基于FPGA智能溫度采集系統的設計研究*

李 林

（江西師范高等專科學校，江西 鷹潭 335000）

0 引言

隨著社會經濟的不斷發展和人民生活水平的迅速提高，各種環境問題日益突出，如全球變暖和水環境污染等[1]。在氣候環境監測和水質監測中，溫度的檢測顯得越來重要[2]。同時，在工業生產和日常生活中，溫度的測量是少不了的，如需要實時監測元器件生產和使用過程中溫度的變化，監測深林、室內、人體等溫度的變化[3]，這對預防重大事故、自然災害、疾病等都具有非常重要的作用。因此，設計一種低成本、高性能、低功耗的智能溫度采集系統，具有非常重要的現實意義。

目前，溫度采集系統主要是通過現場人工監測實現溫度采集。這種方法具有耗時、耗力以及成本高等缺點[4]；例如通過RS232等接口，采用有線方式將數據傳輸到PC機[5]，這種方式非常適合短距離數據采集，當傳輸距離較長時，數據的采集成本和系統的布線難度會大大增加[6]；此外，還有一種基于局域GPRS短信的數據傳輸方式，這種傳輸方式設計相對簡單，成本也相對較低，但是采用的是發送短信的方式，需要預先定義好數據接收的對象。這使得用戶對象在一定程度上受到限制。針對這些問題，筆者設計了一種以XILINX FPGA作為主控芯片的智能溫度采集系統，該系統在數據采集前端不僅僅實現了溫度的LCD實時顯示和I2C串口通信，而且還可以在短距離內通過網絡或OneNet云端實現對溫度信息的遠程實時監測，該系統具有體積小、功耗低、使用方便等特點。

1 控制系統設計

文章所設計的智能溫度采集系統的系統結構設計框圖如圖1所示。

由圖1可知，整個系統由數據采集前端設備、以太網通信設備、WiFi模塊、后臺數據處理設備和云平臺構成，其中終端采集設備有測溫傳感器、FPGA構成，溫度傳感器將監測到的溫度信息發送給FPGA，FPGA將溫度數據進行處理匯總。WiFi模塊負責將數據傳輸到云平臺，實現數據云端遠程查看。以太網通信設備自動通過以太網協議將溫度信息發送到數據處理設備，實現數據的實時傳輸。后臺數據處理設備主要由服務器和數據分析軟件兩部分組成。服務器接收前端采集溫度信息并匯總到數據分析軟件，數據分析軟件通過Python語言編寫，并通過可視化的手段將數據呈現。如輸入某一時間，可以輸出該時間之前一段時間的溫度記錄信息，并自動生成Excel文件保存，同時可以打印輸出。

圖1 系統框圖

系統的云平臺選擇移動的OneNet平臺作為數據平臺的存儲和指令的中轉站，在OneNet云平臺和終端采集設備之間，通過WiFi建立數據連接，實現數據交互。

2 系統硬件設計

本系統的硬件包括數據采集前端的采集設備和后臺服務器。數據前端采集設備由溫度傳感器LM75，XILINX的ARTIX-7芯片，LCD顯示屏，WiFi模塊和Micrel公司的KSZ9031RNX以太網PHY芯片構成。其硬件系統結構圖如圖2所示。

其中溫度傳感器LM75為非接觸式的傳感器，支持高速I2C協議，可以在-55℃~+125℃的溫度范圍內將溫度直接轉換為數字信號，測量的分辨率可達0.125℃。LM75共有8個引腳，如圖3所示。其中VDD和GND引腳分別接FPGA的3.3 V和GND引腳。SCL和SDA分別接FPGA的各個模擬接口。INT為終端輸出端口，這里設置開路，A0~A2為用戶定義的地址信號，這里把A0接3.3 V，A1和A2接地。

圖3 LM75溫度傳感器模塊圖

WiFi模塊采用商用的EPS8266芯片，通過串口通信協議與FPGA進行通信[7]，其模塊的結構示意圖類似于LM75，這里不再進行敘述。LCD顯示屏與FPGA的連接以及使用已經很成熟了，這里不再贅述。通信模塊采用的是Micrel公司的KSZ9031RNX以太網PHY芯片。通信模塊要與FPGA通信，所以要讓通信模塊的讀寫端口與FPGA引腳相連，其通信模塊圖如圖4所示。

圖4 通信模塊圖

3 系統軟件設計

系統軟件主要由FPGA內部程序、OneNet云平臺和服務器軟件三大部分組成。其中FPGA內部程序的功能主要是對溫度傳感器測溫信號進行采集、處理、顯示，以及通過WiFi模塊將溫度信息上傳至OneNet云平臺和通過KSZ9031RNX將數據發送至服務器。該系統具體的工作流程如下：現場由溫度傳感器LM75對溫度進行測量，同時將所測量的溫度數據信息發送到FPGA進行處理，FPGA將處理后的數據傳輸到LCD上進行實時顯示的同時，通過以太網芯片KSZ9031RNX將數據發送到服務器，并通過WiFi模塊將數據上傳到OneNet云平臺上。

OneNet云平臺是中國移動公司全力開發的物聯網免費開放平臺。平臺內部采用了多種標準協議，供開發者進行選擇，具有開發流程簡單、使用方便和功能完備等特點[8]。服務器軟件程序采用Python語言完成程序的編寫，完成溫度信息的匯總、存儲、可視化顯示以及自動報表的生成等功能。服務器將前端溫度采集設備發送過來的溫度信息接收并存儲在服務器上，同時將溫度信息和時間信息自動轉變為Excel格式，生成報表。且在終端服務器上以動態圖的形式實時顯示當前和歷史的溫度信息，該系統主程序的工作流程如圖5所示。

圖5 系統主程序流程圖

4 調試

設置若干個不同的測試點進行測試，將測試端采集到的溫度數據上傳至后臺數據處理設備，達到實時監控當前溫度信息，并動態顯示歷史溫度信息的要求。當所有的設備都調試完成，首先打開數據采集前端設備，對室內溫度進行測量，溫度采集模塊采集當前室內溫度數據，上傳至FPGA，通過前端LCD實時顯示當前室內溫度；然后打開后臺數據處理設備，接收數據采集端發送過來的溫度數據，并且在上位機上動態實時顯示采集端的溫度信息，同時將接收到的信息進行格式轉換和存儲；最后系統OneNet云端將數據推送出去實現遠程實時查看。

5 結論

本設計中的智能溫度采集系統采用了XILINX FPGA作為控制中樞，有效提高了溫度采集的效率和精度，能夠實現溫度信息的自動采集和監控。完成了后臺數據處理設備的上位機的開發，實現了遠程監控平臺的設計，最終實現溫度傳感器LM75采集的溫度數據以及LCD顯示、PC端上位機和OneNet云平臺的遠程實時查看等功能。實驗室對該系統完成了整機測試，系統運行良好。

為了提高該系統的應用領域，后續可以通過增加數據采集參數、前端數據采集傳感器，設計自組建網絡平臺，優化系統的硬件設計方案等來對該系統進行改進。