多功能并行數(shù)據(jù)采集手持終端系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳 昊，褚倩云

（安徽大學(xué)電子信息工程學(xué)院，合肥　230601）

多功能并行數(shù)據(jù)采集手持終端系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳 昊，褚倩云

（安徽大學(xué)電子信息工程學(xué)院，合肥230601）

現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)發(fā)展中，特殊作業(yè)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)采集工作受到了廣泛的關(guān)注。本文設(shè)計(jì)了一種多功能并行數(shù)據(jù)采集手持終端，終端利用并行數(shù)據(jù)采集方式將采集到的環(huán)境信息進(jìn)行融合并存儲(chǔ)，用戶可以通過LCD顯示屏實(shí)時(shí)讀取現(xiàn)場(chǎng)信息，并通過GSM模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至控制中心。經(jīng)試驗(yàn)證明，本終端運(yùn)行可靠，抗干擾能力強(qiáng)，采集的數(shù)據(jù)能及時(shí)更新。

并行數(shù)據(jù)采集；多功能；GSM模塊

0　引 言

現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)發(fā)展過程中，特殊作業(yè)領(lǐng)域如糧倉、地窖、沼氣池等環(huán)境數(shù)據(jù)采集工作受到了廣泛關(guān)注。這些特殊作業(yè)領(lǐng)域，或地域受限，或存在安全隱患，導(dǎo)致維修人員工作效率下降。因此，為檢修維護(hù)人員設(shè)計(jì)一種多功能并行數(shù)據(jù)采集手持終端即已成為一個(gè)具備高度現(xiàn)實(shí)意義的重要課題。浙江工業(yè)大學(xué)的研究人員設(shè)計(jì)推出了基于工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的手持器［1］，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集。同濟(jì)大學(xué)的研究人員引入CC2530芯片，降低了系統(tǒng)功耗，提升了傳輸距離［2］。河北農(nóng)業(yè)大學(xué)的研究人員利用GSM通信模塊致力于現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)上傳研究［3］，雖然拓展了數(shù)據(jù)采集手持器的應(yīng)用范圍，但在顯示效果方面卻仍存在欠缺。本設(shè)計(jì)融合吸收了以上各種方案的優(yōu)點(diǎn)長處，提出了一種多功能并行數(shù)據(jù)采集終端，該終端采用并行數(shù)據(jù)采集技術(shù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境信息的精確感知，采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過中央處理器的專門存儲(chǔ)，用戶通過LCD顯示屏實(shí)時(shí)讀取現(xiàn)場(chǎng)信息，GSM模塊可將數(shù)據(jù)發(fā)送至控制中心。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，本系統(tǒng)具有通用便捷性、低功耗、抗干擾能力強(qiáng)等特性。

1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

多功能并行數(shù)據(jù)采集終端主要由4個(gè)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(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　終端的體系結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of terminal

由圖1可知，體系結(jié)構(gòu)中各部分實(shí)現(xiàn)功能可做如下闡析：

1）傳感器模塊主要負(fù)責(zé)環(huán)境信息的精準(zhǔn)采集和信號(hào)的調(diào)理。傳感器模塊采集溫度、濕度、氣壓等現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，通過并行數(shù)據(jù)傳輸方式［4］，實(shí)時(shí)傳輸至中央控制單元。保障用戶及時(shí)獲取環(huán)境信息，快速確定現(xiàn)場(chǎng)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(shù)據(jù)存入SD卡，同時(shí)，LCD模塊的信息顯示周期可按照用戶需求設(shè)置。

3）無線通信模塊選用GSM模塊［5］，同時(shí)利用無線控制信道對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境信息進(jìn)行快速傳輸，性能穩(wěn)定并且方便可靠。在此基礎(chǔ)上，數(shù)據(jù)可轉(zhuǎn)存在云服務(wù)器中，遠(yuǎn)程用戶包括控制中心能夠通過云服務(wù)器實(shí)時(shí)掌握現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境信息，并迅速制定響應(yīng)方案。

本系統(tǒng)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(jī)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(tǒng)的抗干擾能力。因此，本系統(tǒng)的電源管理模塊可滿足各類多樣的現(xiàn)實(shí)電源需求。

2　系統(tǒng)硬件及軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)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(tǒng)硬件總框圖如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)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(guān)的外圍震蕩電路，時(shí)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(shè)計(jì)核心，選擇合適的主控芯片尤為重要。本文選用ATmega128L型單片機(jī)［6］，極大地提高了系統(tǒng)響應(yīng)速率和抗干擾能力。

2.2傳感器模塊

系統(tǒng)傳感器模塊負(fù)責(zé)對(duì)監(jiān)測(cè)環(huán)境的溫度、濕度、氣壓、二氧化碳等環(huán)境因素進(jìn)行精確感知［7］，通過并行數(shù)據(jù)傳輸方式提高了數(shù)據(jù)傳輸速率，節(jié)省主控I/O資源，降低了系統(tǒng)的工作能耗。

2.3無線通信模塊及電源管理模塊

系統(tǒng)采用GSM作為通信模塊，滿足用戶數(shù)據(jù)上傳共享，遠(yuǎn)程監(jiān)控等需求，同時(shí)，系統(tǒng)的電源管理模塊能夠?qū)崿F(xiàn)鋰電池充電、電池余量監(jiān)測(cè)以及在不同使用情況下升壓降壓的自動(dòng)調(diào)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(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

并行數(shù)據(jù)采集的程序流程是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能高效，抗干擾能力強(qiáng)和穩(wěn)定性高的關(guān)鍵因素之一。本系統(tǒng)的并行數(shù)據(jù)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(tǒng)程序流程圖Fig.5 Flow chart of system

系統(tǒng)的傳感器模塊選用單總線數(shù)字式傳感器，如達(dá)拉斯半導(dǎo)體公司的DS18B20數(shù)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(tǒng)進(jìn)行初始化并向傳感器模塊發(fā)送復(fù)位喚醒信號(hào)，若檢測(cè)無誤，傳感器模塊則將進(jìn)行序列號(hào)匹配，繼而讀取對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)。經(jīng)測(cè)試驗(yàn)證，系統(tǒng)最多可支持4 0路同類傳感器的數(shù)據(jù)采集。同時(shí)，系統(tǒng)具有自檢功能，可向用戶提供具體故障信息。因此，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集具有響應(yīng)快，抗干擾能力強(qiáng)，功耗低等優(yōu)勢(shì)。

3　結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種多功能并行數(shù)據(jù)采集手持終端，系統(tǒng)采用并行數(shù)據(jù)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(xié)調(diào)合作保障該系統(tǒng)在不同應(yīng)用環(huán)境下都有卓越的表現(xiàn)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理，器件材料成本低，操作便捷可靠。具有一定的應(yīng)用前景和參考價(jià)值。

［1］鄭麗華，凌慶年，厲魯衛(wèi).基于工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的手持器的設(shè)計(jì)［J］.電測(cè)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(shè)計(jì)［J］.機(jī)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(nóng)業(yè)溫室中的應(yīng)用［J］.農(nóng)機(jī)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(tǒng)［J］.電子測(cè)量技術(shù)，2014，37（12）：93-98.

［5］葉丹霞，王家禮.GSM模塊TC35及在遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2005（5）：62-64，67.

［6］李強(qiáng)，胡蘊(yùn)琪，王曉君，等.基于AVR單片機(jī)的無線環(huán)境監(jiān)測(cè)儀設(shè)計(jì)［J］.數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2012（8）：121，123.

［7］杜江洪.多傳感器的環(huán)境信息無線監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)［J］.儀表技術(shù)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(xué)2015年國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201510357054）。

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