基于無線通信的多卡尺數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉玲　丁嘉輝　唐大衛(wèi)　曹明瑞　劉白雪

摘? 要：為了實(shí)現(xiàn)卡尺數(shù)據(jù)處理的高效率性、實(shí)時(shí)性、低誤判率，該文設(shè)計(jì)了基于無線通信多卡尺的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。利用現(xiàn)有的數(shù)顯游標(biāo)卡尺對(duì)鋼材或其他物體進(jìn)行測量，采用stm32主控進(jìn)行收集數(shù)顯游標(biāo)卡尺發(fā)送出來的數(shù)據(jù)，并通過控制WiFi模塊將數(shù)據(jù)無線發(fā)送至下位機(jī)。下位機(jī)對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、歸類分析并與設(shè)定量進(jìn)行對(duì)比。設(shè)計(jì)結(jié)果表明，該系統(tǒng)以云傳輸方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳遞，以WiFi模塊作為數(shù)據(jù)傳輸路徑實(shí)現(xiàn)一對(duì)多或多對(duì)一的無線數(shù)據(jù)傳輸，并且具有自動(dòng)比對(duì)，高效率的數(shù)據(jù)處理以及報(bào)警功能。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)? stm32? WiFi模塊? 數(shù)據(jù)處理? 報(bào)警功能

中圖分類號(hào)：TN98 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2020）02（c）-0018-04

在工業(yè)測量領(lǐng)域，尤其是鋼廠產(chǎn)品檢測方面，以往傳統(tǒng)的檢測方式是需要工人對(duì)產(chǎn)品檢測得出的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄并人工比對(duì)，由于檢測的產(chǎn)品數(shù)量往往很多，耗費(fèi)人力也浪費(fèi)鋼廠的財(cái)力，而且檢測效率極低，沒有實(shí)時(shí)性。因此關(guān)于測量檢測，目前文獻(xiàn)[1]采用有線方式通過傳輸線或網(wǎng)絡(luò)傳送入處理中心，然而這類方式受到通信線纜比較復(fù)雜，從而影響到現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集設(shè)備和數(shù)據(jù)的測量，且現(xiàn)場布線成本高，耗費(fèi)大，性價(jià)比嚴(yán)重偏低等因素的影響;文獻(xiàn)[2]在數(shù)顯卡尺的基礎(chǔ)上，以無線方式（藍(lán)牙）進(jìn)行一對(duì)一方式傳輸點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸，并可做到數(shù)據(jù)保存，但無法實(shí)現(xiàn)多卡尺同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，且傳輸距離短，易受干擾。在測量領(lǐng)域還缺少無線通信技術(shù)的數(shù)據(jù)集中處理、分析以及比對(duì)功能。

為滿足上述需求，該文提出通過WiFi的形式，以WiFi作為通信渠道，通信距離長，利用多卡尺同時(shí)傳送數(shù)據(jù)，即實(shí)現(xiàn)一對(duì)多或多對(duì)一功能。下位機(jī)對(duì)多把卡尺的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸類、分析和比對(duì)，若對(duì)比結(jié)果沒達(dá)到預(yù)期值，接收端則自動(dòng)報(bào)警提醒工人進(jìn)行標(biāo)記。下位機(jī)還具有存儲(chǔ)功能，將歸類分析好的數(shù)據(jù)以云傳輸?shù)男问桨l(fā)送到APP中進(jìn)行顯示，方便復(fù)檢員或老板復(fù)檢。

1? 基于游標(biāo)卡尺的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)

一種用于工業(yè)測量領(lǐng)域的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，對(duì)數(shù)據(jù)快捷化、準(zhǔn)確化及實(shí)時(shí)化測量，通過數(shù)顯游標(biāo)卡尺WiFi模塊將數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)傳至下位機(jī)，下位機(jī)將數(shù)據(jù)收集并與所需設(shè)定的數(shù)值進(jìn)行比較。如果發(fā)現(xiàn)所測數(shù)據(jù)與設(shè)定量不一樣，則數(shù)顯游標(biāo)卡尺的接收器上，接收器收到信號(hào)并發(fā)出“滴答”或“不合格”聲音告知人員此鋼材或其他物質(zhì)尺寸不合格。測量完畢后下位機(jī)將收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存，并對(duì)儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)集中歸類和分析，下位機(jī)再將分析好的數(shù)據(jù)以云傳輸?shù)男问桨l(fā)送到手機(jī)APP或電腦APP上，以周或月為單位，通過折線圖或條形圖直觀地表示產(chǎn)品的質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確上傳，方便復(fù)檢人員或廠長對(duì)檢測結(jié)果的審查。

