基于三星ARM A8的智能實驗室管理系統(tǒng)設(shè)計

趙剛+何博+曾智+黃浩+王陸強(qiáng)

摘要：智能家居在我們的生活中是越來越發(fā)展起來了，隨著智能家居的發(fā)展，在我們實驗室方面也可以借鑒智能家居的發(fā)展。智能實驗室是利用先進(jìn)的科學(xué)計算機(jī)技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)等將實驗室的各種子系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合在一起，通過統(tǒng)籌管理，讓我們的實驗室能安全、舒適、有效的利用，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通訊技術(shù)的發(fā)展，以及嵌入式的日漸完善，智能實驗室也是時代開發(fā)的熱點，而嵌入式系統(tǒng)具有體積較小，功能強(qiáng)大，可靠性高等特點，被廣泛的應(yīng)用到各個領(lǐng)域。所以結(jié)合智能家居的發(fā)展和嵌入式的研究，與我們在實驗室應(yīng)用方面的需求，提出了智能實驗室管理系統(tǒng)的設(shè)計。智能實驗室管理系統(tǒng)設(shè)計如下：（1）搭建實驗室網(wǎng)關(guān)硬件開發(fā)平臺，android系統(tǒng)的開發(fā)；（2）掌握android平臺上的底層開發(fā)，讀取串口數(shù)據(jù)；（3）搭建嵌入式web服務(wù)器，結(jié)合SQLite結(jié)構(gòu)一個輕量級數(shù)據(jù)庫來開發(fā)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)；（4）各個實驗室組內(nèi)部組網(wǎng)系統(tǒng)，利用TI公司的CC2530的zigbee模塊來做無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來做無線傳感器的硬件開發(fā)，最終實現(xiàn)用戶的遠(yuǎn)程web訪問智能實驗室的網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)；（5）在各個實驗室安裝安防模組硬件設(shè)施，主要是以STM32+CC2530作為數(shù)據(jù)采集和傳輸，以及氣體監(jiān)控，溫濕度監(jiān)控，火焰控制等功能。

關(guān)鍵詞：智能實驗室Android；CC2530；Web實驗室網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)STM32

1引言

發(fā)展智能實驗室是社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的必然條件，智能實驗室是實現(xiàn)對實驗室的實時監(jiān)控，管理和利用，能夠舒適、安全、有效實時的對所控制的實驗室進(jìn)行管理。我們智能實驗室利用STM32單片機(jī)（STM32單片機(jī)具有成本低，功能強(qiáng)大，可編程容易，體積小，功耗低等優(yōu)勢）作為我們各個實驗室子系統(tǒng)的發(fā)送控制端，我們ARM8開發(fā)板作為我們的主機(jī)利用串口讀取zigbee數(shù)據(jù)來有效接收子系統(tǒng)的狀況和控制子系統(tǒng)。

在ARM8的開發(fā)板上我們利用Aandroid的控制系統(tǒng)開發(fā)和數(shù)據(jù)庫SQLite以及搭建嵌入式Web服務(wù)器等有機(jī)結(jié)束構(gòu)建一個輕量級數(shù)據(jù)庫來遠(yuǎn)程開發(fā)控制系統(tǒng)。我們利用ARM8開發(fā)板來編寫控制界面和數(shù)據(jù)處理，并將有效數(shù)據(jù)分享Web服務(wù)器讓遠(yuǎn)程能夠?qū)崟r的檢測我們系統(tǒng)的信息，并且利用讀取Web我們主機(jī)ARM8開發(fā)板能夠有效的讀取遠(yuǎn)程用戶的控制信息，這樣能夠有效的實驗用戶遠(yuǎn)程監(jiān)控與控制。

通過MQ-5液化氣檢模塊達(dá)到對天然氣、煤氣、酒精氣體等氣體檢測和煙霧等電氣參數(shù)的采集，之后通過AM2305溫濕度傳感器采集溫度和濕度，AM2305主要通過單總線通訊協(xié)議的方式采集數(shù)據(jù)，因其具有校準(zhǔn)功能，所以采集到的數(shù)據(jù)十分準(zhǔn)確。利用火焰?zhèn)鞲衅髂K可以檢測火焰或者波長在760納米～1100納米范圍內(nèi)的火焰，探測角度60°左右，對火焰光譜特別敏感，利用比較輸出、信號干凈、波形好、驅(qū)動能力強(qiáng)、超過15mA等優(yōu)勢，通過以上模塊將所需要的參數(shù)采集到，通過無線傳輸?shù)姆绞絺鬏數(shù)娇刂葡到y(tǒng)，在手機(jī)上可以讀出所采集到的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行實時監(jiān)控。所以，實現(xiàn)智能實驗室的數(shù)的監(jiān)測，及時掌握實驗室設(shè)備的運行情況。

2 液化氣體采集系統(tǒng)的設(shè)計

本系統(tǒng)通過MQ-5液化氣檢模塊達(dá)到對天然氣、煤氣、酒精氣體等氣體檢測和煙霧等電氣參數(shù)的采集，采用工業(yè)級專業(yè)電能計算芯片，對氣體信號進(jìn)行采集，通過高速處理器讀出計量芯片提供的參數(shù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、處理、儲存。MQ-5傳感器對丁烷、丙烷、甲烷靈敏度高，對甲烷和丙烷可較好的兼顧，這種傳感器可檢測多種可燃?xì)怏w，特別是液化氣（丙烷），是一款適合多種應(yīng)用的低成本傳感器。在較寬的濃度范圍內(nèi)可對可燃?xì)怏w有較好的靈敏度：

