嵌入式小型多點溫度測量系統(tǒng)設(shè)計

彭偉堯 孫雪茹

摘要：針對目前多數(shù)以單片機為核心控制器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)存在處理速度有限、實時性及可靠性差等問題，設(shè)計了一種基于NanoPi NEO嵌入式開發(fā)板和RS485總線的小型多點溫度測量系統(tǒng)。以NanoPi NEO嵌入式開發(fā)板為核心，各從機能夠測量相應點的溫度，同時可以識別主機發(fā)送的指令并將測得的溫度數(shù)據(jù)上傳回主機。主機收集溫度數(shù)據(jù)，將溫度數(shù)據(jù)存儲到SQLite數(shù)據(jù)庫文件相應的表格中，方便日后的管理與查詢。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定可靠、操作方便、測溫精度高、應用范圍廣泛、擴展性強等特點。

關(guān)鍵詞：溫度測量；NanoPi NEO；嵌入式技術(shù)；現(xiàn)場總線技術(shù)；SQLite數(shù)據(jù)庫

中圖分類號：TH811? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2024）07-0037-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.07.010

0? ? 引言

溫度的測量與控制在工業(yè)生產(chǎn)與安全中起著關(guān)鍵性作用[1]。現(xiàn)今市場上溫度控制成型的產(chǎn)品大部分以單片機為核心控制器，但是單片機的運算速度和系統(tǒng)處理能力十分有限，并且產(chǎn)品性能也無法繼續(xù)提高，更重要的是其ROM和RAM空間小，不能運行較大的程序，而基于多任務的操作系統(tǒng)需要的任務堆棧很多，需要的RAM空間很大，故在發(fā)展上有很大限制[2]。因此，研究一種嵌入式小型多點溫度測量系統(tǒng)十分必要。

目前嵌入式小型溫度測量系統(tǒng)的研究有：張興紅等[3]為了能夠更加精準確定超聲波傳播結(jié)束的終點時刻，保證溫度的精準測量，提出了一種優(yōu)化閾值比較法，設(shè)計了一種針對液體介質(zhì)的超聲波測溫系統(tǒng)，該系統(tǒng)相較傳統(tǒng)溫度計響應更加迅速，具有更高的靈敏度，時間測量分辨率可達10-12 s，溫度測量分辨率可達0.001 ℃；杜光月等[4]針對熱物理學中對空間內(nèi)溫度梯度多點檢測用傳感器陣列數(shù)據(jù)采集同步性較差的問題，基于DS18B20設(shè)計了分布式數(shù)據(jù)采集方法，該方法較傳統(tǒng)方法采集溫度可縮短82.2 s，大大提高了檢測的實時性和同步性；汪欽臣等[5]為了提高PC主站與智能從站采用常規(guī)Modbus通信的實時性，設(shè)計了一種基于Modbus UDP的實時通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)以STM32為核心，以PC為主站，以FreeRTOS開發(fā)的控制器作為從站，經(jīng)優(yōu)化測試可提高系統(tǒng)Modbus UDP通信的可靠性和實時性；許子穎等[6]通過對測量系統(tǒng)輸出值的調(diào)控，調(diào)節(jié)鉑電阻的激勵電流，從而抵消鉑電阻的非線性誤差，提出了一種基于壓控電流源的鉑電阻測溫非線性校正設(shè)計方法，可有效改善輸出信號的線性度，提高測溫精度。

本文嵌入式小型多點溫度測量系統(tǒng)基于NanoPi NEO嵌入式開發(fā)板進行設(shè)計，采用RS485總線，構(gòu)成分布式多點傳輸數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以滿足民用領(lǐng)域、工業(yè)領(lǐng)域等對多點溫度測量和數(shù)據(jù)存儲的需求。本文以單片機作為下位機，用NanoPi NEO嵌入式開發(fā)板作為上位機，搭建嵌入式Linux系統(tǒng)桌面開發(fā)環(huán)境[7]，搭建基于64位操作系統(tǒng)的ARM-Linux交叉編譯環(huán)境，并采用RS485總線作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)妮d體，以NanoPi NEO開發(fā)板為核心搭建了溫度測量硬件電路。

