高寒環境數據監測系統的設計與研究*

王　立　雷　斌

(西安工業大學電子信息工程學院　西安　710021)

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高寒環境數據監測系統的設計與研究*

王立雷斌

(西安工業大學電子信息工程學院西安710021)

摘要在深入分析高寒環境溫濕度變化的基礎上，論文主要介紹如何設計綜合數據采集系統。該系統以ARM為核心，采用聯合藍牙、安卓平臺完成對所需觀測量的采集、解析、實時顯示、存儲、遠程上報功能以及對測量數據統計、查詢。由設備測量到的數據和人工測量值進行對比。經過驗證，證明了此測量系統的正確性以及在工業生產中的實用性。

關鍵詞數據采集; 高寒環境; ARM; Android

Class NumberTU755

1引言

獲取野外環境的基礎數據[1～2]是寒區旱區相關研究工作的基礎，長期以來主要依靠人工監測手段，但是人工監測已經無法滿足大規模的凍土監測。為了及時準確地獲取凍土的相關特性信息，對其進行實時監測尤為重要。凍土的實時監測不僅能夠實時的獲取凍土的相關特性參數變化，而且在一定程度上反映出所在區域氣候變換，尤其是對凍土區的道路安全性進行評估，給相關部門針對道路交通安全提供重要的決策依據[3]。本文將介紹利用ARM通過藍牙聯合安卓平臺對野外環境溫濕度監測系統的設計。

2設計思想

該監測系統由現場監測站、Android兩大部分組成。一方面測站自動采集各種監測數據，并通過無線網絡自動傳輸給監測中心，在中心完成數據的整理、存儲、檢索、分析；另一方面，利用安卓平臺，可以通過藍牙實時對數采儀進行配置，并且實時顯示測量結果，可以將各種傳感器的電量(電壓、電流、電阻)轉化為相應數值并形成觀測記錄保存，在適當的時候采用公共無線通信網絡(GSM、CDMA、3G、衛星)傳遞給上位機，由上位機根據傳遞函數轉化為相應電量，再套用傳感器的標定參數進行計算得到各種觀測物理量數據，并進行存儲、檢索、分析、統計。整個系統的工作流程如圖1所示。

圖1　采集系統流程圖

3模塊設計

數據測量系統主要由多個功能模塊組成[4～6]，主要包括主控模塊、溫濕度采集處理模塊、遠傳模塊等。

圖2　監測系統硬件框圖

3.1主控模塊

主控模塊采用ARM處理器STM32，溫濕度傳感器采集到的信號傳輸到主控模塊，對采集到的信號進行分析與處理[7～8]。

3.2溫濕度采集處理模塊

溫濕度采集模塊將采集到的信號通過前置放大電路，濾波電路，二級放大電路，A/D轉換電路將采集到的電信號轉化為計算機可以直接處理的數字量[8～12]。

3.3遠傳模塊

傳感器采集到的數據經過信號預處理系統的處理，傳輸給主控芯片，主控芯片對接收到的數據進行處理。得到的結果通過公共無線通信網絡(GSM、CDMA、3G、衛星)傳遞給上位機。

4測試系統

本設計是基于Android系統的網關應用設計[13～14]。在Android系統中，運用Java語言進行網絡編程，通過藍牙串口通信實現PC端、開發板和Android手機之間的通信，在PC端和Android端實現數據的傳輸解析通信，并通過手機實現對開發板的測量控制。

4.1軟件設計流程圖

本軟件的基本流程圖如圖3所示，在進入配置時需要和數采儀的藍牙進行配對連接，如果連接成功進行校時，如果失敗則重新進行配置；在立即測量則會和數采儀進行通信，傳輸采集數據；讀取數據時會進行數據解析并且保存收到的所有數據；上報則會將所收到的所有數據上傳至服務器。同時在配置成功會有60s的輸入等待，如果無輸入指令則會退出關機。

圖3　軟件設計流程圖

4.2系統基本功能測試

數采儀喚醒后進入配置狀態，等待藍牙發送指令，若無指令，等待60s自動關機，若有指令執行相應的動作，例如執行校時，讀基本信息，立即測量，立即上報，讀取文件，提取文件，關機[15]。系統測試圖如圖4所示。

