基于虛擬儀器和Arduino的多路物體計數(shù)報警統(tǒng)計分析系統(tǒng)設(shè)計

魏元焜，吳丹陽

（遼寧機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧丹東， 118009）

0 引言

在貨物裝箱統(tǒng)計、人流量分析等領(lǐng)域中，計數(shù)統(tǒng)計或計數(shù)報警功能使用廣泛。尤其在對數(shù)據(jù)分析有要求的背景下，單一的數(shù)據(jù)統(tǒng)計的價值相對較低，更多時候人們期望對統(tǒng)計到的計數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行時段、峰谷平等更加智能的分析。這一需求要求系統(tǒng)具備多點控制能力，且需要一個高度可制定的數(shù)據(jù)分析平臺。針對這一需求，本文設(shè)計了基于虛擬儀器和Arduino的多路物體計數(shù)報警統(tǒng)計分析系統(tǒng)。虛擬儀器的靈活性，使系統(tǒng)具有高度的可制定特性。為實現(xiàn)多點管理，以Modbus協(xié)議構(gòu)建數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，以Arduino作為終端主控芯片，簡化終端的設(shè)計。

1 系統(tǒng)概述

系統(tǒng)分為采集終端和數(shù)據(jù)分析平臺兩個部分。采集終端負(fù)責(zé)檢測物體的經(jīng)過，在完成指定個次數(shù)的計數(shù)后，發(fā)出報警信號，并將報警信息也上傳到數(shù)據(jù)分析平臺。報警可選擇由采集終端的操作人員手動解除或由數(shù)據(jù)分析平臺解除。

數(shù)據(jù)分析平臺記錄各個終端的報警參數(shù)和歷史數(shù)據(jù)。除了可以查詢各個終端的實時數(shù)據(jù)外，還可以根據(jù)各個平臺的歷史數(shù)據(jù)給出分析結(jié)果，以適應(yīng)不同終端的特殊計數(shù)和報警需求，并分析出不同終端位置的數(shù)據(jù)量特點。

多個終端和平臺之間以Mod bus總線連接。分析平臺作為Modbus主機(jī)，掛接由采集終端構(gòu)成的Modbus從機(jī)。Modbus為平臺與終端之間提供了規(guī)范化的接口，既便于系統(tǒng)的擴(kuò)展，也方便終端尋址、報警類型區(qū)分等個性化控制。系統(tǒng)整體設(shè)計框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計框圖

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

■2.1 制定Modbus-RTU通信規(guī)則

Modbus是一種工業(yè)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，由Modicon（現(xiàn)為施耐德電氣）于20世紀(jì)70年代后期創(chuàng)建，如今已普遍用于可編程控制器、智能儀表之間的通信，是連接工業(yè)設(shè)備的最廣泛使用的協(xié)議。Modbus協(xié)議規(guī)范是公開發(fā)布的，該協(xié)議的使用是免費的[1～3]。

本文采用的是RS-485上的Modbus-RTU協(xié)議，這是Modbus協(xié)議中一種常用的、相對簡單的串行協(xié)議，可以通過傳統(tǒng)的UART技術(shù)進(jìn)行傳輸。

系統(tǒng)實現(xiàn)Modbus-RTU通信的關(guān)鍵在于采集終端上Modbus寄存器的布局使用情況，以及采集終端和分析平臺上的Modbus軟件實現(xiàn)。本文系統(tǒng)中的計數(shù)報警采集終端的Modbus寄存器布局如表1所示。

采集終端和分析平臺分別采用不同的軟件平臺實現(xiàn)，因此Modbus的實現(xiàn)方式有所不同。但只要都遵循表1的寄存器布局規(guī)則，則上下位機(jī)就可以建立統(tǒng)一的通信規(guī)則，進(jìn)而實現(xiàn)計數(shù)和報警數(shù)據(jù)的分布存儲和分析。

表1 計數(shù)報警采集終端中的Modbus寄存器布局

■2.2 采集終端

2.2.1 采集端硬件構(gòu)成

采集終端采用Arduino Leonardo作為主控。Arduino Leonardo是基于ATmega32u4一個微控制器板。它有20個數(shù)字輸入/輸出引腳（其中7個可用于PWM輸出、12個可用于模擬輸入），一個16 MHz的晶體振蕩器，一個Micro USB接口，一個DC接口，一個ICSP接口，一個復(fù)位按鈕。它包含了支持微控制器所需的常用功能，可以簡單地通過將其連接到計算機(jī)的USB接口，或者使用AC-DC適配器，再或者用電池來驅(qū)動它[4]。