1? ? 硬件設(shè)計方案

1.1? ? 溫度傳感器選型

嵌入式小型多點溫度測量系統(tǒng)設(shè)計測溫范圍為-50～120 ℃，該小型測溫系統(tǒng)可以測量單點或多點溫度，同時可以提供多傳感器接口。溫度傳感器成本要求低，性價比高，綜合分析，該系統(tǒng)的溫度傳感器將選用數(shù)字式溫度傳感器。表1是幾種型號的數(shù)字式溫度傳感器的對比。

LM74溫度傳感器轉(zhuǎn)換時間太長，且溫度準確度較差，不予選用；MAX6575和AD7418測溫準確度較差[8]，不能滿足需求；而DS18B20是一個單總線器件，采用單一接口方式對數(shù)據(jù)進行傳輸，當進行多點溫度采集的時候，這是它同其他數(shù)字溫度傳感器相比的一個優(yōu)勢，DS18B20單總線器件與51單片機的通信協(xié)議比較簡單，占用單片機硬件I/O接口資源少，降低了系統(tǒng)成本，而且該器件傳輸距離很遠[9]。綜上，采用DS18B20作為溫度傳感器。

1.2? ? NanoPi NEO

本設(shè)計基于NanoPi NEO嵌入式開發(fā)板，NanoPi NEO體積小、價格低，是一款高性能、低功耗的小體積嵌入式產(chǎn)品，擁有豐富的GPIO擴展接口，包括UART、SPI、I2C多種常見通信接口，同時還擁有各種各樣的擴展器件，擴展性高，完全可以替代高端的STM32產(chǎn)品系列，同時還兼具上位機的處理能力，實用性強[10]。

嵌入式小型多點溫度測量系統(tǒng)由主機NanoPi NEO模塊、從機、溫度測量系統(tǒng)和RS485總線組成，硬件主從模塊電路組成框圖如圖1所示。

2? ? 軟件設(shè)計方案

嵌入式小型多點溫度測量系統(tǒng)主程序執(zhí)行流程的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

首先作為上位機的NanoPi NEO在開機時執(zhí)行SELECT語句，在SQLite數(shù)據(jù)庫中查詢主鍵sn列最大值，記錄該值，在之后的存儲過程中從此值開始插入數(shù)據(jù)，此舉的目的在于滿足SQLite數(shù)據(jù)庫的唯一性約束。上位機NanoPi NEO基于Modbus協(xié)議發(fā)送一幀報文到RS485總線，這一幀報文中指定下位機，并令該下位機執(zhí)行指定指令。當上位機NanoPi發(fā)送一幀報文到下位機之后，上位機會進入監(jiān)聽狀態(tài)，被指定的下位機會執(zhí)行所接收到的發(fā)送數(shù)據(jù)的指令，發(fā)送一幀包含傳感器數(shù)據(jù)的報文到RS485總線中，上位機會接收該數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)中的有效參數(shù)存儲到SQLite數(shù)據(jù)庫文件的相應表格中。通過循環(huán)語句，上位機NanoPi NEO會循環(huán)讀取每一個下位機的數(shù)據(jù)，并存儲在相應的數(shù)據(jù)庫表格中。

軟件設(shè)計分為兩個部分，第一個部分是下位機模塊，第二個部分是上位機模塊。

下位機模塊：本系統(tǒng)使用51單片機作為下位機，51單片機會利用循環(huán)語句不斷采集DS18B20的溫度數(shù)據(jù)，當串口中斷觸發(fā)的時候，判定接收到的數(shù)據(jù)，并據(jù)此判斷是否輸出溫度數(shù)據(jù)，如果判定為發(fā)送，則將從DS18B20采集到的數(shù)據(jù)通過串口傳輸給485轉(zhuǎn)TTL模塊。

上位機模塊：為了滿足嵌入式數(shù)據(jù)庫SQLite的唯一性約束，上位機NanoPi NEO在開機以后會使用SELECT語句查詢數(shù)據(jù)庫中的主鍵（sn列）數(shù)據(jù)，之后數(shù)據(jù)將會從sn最大值開始使用INSERT語句插入。上位機NanoPi NEO通過串口1發(fā)送一幀報文到485轉(zhuǎn)TTL模塊（該模塊會對RS485總線信號和串口信號進行互相轉(zhuǎn)換），之后將會處于監(jiān)聽模式，在監(jiān)聽模式下，NanoPi NEO得到從下位機傳輸過來的數(shù)據(jù)之后，會將該數(shù)據(jù)存入嵌入式數(shù)據(jù)庫SQLite相應的表格中。將數(shù)據(jù)使用數(shù)據(jù)庫保存是目前常用的一種方法，該方法存儲快速，面對輸入量具有良好的反應時間。