圖4　測試數據顯示界面

實驗開始，需要進行對數采儀的藍牙進行搜索連接，輸入配對密碼，完成參數的配置。Android終端與設備藍牙鏈接成功方可繼續進行操作。基本信息界面，包含校時、讀取基本信息、立即測量上報和退出等功能。圖4顯示本次測試時間為2015年6月19日7:16:30，終端編號即數采儀編號為綜合數據采集系統(339F)。

如圖4所示為Android終端通過對數采儀進行立即測量指令，數據采集和數據解析得到的溫濕度、內電壓、外電壓，測試頭電阻值。安卓終端對采集到的數據提取、讀取、刪除，在此界面可以將數據上傳tftp服務器，同時可以將數據保存在本地進行操作。

5結果

在溫濕度采集系統設計完成后，用以下兩種測試方案對其結果進行分析，進而驗證該系統的精度與穩定性，是否能夠更好地應用于生產過程中。

5.1常溫下測量結果分析

測試方案：

電阻測試頭：采用DB37高精度測試頭，單個航插共18針，阻值范圍分布于400～8000Ω。

測試方案：

1)測試前采用6位半的萬用表預熱二十分鐘，采用四線法和兩線法對測試頭進行核準；

2)選取單個航插進行測試，單個阻值測量20次，統計并分析數據的穩定性；

3)采用極差方式分析數據的精度，即二十次測量值最大值與最小值之差。

如圖5所示為常溫條件下測試數據的精度分析，橫軸代表測試頭的1～18針，縱軸為測試頭各針的相對應的極差，測試頭阻值為410Ω時偏差為0.19,測試頭阻值為8000Ω左右時，偏差為1.71，小于系統誤差0.05%。

圖5　常溫條件下測試數據精度

如圖6所示為常溫條件下測試數據穩定性，橫軸代表測試頭的1～18針。測試數據未顯示偏離數據較大的偏差，穩定性較好。通過常溫下測量結果的數據分析，該系統的測量最大偏差1.71，穩定性較好，精度較高，能夠滿足工業生產的需求。

5.2超低溫下測量結果分析

如圖7所示為超低溫條件下測試數據的精度分析，橫軸代表測試頭的1～18針，縱軸為測試頭各針的相對應的極差，測試頭阻值為410Ω時偏差為0.18，測試頭阻值為8000Ω左右時，偏差為1.71，小于系統誤差0.05%。

圖6　常溫條件下測試數據穩定性

圖7　超低溫條件下測試數據精度

如圖8所示為超低溫條件下測試數據穩定性，橫軸代表測試頭的1～18針。縱軸為二十次測量值測試數據未顯示偏離數據較大的偏差，穩定性較好。

圖8　超低溫條件下測試數據穩定性

高寒環境對精度和穩定性的要求更高，本系統測試模擬高寒環境進行測試，實現了高精度，較好穩定性的要求，滿足高寒環境的需求。

6結語

經過實際驗證，證明了此溫濕度采集系統的正確性，并且它能夠對所采集數據常溫地溫下都能達到精度和穩定性的要求，可以很好地滿足工業生產需求，具有很強的實用性。

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收稿日期:2016年1月9日,修回日期:2016年2月23日

作者簡介:王立,男,碩士研究生,研究方向：通信與信息系統，嵌入式系統。雷斌,男,碩士,副教授,研究方向：測控技術，無線傳感器網絡(嵌入式系統等)。

中圖分類號TU755

DOI:10.3969/j.issn.1672-9722.2016.07.040

Design and Research of Integrated Data Acquisition System in Cold Environment

WANG LiLEI Bin

(College of Electronic and Information Engineering, Xi’an Technological University, Xi’an710021)

AbstractBased on the deep analysis of the change of temperature and humidity in high-frigid condition, this paper mainly introduces how to design a integrated data acquisition system. The system uses ARM as the core, chooses Bluetooth, Android platform to complete acquisition, analysis, real-time display, storage, remote notice of the required measurements and the statistics and inquiry of measured data. The data measured by equipment is compared to the artificial measured value. It is verified that the measurement system has validity and practicability in industrial production.

Key Wordsdata acquisition, high-frigid condition, ARM, Android