Leonardo與其他Arduino控制器的不同之處在于直接使用了ATmega32u4的USB通信功能，取消了USB轉(zhuǎn)UART芯片。這使得Leonardo不僅可以作為一個虛擬的（CDC）串行/COM端口，還可以作為鼠標(biāo)或者鍵盤連接到計算機(jī)[5]。

為實現(xiàn)采集終端的功能，將Arduino與光電開關(guān)模塊、LED和按鍵連接，光電開關(guān)模塊數(shù)據(jù)由D2引腳讀取，LED由D3引腳輸出控制信號，按鍵信號由D7引腳讀取。圖2給出了采集終端的實物圖。

圖2 采集終端實物圖

2.2.2 采集端軟件實現(xiàn)

Modbus在采集終端采用Arduino官方提供的Arduino Modbus庫來實現(xiàn)。這一工具庫可在ArduinoI DE的庫管理器中搜索并直接安裝。另外需要同時安裝Arduino Modbus庫依賴的Arduino RS485庫。由于Modbus總線的通信主要是主機(jī)發(fā)出查詢指令，從機(jī)被動應(yīng)答，因此Arduino的Modbus庫將Modbus從機(jī)看作服務(wù)器，Modbus主機(jī)看作客戶端，從機(jī)的Modbus對象被命名為Modbus RTUServer。從機(jī)利用Arduino Modbus庫實現(xiàn)Modbus通信分為初始化、查詢和更新幾個階段，涉及modbusServer對象的常用方法有：begin()、poll()、end()以及一些寄存器的配置和讀寫方法。

采集終端的軟件分為初始化和主循環(huán)兩個部分。初始化部分需要完成計數(shù)變量、報警變量等數(shù)據(jù)初始化以及LED狀態(tài)初始化，以及Modbus總線和寄存器的初始化。主循環(huán)部分包括光電開關(guān)數(shù)據(jù)更新、按鍵數(shù)據(jù)更新、LED狀態(tài)更新、計數(shù)變量、報警變量等數(shù)據(jù)的更新，以及Modbus請求查詢和按硬件情況更新Modbus寄存器。

采集終端的功能主要由以下幾個步驟實現(xiàn)：（1）初始化變量和引腳

（2）初始化Modbus總線

ModbusRTUServer.begin(0x33, 9600); //指 定Modbus從機(jī)的設(shè)備號和通信波特率。

ModbusRTUServer.configureCoils(0x00, 2); //按表1為光電開關(guān)狀態(tài)和當(dāng)前報警狀態(tài)開辟Modbus線圈寄存器空間。

ModbusRTUServer.configureHoldingRegisters(0x00,2); //按表1為當(dāng)前計數(shù)值和計數(shù)報警值開辟Modbus保持寄存器空間。

（3）開始主循環(huán)，更新硬件狀態(tài)

利用digitalWrite和digitalRead更新硬件狀態(tài)。其中，PeStateOld和PeStateNew分別記錄相鄰兩次的光電開關(guān)狀態(tài)，光電開關(guān)輸出的上升沿代表有物體經(jīng)過，則PassState被賦值為HIGH。PassState的上升沿使當(dāng)前計數(shù)值CurCnt自增1，CurCnt也可由分析平臺或采集終端的按鍵清零。當(dāng)CurCnt數(shù)值超過AlmNum規(guī)定的報警上限時，則AlarmState置1，并以此數(shù)值驅(qū)動LED，使其點亮0.5s。

（4）硬件狀態(tài)映射到Modbus寄存器

按表1映射關(guān)系，將光電開關(guān)狀態(tài)和報警狀態(tài)映射到線圈寄存器，關(guān)鍵代碼如下：

按表1映射關(guān)系，將當(dāng)前計數(shù)值和計數(shù)報警值映射到保持寄存器，關(guān)鍵代碼如下：

獲取ModbusClient（Modbus主機(jī)）的數(shù)據(jù)查詢請求，關(guān)鍵代碼如下：

返回步驟（3），循環(huán)往復(fù)。

■2.3 分析平臺

分析平臺基于Windows PC運行，利用NI LabVIEW軟件編寫實現(xiàn)。LabVIEW具有所見即所得的界面設(shè)計特點，可縮減軟件設(shè)計周期；配合LabVIEW成熟的設(shè)計模式（軟件設(shè)計框架），可以提高軟件的可維護(hù)性，便于功能的增加或刪減。

