基于物聯(lián)網(wǎng)的傳感器綜合實(shí)訓(xùn)平臺研發(fā)

劉振山

（威海職業(yè)學(xué)院，威海264210）

0 引言

傳感器及應(yīng)用技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)、應(yīng)用電子技術(shù)等專業(yè)等開設(shè)的一門重要專業(yè)課程，主要講述溫度、濕度、壓力、氣體、位移等常見物理量的檢測原理及常見傳感器的使用。學(xué)好本課程，就為后續(xù)單片機(jī)及無線傳感器組網(wǎng)課程等奠定了良好的硬件基礎(chǔ)，提高了學(xué)生對于物聯(lián)網(wǎng)感知層技術(shù)的掌握水平，從而有助于全面掌握本專業(yè)。

在以往的傳感器課程實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)，多使用老舊的傳感器實(shí)訓(xùn)平臺，此類平臺存在設(shè)備笨重、體積大、連線復(fù)雜、不易維護(hù)、測量結(jié)果不直觀、器件易損耗等問題。而目前各類物聯(lián)網(wǎng)實(shí)訓(xùn)器材又存在集成度過高、與其他課程關(guān)聯(lián)太大、不易拆分上課等問題。因此需要一種能夠獨(dú)立使用、開放接口、反映傳感器原理及使用方法、測量結(jié)果直觀、并能體現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)特點(diǎn)的實(shí)訓(xùn)平臺，滿足本課程實(shí)訓(xùn)教學(xué)的需求。

本項(xiàng)目立足于物聯(lián)網(wǎng)及相關(guān)專業(yè)的教學(xué)實(shí)際，以微控制器為核心，采用模塊化設(shè)計(jì)，并能通過本地顯示屏、上位機(jī)、安卓端等方式顯示測量信息，教學(xué)方便，結(jié)果直觀，具有很高的實(shí)際應(yīng)用價值。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目主要研發(fā)一種基于物聯(lián)網(wǎng)的傳感器綜合實(shí)訓(xùn)平臺，整個系統(tǒng)以STC12C5A60S2 微控制器為核心，其特點(diǎn)是內(nèi)部有8 路高速10 位A/D 轉(zhuǎn)換器，2 個全雙工串口。首先將電子信息類專業(yè)涉及到的各類常用傳感器及驅(qū)動電路進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，然后經(jīng)微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，在本地輸出設(shè)備顯示，并可以通過串行口以有線方式將數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)，也可以通過平臺的藍(lán)牙/WIFI 模塊將數(shù)據(jù)以無線方式發(fā)送至安卓設(shè)備，上位機(jī)和安卓端可以發(fā)送控制指令對輸出設(shè)備進(jìn)行控制。整個實(shí)訓(xùn)平臺采用模塊化設(shè)計(jì)，可以進(jìn)行后續(xù)擴(kuò)展。系統(tǒng)組成如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 傳感器模塊設(shè)計(jì)

平臺的傳感器采用模塊化設(shè)計(jì)，各模塊尺寸統(tǒng)一，傳感器模塊既有利于實(shí)訓(xùn)操作又有利于原理講解與驗(yàn)證。系統(tǒng)采用微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、顯示、傳送；以微處理器為核心的系統(tǒng)既能獨(dú)立顯示測量結(jié)果，又能通過有線方式將數(shù)據(jù)上傳至PC 端，還能通過無線方式將數(shù)據(jù)上傳至安卓端。本平臺模塊更換方便、易于維護(hù)、整體造價低。

傳感器模塊采用地址碼加數(shù)據(jù)線設(shè)計(jì)，由微控制器STC12C5A60S2 和集成電路74LS165 完成傳感器模塊地址采集與識別，其原理為由5 片74LS165 經(jīng)過級聯(lián)組成并行轉(zhuǎn)串行接口電路，微控制器通過三個通用IO 端口模擬串行時序，即可讀取當(dāng)前實(shí)訓(xùn)平臺連接的傳感器模塊的數(shù)量、種類。采用這種電路設(shè)計(jì)，既節(jié)約了普通IO 管腳，又節(jié)省了一個串口。

