基于嵌入式平臺的房間溫度場實時繪制系統(tǒng)

周奕++仇潤鶴

摘 要：介紹了一種基于嵌入式的房間溫度場實時繪制系統(tǒng)，整個系統(tǒng)由分布房間中的采集節(jié)點、現(xiàn)場采集終端和遠程數(shù)據(jù)中心組成。首先采集節(jié)點采集房間溫度信息，經過現(xiàn)場采集終端的中轉和遠程數(shù)據(jù)中心通信，數(shù)據(jù)中心處理溫度位置數(shù)據(jù)，將溫度信息進行實時的可視化，即繪制溫度場，反映一個時間段中的溫度場變化。通過介紹采集節(jié)點的設計、現(xiàn)場采集終端設計和溫度場繪制方法，并使用Labview軟件，采用溫度場繪制方法，繪制出形象的溫度場圖形。通過測試驗證系統(tǒng)應用的可靠性和溫度場圖形繪制的準確性。

關鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；溫度場；短距傳輸技術；Labview

中圖分類號：TP73 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）05-0004-02

溫度在一定程度上反映了物體內能的變化，而溫度場的動態(tài)量的測量是對物體內部能量的變化、熱能傳遞方向和大小進行判斷、計算，還可以根據(jù)熱平衡方程和邊界條件得到試樣的導熱系數(shù)、導溫系數(shù)等熱物性參數(shù)。

該系統(tǒng)采用的測量方法是通過在一壓力區(qū)域內傳感器陣列獲取各測試點上的溫度值，最后再通過上位機對這些溫度值進行實時處理，得到相應區(qū)域各個時刻的溫度場。與現(xiàn)有的溫度場測量技術相比，這種新方法的溫度場測量速度更快、準確性更高、裝置的研制難度低，完全滿足溫度場的測試要求，并能夠實時地反映一段時間內溫度場的變化。

該系統(tǒng)是一套多點溫度測試系統(tǒng)，其中每個采集點相對獨立。此外，采集點的數(shù)量不僅與測試系統(tǒng)的成本有關，同時直接影響測量精度。因此，在壓力場測試時傳感器陣列的布放要求布局合理。

遠程數(shù)據(jù)中心的服務器解釋前端數(shù)據(jù)，首先在軟件上構筑測試房間的幾何模型，根據(jù)期望計算精度劃分網(wǎng)格，在模型上定位測試點的空間位置，軟件將根據(jù)位置參數(shù)自動計算各個測試點應當歸屬的計算網(wǎng)格，最后繪制出溫度場圖形。

1 系統(tǒng)設計

基于嵌入式平臺的房間溫度場繪制系統(tǒng)是由房間布放的采集節(jié)點、現(xiàn)場采集終端和遠程數(shù)據(jù)中心三級結構組成，級與級之間通過短距傳輸無線網(wǎng)絡和GPRS網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù)，其系統(tǒng)結構如圖1所示。

1.1 采集節(jié)點設計

采集節(jié)點設計如圖2所示。

節(jié)點選用STM32F103嵌入式芯片，該芯片具有指令執(zhí)行速度快、集成度高等特點。通過SPI口訪問無線收發(fā)模塊，溫度傳感器信號經過嵌入式芯片的A/D轉換模塊轉換成數(shù)字信號，再經過線性變換轉換成實際溫度值。

節(jié)點處理的具體步驟如下：①通過PT100溫度傳感器，將房間溫度信息轉化成電壓信號，接著A/D轉化模塊將電壓信號轉化成數(shù)字信號；②傳輸?shù)教幚硇酒M行數(shù)據(jù)處理；③將處理后的溫度信息通過SPI接口存入SD卡中，同時通過短距傳輸模塊傳輸?shù)浆F(xiàn)場采集終端。

圖1 基于嵌入式平臺的房間溫度場 圖2 采集節(jié)點設計框圖

繪制系統(tǒng)結構

1.2 現(xiàn)場采集終端設計

現(xiàn)場采集終端設計如圖3所示。

圖3 現(xiàn)場采集終端設計框圖

現(xiàn)場采集終端在整個系統(tǒng)中起到核心作用，它不僅要收集采集節(jié)點的溫度信息，還要將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。