2.3.1 分析平臺軟件框架

旅游開發(fā)價值-充分挖掘古建筑本身具有的歷史文化與象征意義，將其開發(fā)打造成旅游觀光場所，不僅可以促進(jìn)地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展，而且是打造地方特色的重要實物載體。

本文采用LabVIEW的隊列消息處理器（Queued Message Handler，QMH）設(shè)計模式搭建分析平臺的軟件框架。

QMH可由模板創(chuàng)建。創(chuàng)建好的QMH模板中，Main.vi是整個程序的入口。Main.vi包含兩個while循環(huán)，類似于兩個線程，它們是CPU分配時間的最小單位，可以共享局部變量。兩個while循環(huán)中，一個負(fù)責(zé)處理來自界面和用戶自定義的事件。根據(jù)具體事件要求，發(fā)送不同消息給另一個while循環(huán)— 消息處理循環(huán)。根據(jù)設(shè)計需要，也可以建立多個消息處理循環(huán)，根據(jù)設(shè)計規(guī)劃，將同一類消息發(fā)送給不同的循環(huán)。在本文中，保留了模板中的事件處理循環(huán)和消息處理循環(huán)。消息處理循環(huán)用于統(tǒng)一處理Modbus通信，因此稱為Modbus通信循環(huán)。另外，為每一個采集終端單獨設(shè)置一個while循環(huán)，用于處理不用采集終端的消息，這一設(shè)計方式對平臺對不同采集終端數(shù)據(jù)的獨立分析是有利的。

QMH中的第二個要素是消息隊列，在模板中以庫的形式出現(xiàn)，被命名為Message Queue.lvlib。LabVIEW中的庫類似于面向?qū)ο缶幊讨械念悾谙㈥犃袔熘校庋b了消息隊列的數(shù)據(jù)類型、對外可見的公有函數(shù)和私有函數(shù)。對外的公有函數(shù)包括：Create All Message Queues（創(chuàng)建所有消息隊列）、Obtain Message Queue（獲取消息隊列）、Enqueue Message（消息入隊）和Dequeue Message（消息出隊）。Create All Message Queues函數(shù)一次性創(chuàng)建Main.vi所需的所有消息隊列，并以簇的形式將所有消息隊列的引用打包輸出。Obtain Message Queue可以創(chuàng)建單一的消息隊列。Enqueue Message將一個或多個消息壓入指定消息隊列，這是一個多態(tài)VI，可向指定隊列一次性壓入一個或多個消息，因而可以一次性發(fā)送多個連續(xù)的指令，這一特性在狀態(tài)機(jī)設(shè)計模式中可以用于一次性指定后續(xù)的連續(xù)多個狀態(tài)。消息入隊時可選擇消息入隊優(yōu)先級，低優(yōu)先級入隊，是將消息壓入隊尾，而高優(yōu)先級入隊是將消息壓入消息隊列隊首，便于在消息出隊時優(yōu)先出隊。Dequeue Message用于從指定隊列中從隊首提取一個消息。

本文為實現(xiàn)系統(tǒng)功能，為N個采集終端創(chuàng)建了N+1個消息隊列。即為每個采集終端獨立創(chuàng)建一個消息隊列，多出的一個消息隊列用于Modbus通信，即Modbus通信循環(huán)的專用消息隊列。

消息的數(shù)據(jù)類型是一個簇（類似于C語言中的結(jié)構(gòu)體），包含了消息本身（字符串類型）和一個消息參數(shù)（變體類型，類似于C語言中的空類型，即void）。這樣的設(shè)計方式可以將任意類型的數(shù)據(jù)以變體的形式發(fā)送，在接收時按對應(yīng)數(shù)據(jù)類型從變體中恢復(fù)出來。但這種類型的數(shù)據(jù)發(fā)送需要開辟大量內(nèi)存空間，因此對于大量數(shù)據(jù)，最好發(fā)送引用，以減少不必要的內(nèi)存開銷。

2.3.2 分析平臺Modbus通信實現(xiàn)