3溫濕度采集

一種擁有溫濕度結(jié)合以及準(zhǔn)確數(shù)字信號的測量的護(hù)額型傳感器AM2305，它是一款數(shù)字溫濕度傳感器。它擁有專門的溫濕度傳感和數(shù)據(jù)采集技術(shù)，使產(chǎn)品擁有高性能的長期穩(wěn)定性和卓越的可靠性。有一個測溫器件和一個電容式感濕器件組成的傳感器，并且連接一個8位單片機(jī)。校準(zhǔn)系數(shù)都是經(jīng)過程序儲存在OTP中的，檢測信號和處理比較準(zhǔn)確。單總線接口形式，令傳感器系統(tǒng)的合成顯得十分便捷。信號的傳輸距離在20米左右和較小的體積和功耗是各種應(yīng)用場合上的最佳選擇。

3.1電氣特性

VDD=5V，T=25℃，特殊情況：

注：采樣間隔不低于2秒

3.3單總線通訊協(xié)議

單總線的通訊方式和其他的通訊方式大致相同，為了保證數(shù)據(jù)的完整性對于通訊協(xié)議比較嚴(yán)格。單總線芯片在數(shù)據(jù)傳輸過程中，每個單總線芯片都擁有唯一的地址，系統(tǒng)主機(jī)一旦選中某個芯片，就會保證通信連接直到復(fù)位，其他器件則全部脫離總線，在下次復(fù)位之前不參與任何通信[1]。

3.3.1單總線通信信號類型

單總線通訊有以下幾種，主機(jī)的復(fù)位脈沖、從機(jī)的應(yīng)答脈沖、寫0、寫1、讀0和讀1。

下面就單總線的兩種寫時隙寫0和寫1進(jìn)行簡單的介紹。主要有主機(jī)寫入1和0傳入到從機(jī)相應(yīng)的1和0。每次的寫時隙有60us的間隔。1時隙的產(chǎn)生方式：主機(jī)拉低總線后，接著必須在15us之內(nèi)釋放總線，由上拉電阻將總線拉至高電平；主機(jī)先將總線拉底，在15us內(nèi)釋放，將總線拉倒高電平。0時隙的產(chǎn)生方式為在總線被拉低后，一直保持低電平。（至少60us）。下圖給為寫時隙（包括1和0）時序的圖形解釋。

3.3.2單總線通信的初始化

初始化序列是所有在單總線上的通信的開始，初始化序列包括復(fù)位脈沖和應(yīng)答脈沖。黑色實線代表系統(tǒng)主機(jī)拉低總線，灰色實線代表從機(jī)拉低總線，而黑色的虛線則代表上拉電阻極愛那個總線拉高[2]。復(fù)位與應(yīng)答脈沖的工作情況如下圖：

4軟件設(shè)計網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

4.1STM32單片機(jī)軟件設(shè)計

系統(tǒng)啟動之后，由STM32單片機(jī)通過安裝在實驗室硬件上的傳感器采集所需要的參數(shù)值，之后利用zigbee無線傳輸模塊進(jìn)行對數(shù)據(jù)的輸送，將其傳輸?shù)街鳈C(jī)上達(dá)到對各種參數(shù)的實時監(jiān)控。利用上述方法達(dá)到預(yù)期的功能，實現(xiàn)智能實驗室控制的目的。endprint

程序流程框圖如圖4所示：

4.1客戶機(jī)/服務(wù)器通訊的實現(xiàn)

1服務(wù)器的開發(fā)

（1）服務(wù)器端實現(xiàn)對主機(jī)某個端口的不斷監(jiān)聽，并不斷的接受客戶機(jī)的連接請求，當(dāng)受到連接后打印客戶信息的并向客戶端完成一次服務(wù)。

（2）使用readUTF方式的DataInputStream處理流的提供的方法，功能為讀取滿足UTF格式的字符串。并使用writeUTF方法為DataOutputStream處理流提供的方法，功能為寫出滿意足UTF格式的字符。在一般的的網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生學(xué)消息都在發(fā)送端用writeUTF方法寫，在接收端用writeUTF方法寫，在接收端使用readUTF方法讀取這樣程序的兼容性強(qiáng)，不容易受到亂碼。

2客戶機(jī)的開發(fā)

（1）客戶端用于對某個固定IP的服務(wù)器進(jìn)行連接，接著向服務(wù)器發(fā)送一條消息，最后接受服務(wù)器返回的消息并打印。

（2）為了與服務(wù)器對應(yīng)，發(fā)送消息還要用DataInputStream的writeUTF方法。同時應(yīng)該注意的兩邊的首發(fā)順序是互逆的，服務(wù)器先收后發(fā)，客戶機(jī)先發(fā)后收。

6結(jié)束語

本次項目的模擬裝置能基本實現(xiàn)傳感器值的采集、無線數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)對各種參數(shù)的實時監(jiān)控，能及時準(zhǔn)確的系統(tǒng)中各種參數(shù)的變化情況。整個系統(tǒng)成本低，操作簡單，數(shù)據(jù)顯示穩(wěn)定、及時、精確。同時利用MQ-5煙霧模塊、AM2305溫濕度傳感器、火焰?zhèn)鞲衅骺梢允顾杉臄?shù)據(jù)十分的精準(zhǔn)。此項目的開展也對智能實驗室的數(shù)據(jù)采集方面有現(xiàn)實意義。

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作者簡介：趙剛（1993-），男，四川南充人，本科，主要從事基于ARM開發(fā)板的智能實驗室軟件界面設(shè)計以及ARM開發(fā)板的底層驅(qū)動的編寫。

通訊作者：李富鋼，本科，實驗師，主要從事智能控制領(lǐng)域。

項目資助：樂山市科技局重點研究項目。endprint