采用四位地址編碼實(shí)現(xiàn)傳感器類型的自動判別，可以最多容納63 種不同傳感器模塊（當(dāng)沒有接入傳感器模塊時，讀取編碼為全1）。微控制器對傳感器模塊進(jìn)行識別后，自動調(diào)用相對應(yīng)的驅(qū)動程序進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫操作，從而獲知傳感器信息。其仿真電路如圖2 所示。

2.2 本地顯示模塊設(shè)計(jì)

傳感器的本地信息顯示采用工業(yè)串口觸摸屏，由微控制器和工業(yè)串口觸摸屏組成信息顯示與控制子系統(tǒng)。微控制器通過串口1 與觸摸屏進(jìn)行信息交互，第一：微控制器將采集到的傳感器信息發(fā)送至串口屏進(jìn)行顯示；第二：在串口屏上提供PC/WiFi/藍(lán)牙的通信切換功能，通過觸屏選擇，可以將傳感器信息發(fā)送至臺式機(jī)或者WiFi 模塊以及藍(lán)牙模塊，使用者可以通過手機(jī)端APP 查看傳感器的接入狀態(tài)及具體數(shù)據(jù)。傳感器信息與通信切換如圖3 所示。

圖2 傳感器模塊地址譯碼仿真電路

圖3 工業(yè)串口屏模塊

圖4 數(shù)據(jù)發(fā)送選擇模塊

2.3 數(shù)據(jù)發(fā)送選通模塊設(shè)計(jì)

由微控制器和數(shù)據(jù)選擇器以及數(shù)據(jù)分配器組成的傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送通道選擇子系統(tǒng)；由觸摸屏對數(shù)據(jù)通道進(jìn)行選擇，微控制器通過串口1 獲取選擇結(jié)果，根據(jù)觸摸屏發(fā)送的數(shù)據(jù)，通過控制數(shù)據(jù)選擇器以及數(shù)據(jù)分配器的地址信號，完成對PC 串口/WiFi/藍(lán)牙與微控制器的串口2的通信通道的選擇。仿真電路如圖4 所示。

2.4 WiFi 及藍(lán)牙模塊

WiFi 模塊選用業(yè)界廣泛應(yīng)用的ESP8266 無線收發(fā)模塊，支持豐富的Socket AT 指令，可以通過串口使用AT 指令對其參數(shù)進(jìn)行配置，實(shí)現(xiàn)串口數(shù)據(jù)透傳功能。藍(lán)牙模塊選用HC-05 主從一體模塊，配對成功后，即可作為全雙工串口使用而無需了解任何藍(lán)牙協(xié)議。其默認(rèn)常用的通訊格式為：9600，1，N。也可以通過AT 指令對其進(jìn)行修改。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 微控制器部分程序設(shè)計(jì)

微控制器是整個系統(tǒng)控制的核心，其主要功能為實(shí)時采集各傳感器模塊的接入狀態(tài)和傳感數(shù)據(jù)，并在本地串口屏進(jìn)行顯示；接收實(shí)體按鍵或者觸摸屏的按鍵信息，對無線模塊進(jìn)行選擇，并通過串口2 將傳感數(shù)據(jù)發(fā)送至對應(yīng)模塊。因此其主要的設(shè)計(jì)任務(wù)包括：傳感器地址譯碼與信息采集、工業(yè)串口觸摸屏的驅(qū)動、與PC/WiFi/藍(lán)牙的數(shù)據(jù)通信。其初始化任務(wù)主要有：GPIO 初始化、定時器初始化、串行口初始化。驅(qū)動主要有：地址譯碼部分的并行地址轉(zhuǎn)串行地址的驅(qū)動、串口屏的驅(qū)動。