分析平臺的Modbus通信可通過NI的Modbus庫1.21實現(xiàn)。NI Modbus庫不是LabVIEW自帶的，但安裝過程相對簡單，其提供了較為完整的功能。NI Modbus庫提供了LabVIEW 7.1、8.2、8.5以及8.6幾個早期關(guān)鍵版本，但8.6版的兼容性較好，可以使其兼容LabVIEW2019乃至更高版本的LabVIEW。因此安裝時將86文件夾中的三個文件夾：help、user.lib以及vi.lib復(fù)制到安裝目錄下，并直接與同名文件夾合并即可。重啟LabVIEW軟件，在程序框圖右擊，調(diào)出函數(shù)選板，在用戶庫大類下，看到NI Modbus項則表明安裝成功。

工具包中有幾個關(guān)鍵函數(shù)，是實現(xiàn)分析平臺作為Modbus主機(jī)（即Arduino Modbus庫中的Modbus Client）與作為Modbus從機(jī)的采集終端進(jìn)行Modbus通信所必需的，包括：

（1）MB Serial Init：用于對初始化Modbus總線所在的串口資源，包括指定串口號、波特率、校驗位、是否采用流控、超時毫秒以及Modbus模式等信息，完成初始化后，即輸出初始化成功的串口資源號。

（2）MB Serial Master Query：用于Modbus主機(jī)向從機(jī)發(fā)起查詢指令。這是一個多態(tài)VI，可根據(jù)查詢寄存器類型選擇對應(yīng)參數(shù)類型的重寫VI。其中的關(guān)鍵參數(shù)包括指定從機(jī)號、寄存器類型對應(yīng)的起始寄存器地址和要讀寫的數(shù)量。

2.3.3 分析平臺數(shù)據(jù)分析功能實現(xiàn)

就實現(xiàn)單一采集終端數(shù)據(jù)讀取而言，LabVIEW的程序框圖非常簡單，如圖3所示。

圖3 單一采集終端的數(shù)據(jù)查詢的LabVIEW程序

圖中給出的示例分為初始化、數(shù)據(jù)讀寫和資源回收三個階段。在初始化階段，利用MB Serial Init函數(shù)指定Modbus主機(jī)所連接的串口號，從而打開所在串口資源引用，后續(xù)的Modbus操作都需要利用這個引用找到需要讀寫的硬件資源。在數(shù)據(jù)讀寫階段，相應(yīng)的Modbus從機(jī)寄存器進(jìn)行讀寫，同時需要指定Modbus通信模式（RTU）和從機(jī)號。由于Modbus從機(jī)有運行周期，所以主機(jī)的讀寫頻率應(yīng)適應(yīng)從機(jī)讀寫周期。當(dāng)程序退出后，需要回收相應(yīng)的硬件資源，關(guān)閉打開的串口。

但當(dāng)采集中端數(shù)量變多時，主機(jī)對從機(jī)的請求數(shù)據(jù)就會出現(xiàn)積壓，因此必須分類管理，否則會出現(xiàn)通信沖突。這時就需要利用分析平臺的QMH軟件框架對數(shù)據(jù)通信進(jìn)行規(guī)劃管理。即為每一個采集終端設(shè)置一個消息請求循環(huán)（while循環(huán)實現(xiàn)的消息處理循環(huán)），每個采集終端的消息處理循環(huán)將自己的Modbus請求發(fā)送給QMH的Modbus消息循環(huán)，即使出現(xiàn)消息積壓，所有消息也都會在Modbus消息處理循環(huán)的隊列中被有序組織，并依次發(fā)送給Modbus總線。從而有效地避免了數(shù)據(jù)沖突。每一個采集中端的消息處理循環(huán)可按其優(yōu)先級設(shè)置不同的采樣周期，以最大化提升信息傳輸效率。

3 結(jié)束語

傳統(tǒng)的技術(shù)報警設(shè)備通常是主機(jī)和從機(jī)的一對一控制，對于一個主機(jī)掛有多個從機(jī)的情況，則需要對數(shù)據(jù)通信進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度。Modbus總線為這種消息集中管理提供了硬件基礎(chǔ)，而LabVIEW的QMH軟件架構(gòu)為消息統(tǒng)一調(diào)度提供了軟件基礎(chǔ)。本文的設(shè)計方法擴(kuò)展性強(qiáng)，有望應(yīng)用于實際的產(chǎn)品設(shè)計當(dāng)中。