多功能并行數據采集手持終端系統設計

陳 昊，褚倩云

（安徽大學電子信息工程學院，合肥　230601）

多功能并行數據采集手持終端系統設計

陳 昊，褚倩云

（安徽大學電子信息工程學院，合肥230601）

現代工農業發展中，特殊作業領域的數據采集工作受到了廣泛的關注。本文設計了一種多功能并行數據采集手持終端，終端利用并行數據采集方式將采集到的環境信息進行融合并存儲，用戶可以通過LCD顯示屏實時讀取現場信息，并通過GSM模塊將數據發送至控制中心。經試驗證明，本終端運行可靠，抗干擾能力強，采集的數據能及時更新。

并行數據采集；多功能；GSM模塊

0　引 言

現代工農業發展過程中，特殊作業領域如糧倉、地窖、沼氣池等環境數據采集工作受到了廣泛關注。這些特殊作業領域，或地域受限，或存在安全隱患，導致維修人員工作效率下降。因此，為檢修維護人員設計一種多功能并行數據采集手持終端即已成為一個具備高度現實意義的重要課題。浙江工業大學的研究人員設計推出了基于工業無線網絡的手持器［1］，實現了工業現場的數據采集。同濟大學的研究人員引入CC2530芯片，降低了系統功耗，提升了傳輸距離［2］。河北農業大學的研究人員利用GSM通信模塊致力于現場數據的實時上傳研究［3］，雖然拓展了數據采集手持器的應用范圍，但在顯示效果方面卻仍存在欠缺。本設計融合吸收了以上各種方案的優點長處，提出了一種多功能并行數據采集終端，該終端采用并行數據采集技術來實現對環境信息的精確感知，采集的數據經過中央處理器的專門存儲，用戶通過LCD顯示屏實時讀取現場信息，GSM模塊可將數據發送至控制中心。經實驗測試，本系統具有通用便捷性、低功耗、抗干擾能力強等特性。

1　系統設計方案

多功能并行數據采集終端主要由4個部分組成：傳感器模塊、中央處理器模塊、無線通信模塊和電源管理模塊。系統結構如圖1所示。

圖1　終端的體系結構圖Fig.1 Structure of terminal

由圖1可知，體系結構中各部分實現功能可做如下闡析：

1）傳感器模塊主要負責環境信息的精準采集和信號的調理。傳感器模塊采集溫度、濕度、氣壓等現場數據，通過并行數據傳輸方式［4］，實時傳輸至中央控制單元。保障用戶及時獲取環境信息，快速確定現場處理方案。

2）中央控制單元需要處理來自傳感器模塊的所有信息，并將數據存入SD卡，同時，LCD模塊的信息顯示周期可按照用戶需求設置。

3）無線通信模塊選用GSM模塊［5］，同時利用無線控制信道對現場環境信息進行快速傳輸，性能穩定并且方便可靠。在此基礎上，數據可轉存在云服務器中，遠程用戶包括控制中心能夠通過云服務器實時掌握現場環境信息，并迅速制定響應方案。

本系統中不同模塊需要采用不同供電方式，如中央控制單元選擇AVR系列低功耗單片機需要較低電壓，GSM模塊需要較高電壓大功率來保障通信系統的抗干擾能力。因此，本系統的電源管理模塊可滿足各類多樣的現實電源需求。

2　系統硬件及軟件設計

系統硬件主要包括中央處理器模塊、傳感器模塊、無線通信模塊和電源管理模塊等。系統硬件總框圖如圖2所示。

圖2　系統硬件總框圖Fig.2 Hardware structure of system

圖3　中央處理器模塊電路原理圖Fig.3 Circuit schematic of control module

2.1中央處理器模塊

中央處理器模塊包括主控芯片及相關的外圍震蕩電路，時鐘電路和LCD顯示電路。模塊電路原理如圖3所示。

中央處理器作為整體設計核心，選擇合適的主控芯片尤為重要。本文選用ATmega128L型單片機［6］，極大地提高了系統響應速率和抗干擾能力。

2.2傳感器模塊

系統傳感器模塊負責對監測環境的溫度、濕度、氣壓、二氧化碳等環境因素進行精確感知［7］，通過并行數據傳輸方式提高了數據傳輸速率，節省主控I/O資源，降低了系統的工作能耗。