3? ? 系統(tǒng)環(huán)境搭建

系統(tǒng)環(huán)境搭建，包括NanoPi板上系統(tǒng)環(huán)境搭建、Linux 64位操作系統(tǒng)環(huán)境搭建、SQLite數(shù)據(jù)庫使用環(huán)境搭建、QT Creator交叉編譯環(huán)境搭建。

3.1? ? NanoPi NEO板載系統(tǒng)環(huán)境的搭建

準備NanoPi嵌入式開發(fā)板向TF卡中燒寫系統(tǒng)，打開燒寫工具，選擇相應的固件和TF卡，選擇write。燒寫成功之后將TF卡插入NanoPi，使用USB轉(zhuǎn)串口模塊連接NanoPi和電腦，接口選擇GPIO管腳圖中左下角的GND、5V、TX、RX。打開電腦上的串口調(diào)試工具，在界面上選擇相應的COM端（Linux系統(tǒng)中為ttyUSB），一欄波特率選擇115 200（NanoPi默認），然后點擊界面下方的“打開”按鈕，此時串口調(diào)試助手處于監(jiān)聽模式，對NanoPi進行關(guān)機操作，然后開機即可。串口調(diào)試第一次時間比較長，此時系統(tǒng)會初始化，并對TF卡進行分區(qū)，串口調(diào)試成功后的界面如圖3所示。

3.2? ? 64位操作系統(tǒng)Ubuntu的搭建

NanoPi NEO的CPU為Allwinner H3 FriendlyCore，如圖4所示，應使用4.8.6版本的QT和Ubuntu 16.04 64位版本操作系統(tǒng)，否則QT Creator在進行交叉編譯時將會出現(xiàn)錯誤。

3.3? ? SQLite數(shù)據(jù)庫使用環(huán)境的搭建

進入官網(wǎng)下載預編譯的二進制文件，并下載qlite-

tools壓縮文件，在系統(tǒng)盤目錄下創(chuàng)建一個叫作sqlite的文件夾，解壓壓縮包到此文件夾，這時將會得到sqlite3.def、sqlite3.dll、sqlite3.exe文件。添加文件夾到PATH環(huán)境變量，就可以在命令行中使用SQLite。

Linux系統(tǒng)幾乎全部附帶著SQLite數(shù)據(jù)庫，創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫文件和表格如圖5所示。

3.4? ? QT Creator交叉編譯環(huán)境的搭建

在NanoPi NEO的Wikipedia網(wǎng)站下載完相應的工具包后，首先添加QtEmbedded，然后添加C語言交叉編譯器與C++語言交叉編譯器，最后是構(gòu)建套件（Kit），如圖6、圖7、圖8所示。

4? ? 系統(tǒng)的實驗測試

本系統(tǒng)設(shè)計過程中，大部分模塊是對溫度進行測量和控制的，資源數(shù)據(jù)和操作數(shù)據(jù)兩大部分組成了系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的主要部分。資源數(shù)據(jù)主要指主機收集的溫度數(shù)據(jù)，操作數(shù)據(jù)主要指的是系統(tǒng)在運行過程中不斷變化產(chǎn)生出來的數(shù)據(jù)，其添加、修改和刪除操作由相對應的操作模塊來完成。

燒錄入程序并運行軟件，主機收集的所測得的溫度數(shù)據(jù)如圖9所示，將溫度數(shù)據(jù)存儲到SQLite數(shù)據(jù)庫文件相應的表格中，圖10為單片機作為下位機進行測溫并與主機通信的照片。

5? ? 結(jié)束語

本設(shè)計以NanoPi NEO嵌入式開發(fā)板為核心，對多點溫度進行測量，實現(xiàn)了對溫度的實時檢測；該系統(tǒng)利用了DS18B20，使得硬件結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、工作穩(wěn)定。系統(tǒng)對于需要實時監(jiān)測溫度的環(huán)境具有良好的應用前景，可以較好地發(fā)揮其作用。

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收稿日期：2023-12-06

作者簡介：彭偉堯（1997—），男，新疆阿克蘇人，碩士，助教，研究方向：嵌入式技術(shù)。

通信作者：孫雪茹（1995—），女，新疆阿克蘇人，碩士，助教，研究方向：測控技術(shù)與儀器。