3.2 C#.net 部分程序設(shè)計(jì)

在PC 端，采用C#.net 編程，實(shí)現(xiàn)掃描與選擇串口，設(shè)置串口參數(shù)如波特率、校驗(yàn)位、數(shù)據(jù)位、停止位等相關(guān)參數(shù)。接收單片機(jī)數(shù)據(jù)并且在主顯示區(qū)實(shí)時顯示傳感器模塊的接入情況和實(shí)際數(shù)值。

圖5 PC 端運(yùn)行界面

3.3 App Inventor 部分程序設(shè)計(jì)

手機(jī)端通過啟用自身藍(lán)牙模塊與實(shí)訓(xùn)平臺的藍(lán)牙模塊進(jìn)行配對連接，連接完成后，手機(jī)端和實(shí)訓(xùn)平臺即可通過藍(lán)牙模塊的串口透傳功能進(jìn)行信息的交互，一方面，可以在手機(jī)端查看傳感器的接入狀況和具體數(shù)值，另一方面，可以通過手機(jī)控制實(shí)訓(xùn)平臺的執(zhí)行模塊。（圖6）

4 制作調(diào)試

本系統(tǒng)經(jīng)過方案論證，傳感器的選型、驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)、測試電路的設(shè)計(jì)、傳感器模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、微控制器程序編寫、工作及測試用電源設(shè)計(jì)、上位機(jī)程序開發(fā)、安卓端程序開發(fā)、平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；仿真測試與實(shí)物制作，軟硬件聯(lián)調(diào)，各項(xiàng)功能達(dá)到了最初的設(shè)計(jì)目標(biāo)。主要解決了以下關(guān)鍵問題：

①各類傳感器模塊接口統(tǒng)一問題。傳感器不論哪種類型，信號接口保持統(tǒng)一，可以放在平臺任何一個插槽內(nèi)工作，避免模塊連接錯誤導(dǎo)致電路燒毀、硬件損壞；

②系統(tǒng)自動識別傳感器類型、自動進(jìn)行測量。以微控制器為核心的系統(tǒng)能夠自動識別接入的傳感器，并能夠調(diào)用相應(yīng)的測量程序，進(jìn)行自動測量及結(jié)果的顯示；

③上位機(jī)程序開發(fā)。以C#.net 為開發(fā)工具，能夠通過串行口與傳感器平臺進(jìn)行通信、在PC 端顯示測量結(jié)果；

④安卓端程序開發(fā)。能夠通過藍(lán)牙/WIFI 等無線通信方式與傳感器平臺進(jìn)行通信，并可進(jìn)行控制；

⑤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等關(guān)鍵問題。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、節(jié)約空間、接口設(shè)計(jì)簡潔統(tǒng)一、使用維護(hù)方便。

圖6 移動端運(yùn)行界面

5 總結(jié)

本項(xiàng)目研究了一種能夠適用于物聯(lián)網(wǎng)、應(yīng)用電子技術(shù)等專業(yè)的實(shí)訓(xùn)平臺，可以承擔(dān)傳感器課程的實(shí)訓(xùn)任務(wù)。傳感器模塊與平臺底板采用磁吸方式連接，可靠性高，不易損壞；實(shí)驗(yàn)平臺采用外接直流供電與自身電池供電，可進(jìn)行充電管理，充電后無外接電源時仍可使用；系統(tǒng)自動判斷傳感器模塊類型、自動調(diào)用相應(yīng)的驅(qū)動程序進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取；采用串口觸摸彩屏，無實(shí)體按鍵，操作方便，人機(jī)界面友好；可切換至PC、藍(lán)牙、WIFI 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸、使用靈活。此實(shí)訓(xùn)平臺的研發(fā)，可以解決目前傳統(tǒng)的傳感器試驗(yàn)臺設(shè)備笨重、顯示不直觀、無無線通信功能等種種不足，適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)及其他專業(yè)教學(xué)，量產(chǎn)投入使用后，可以極大地節(jié)約設(shè)備購置經(jīng)費(fèi)，并能顯著提高教學(xué)效果。