2.3無線通信模塊及電源管理模塊

系統采用GSM作為通信模塊，滿足用戶數據上傳共享，遠程監控等需求，同時，系統的電源管理模塊能夠實現鋰電池充電、電池余量監測以及在不同使用情況下升壓降壓的自動調整等功能。通信模塊及電源管理模塊的電路原理如圖4所示。

2.4系統軟件設計

并行數據采集的程序流程是實現系統節能高效，抗干擾能力強和穩定性高的關鍵因素之一。本系統的并行數據采集程序流程如圖5所示。

圖4　通信模塊及電源模塊電路原理圖Fig.4 Circuit schematic of communication module and power management module

圖5　系統程序流程圖Fig.5 Flow chart of system

系統的傳感器模塊選用單總線數字式傳感器，如達拉斯半導體公司的DS18B20數字式溫度傳感器。用戶通過LCD顯示屏選擇需要讀取的傳感器，系統進行初始化并向傳感器模塊發送復位喚醒信號，若檢測無誤，傳感器模塊則將進行序列號匹配，繼而讀取對應數據。經測試驗證，系統最多可支持4 0路同類傳感器的數據采集。同時，系統具有自檢功能，可向用戶提供具體故障信息。因此，系統的數據采集具有響應快，抗干擾能力強，功耗低等優勢。

3　結束語

本文設計了一種多功能并行數據采集手持終端，系統采用并行數據采集方式，極大地降低了主控的I/O資源的占用。多傳感器協調合作保障該系統在不同應用環境下都有卓越的表現。系統結構合理，器件材料成本低，操作便捷可靠。具有一定的應用前景和參考價值。

［1］鄭麗華，凌慶年，厲魯衛.基于工業無線網絡的手持器的設計［J］.電測與儀表，2010，47（536A）：131-134.

［2］烏建中，陳吉，張珍，等.基于CC2530的無線手持器設計［J］.機電一體化，2010，16（10）：76-79.

［3］孫玉梅，邵利敏，李娜，等.GSM手持儀在農業溫室中的應用［J］.農機化研究，2007（5）：181-182，185.

［4］徐正平，許永森，孫超，等.多通道并行溫度采集系統［J］.電子測量技術，2014，37（12）：93-98.

［5］葉丹霞，王家禮.GSM模塊TC35及在遠程監控系統中的應用［J］.現代電子技術，2005（5）：62-64，67.

［6］李強，胡蘊琪，王曉君，等.基于AVR單片機的無線環境監測儀設計［J］.數字技術與應用，2012（8）：121，123.

［7］杜江洪.多傳感器的環境信息無線監測網絡設計［J］.儀表技術與傳感器，2012（8）：66-68，77.

System design of multi-functional handheld terminal based on parallel data collection

CHEN Hao，CHU Qianyun
（School of Electronic Information Engineering，Anhui University，Hefei 230601，China）

With the development of modern agriculture and industry，the data collection of special operate environment is getting increasingly important.In this paper，a multi-functional handheld terminal based on parallel data collection is designed，the terminal collects environmental information by means of parallelism and accomplishes data fusion and saving；users are able to acquire field information by LCD displayer，the information is transmitted to control center by GSM module.After using and testing，the system operates reliably，and has superior anti-interference ability.Besides，the collected data can be updated promptly.

parallel data collection；multi-function；GSM module

TP391

A

2095-2163（2016）03-0108-03

2016-05-10

安徽大學2015年國家級大學生創新創業訓練計劃項目（201510357054）。

陳 昊（1995-），男，本科生，主要研究方向：通信與電子技術、信號處理；褚倩云（1995-），女，本科生，主要研究方向：通信與電子技術。