在收集采集節(jié)點的數(shù)據(jù)時，采用了ADF7021收發(fā)模塊，是實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P鍵器件，該器件融合了En-hancedShoekBurst 技術。接著將數(shù)據(jù)通過SPI接口傳輸?shù)教幚硇酒M行處理，最后將數(shù)據(jù)通過UART串口發(fā)送到GSM模塊。終端采用了SIMCOM公司的工業(yè)級雙頻GSM/GPRS模塊——SIM900A，通過GPRS網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h程數(shù)據(jù)中心。

1.3 遠程數(shù)據(jù)中心設計

遠程數(shù)據(jù)中心運用Labview開發(fā)人機交互友好界面，使用TCP/IP協(xié)議建立SOCKET連接，與現(xiàn)場采集終端的GSM模塊進行通信，并配合專業(yè)軟件實現(xiàn)溫度的實時可視化。

在實現(xiàn)溫度的可視化過程中采用了獨特的繪制方法。在軟件上構筑測試平面的幾何模型，根據(jù)期望計算精度劃分網(wǎng)格，在模型上定位測試點的空間位置，軟件根據(jù)位置參數(shù)自動計算各個測試點應當歸屬的計算網(wǎng)格。

測試數(shù)據(jù)的獲取時間間隔和探頭的響應時間應當遠遠小于測試數(shù)據(jù)變化的時間常數(shù)。因此，在每一時刻溫度場的計算過程中，可以將此時刻的溫度場近似為穩(wěn)態(tài)過程，以簡化計算。

算法把空間分為有限數(shù)目的網(wǎng)格單元，將微分方程變換為差分方程，通過數(shù)值計算直接求取各網(wǎng)格單元節(jié)點的溫度，最常見的網(wǎng)格劃分及對應的差分方程如圖4所示。但與其他算法不同的是，本算法將測試數(shù)據(jù)作為邊界條件，直接約束迭代計算過程，達到期望的結果。溫度場計算的準確程度取決于測試點的多少和是否放置在特征點上，真正實現(xiàn)了測試點越多，越能理解物體的本質；當測試點密集到一定程度，則測點位置已不重要，計算結果都能反映真實情況。如果測試點有限，而根據(jù)測試數(shù)據(jù)算出的溫度場/濃度場不合常理，這說明測試點位置有可能有問題，不在特征點上。因此，溫度場繪制方法可以幫助完善測試點位置的選擇。

2 測試與分析

通過現(xiàn)場采集終端的實時采集，可以在遠程數(shù)據(jù)中心實時得到各個采集點的溫度數(shù)據(jù)變化，下表1為10：11—14：11每隔1 h的房間內9個溫度采集點的溫度數(shù)據(jù)變化。

表1 9個溫度采集點的溫度數(shù)據(jù)變化表

利用遠程計算機處記錄采集的9個點的溫度信息以及它們的位置坐標，首先采用溫度場繪制方法構筑測試平面的幾何模型，根據(jù)期望計算精度劃分網(wǎng)格，在模型上定位測試點的空間位置。根據(jù)位置參數(shù)自動計算各個測試點應當歸屬的計算網(wǎng)格，最后為每個點配以不同的配色方案繪制每個時刻房間的溫度場圖片。圖5為10：11—14：11內每隔1 h測試房間內的溫度場變化。

從溫度場的變化來看，10：11—13：11的溫度場整體顏色有淺變深，表明房間溫度從上午到中午不斷上升，可見空氣源熱泵系統(tǒng)開始運行，使房間不斷加熱。而從13：11后溫度場整體顏色由深變淺，表明房間溫度到了下午有不斷下降的趨勢；最后顏色分布均勻，表明空氣源熱泵系統(tǒng)能夠按照控制要求控制房間溫度。整個過程表明該空氣源熱泵系統(tǒng)設計能夠按照控制要求控制室內溫度，控制時間需要4 h左右。對于溫度場中出現(xiàn)的溫度奇點，主要是由兩個原因造成：①由于溫度場算法采用連續(xù)性方程，需要特征點，而圖中的奇點即特征點；②圖中奇點表明空調系統(tǒng)送風路徑及其送風大小變化，比如從13：11和14：11時的情況可以看出，空調系統(tǒng)送風口位于房屋一角，同時可以看出隨著房間溫度達到控制值，送風量越來越小。