擴展其應用領域和適用范圍，針對不同需求，具有極大的靈活性。ARM處理器通常是SOC芯片，相比傳統控制器具有大量的片上外設和更強大的性能。目前已經有研究者對嵌入式數據采集系統進行了研究。

本文針對現有數據采集系統的問題，提出一種基于ARM11框架的Raspberry Pi的嵌入式實時數據采集和控制系統，遠程客戶端用戶通過網絡訪問嵌入式Web服務器，從網頁上得到傳感器采集的數據，當數據超出預警值以后啟動繼電器進行控制。

1 系統硬件設計

1.1 Raspberry Pi

Raspberry Pi是一種嵌入式卡片電腦，由Raspberry Pi基金會在英國開發出來的，其主要目標是創建一個經濟有效的平臺，通過提供只需要SD卡的一體化電路板、監視器和輸入設備來運行，是一種實用且價格合理的設備。Raspberry Pi沒有只讀內存，可以阻止用戶刷新固件使Pi變成一個不可操作的板。Raspberry Pi另一個吸引人的因素是設備的功耗很小，因為它可以通過另一臺計算機的通用串行總線USB端口或小型5v充電器供電。

Raspberry Pi接口較豐富，具有高清多媒體接口HDMI、通用串行總線USB和內部集成電路IIC等，可通過C/C++或者Python語言編寫相應程序來實現不同的功能。圖1給出了Raspberry Pi的接口與外設圖。另外Raspberry Pi具有26個GPIO對外接口，通過GPIO可以實現控制工作和數據交互等功能，本文通過Python語言來控制其進行工作。

1.2 數據采集硬件設計

Raspberry Pi嵌入式數據采集系統所提嵌入式Raspberry Pi數據采集和控制系統硬件組成有：嵌入式Raspberry Pi、AT-mega16微控制器、傳感器、繼電器和路由器。

其中Raspberry Pi是系統的核心，具有實時仿真和嵌入式跟蹤支持的性能。傳感器如氣壓溫度傳感器，氣體傳感器和光敏傳感器連接到Raspberry Pi，將采集到的數據通過Raspberry Pi上web服務器以網頁的形式發送到客戶端。

BMP085氣壓溫度傳感器，由壓阻式傳感器、模數轉換器、帶電可擦可編程只讀存儲器（Electrically Erasable Programmable read only memory，EEPROM）和串行I2C接口的控制單元組成。BMP085提供無補償的壓力值，測量范圍為300～1100hPa，絕對精度為2.5hPa，噪音低至0.03hPa。同時，BMP085具有低至3uA的低功耗。傳感器支持1.8至3.6V的電壓，BMP085的額定工作溫度范圍為-550至+1500℃。BMP085與Raspberry Pi連接圖如圖1所示。

圖1 BMP085管腳與Raspberry Pi GPIO對應連接圖

數據采集系統中使用的氣體傳感器是MQ-6，它對丙烷、丁烷和液化石油氣具有高靈敏度，也對天然氣有反應，MQ-傳感器可用于檢測不同的可燃氣體，尤其是甲烷，具有的優點是成本低，適合不同的可燃氣體檢測。MQ-6氣體傳感器的敏感材料是SnO2，當空氣中存在可燃氣體，MQ-6電導率隨著可燃氣體濃度的增加而增大，通過轉化電路，輸出與氣體濃度相當的數據。MQ-6傳感器與Raspberry Pi連接圖如圖2所示。

圖2 MQ-6管腳與Raspberry Pi GPIO對應連接圖

系統中采集光照強度使用的光感LDR傳感器是BH1750，作為一種數字型光強傳感器集成電路具有光靈敏度，該傳感器具有一個由高電阻半導體制成的光敏電阻，該電阻根據落在其上的可見光的數量而變化。

2 軟件設計

2.1 Web服務器

嵌入式Web服務器構建在Raspberry Pi上，選擇輕量級Web服務器，降低內存消耗，提高運行速度。在構建Web服務器時使用的EWS（Exchange Web Service）協議是GoAhead，EWS的功能是實現客戶端和服務器之間的信息交換。

嵌入式Web服務器用到的主要技術有HTTP協議和公共網關接口（Common Gateway Interface，CGI），在Web服務器工作時，CGI用來規定調用其他程序接口協議的標準，通過調用CGI實現Web瀏覽器交互。當Web服務器的信息（該信息由瀏覽器發送給服務器）達到CGI時將進行處理，把響應結果再反饋給Web服務器和瀏覽器，最終完成網頁中表單數據的處理和查詢。

圖3 系統監視和控制過程

圖4 瀏覽器顯示采集到的數據

2.2 數據顯示和控制

圖3給出了如何采取監視和控制措施，系統軟件是IDLE，使用嵌入式Python程序語言實現。

對于Raspberry Pi數據采集和顯示過程，利用WiringPi 函數庫對Raspberry Pi和傳感器進行控制，利用編程語義對數據實現循環采集，并將數據傳送到網頁上。其中WiringPi是GPIO控制庫函數，包含了GPIO控制命令，通過WiringPi可以對Raspberry Pi的GPIO管腳進行擴展，實現數據采集等模塊。

3 結果與分析

基于Raspberry Pi的嵌入式數據采集和控制系統硬件實現，系統中客戶端使用的電腦配置為：win7及以上操作系統，IE8及以上版本的Web瀏覽器，采用的測試地址為http://172.20.10.2/:8000。結果顯示在網頁上，如圖4所示。它顯示各種參數的狀態，如溫度、氣體、壓力和待監測位置的光強度以及通過該網頁進行控制。

如果獲取到的溫度、壓力、光照強度和其他濃度高于報警值，則啟動繼電器進行控制。

結論：本文設計了一個基于嵌入式Raspberry Pi的數據采集和監控系統，并給出了硬件和軟件的實現方法，該系統可以使溫度壓力傳感器、氣體傳感器和光強傳感器采集的到數據，通過嵌入式Web服務器將采集數據上傳，使得任何遠程客戶端通過一個網絡訪問得到從傳感器獲取的數據，系統中嵌入式Web服務是在Raspberry Pi上構建的。對設計系統進行測試，當嵌入式Web服務器接收到任何來自客戶端的請求時，從傳感器獲取的數據將成功顯示在網頁上，說明本文設計的系統是可行，可以提高系統的可擴展性和靈活性，在工業測控領域具有廣闊的應用前景。