該文重點(diǎn)解決：（1）以WiFi模塊作為數(shù)據(jù)傳輸路徑，可實(shí)現(xiàn)一對(duì)多或多對(duì)一的無線數(shù)據(jù)傳輸。（2）下位機(jī)功能，除存儲(chǔ)數(shù)據(jù)外，還可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸類分析，上位機(jī)還擁有自動(dòng)比對(duì)功能，大大降低誤判幾率，并具有自動(dòng)報(bào)警功能，可以大幅度提高工作效率。

實(shí)現(xiàn)上述需求，游標(biāo)卡尺控制系統(tǒng)圖如圖1所示。

2? 系統(tǒng)軟硬件采集實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件組成成分主要包括stm32c8t6核心處理器、WiFi無線模塊、報(bào)警模塊、電源電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

（1）stm32c8t6核心處理器。

具有72MHzCPU的速度和高達(dá)1MB的閃存。包含電動(dòng)機(jī)控制外圍設(shè)備以及CAN和USB全速接口。ARMCortex-M332位閃存微控制器工作時(shí)具有低功率、低電壓，并結(jié)合了實(shí)時(shí)功能的極佳性能。結(jié)合了高性能的RISC內(nèi)核，運(yùn)行頻率可達(dá)72MHz，以及高速內(nèi)嵌存儲(chǔ)器，增強(qiáng)范圍的強(qiáng)化輸入/輸出和外部連接至兩個(gè)APB總線。STM32F103C8T6具有12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，計(jì)時(shí)器，PWM計(jì)時(shí)器，標(biāo)準(zhǔn)和高級(jí)通訊接口。

（2）WiFi無線模塊。

ATK-ESP8266模塊采用串口與MCU通信，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，能夠?qū)崿F(xiàn)串口與WiFi之間的轉(zhuǎn)換ESP8266強(qiáng)大的片上處理和存儲(chǔ)能力，使其可通過GPIO口集成傳感器及其他應(yīng)用的特定設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了最低前期的開發(fā)和運(yùn)行中最少地占用系統(tǒng)資源。ESP8266高度片內(nèi)集成，包括天線開關(guān)balun、電源管理轉(zhuǎn)換器，因此僅需極少的外部電路，且包括前端模塊在內(nèi)的整個(gè)解決方案在設(shè)計(jì)時(shí)將所占PCB空間降到最低，內(nèi)置TR開關(guān)、balun、LNA、功率放大大器和匹配冗網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)還有PLL、穩(wěn)壓器和電源管理組件在802.11b模式下+19.5dBm的輸出功率并支持天線分集。斷電泄露電流小小于10μA，內(nèi)置低功率32位CPU可以兼作應(yīng)用用處理器具有A-MPDU、A-MSDU的聚合和0.4μs的保護(hù)間隔，2ms之內(nèi)喚醒、連接并傳遞數(shù)據(jù)包待機(jī)狀態(tài)消耗功率小小于1.0mW。串口框圖、數(shù)據(jù)接收及發(fā)送如圖3、圖4、圖5所示。

（3）報(bào)警模塊的設(shè)計(jì)。

報(bào)警模塊由3個(gè)人LED燈和蜂鳴器電路組成，3個(gè)LED分別為紅、黃、綠燈并且串聯(lián)一定阻值的電阻連入電路。蜂鳴器電路是由有源蜂鳴器一端串聯(lián)一個(gè)電阻接5V電源，另一端連接9014三極管的c端三極管b端串聯(lián)電阻引出另一端將與stm32c8t6核心處理器IO口連接，三極管的e端接地組成。單片機(jī)將系統(tǒng)的測量數(shù)值與預(yù)定值進(jìn)行比對(duì)，若不合格則通過無線網(wǎng)發(fā)送信號(hào)到合格器上。合格器采用stm32主控對(duì)WiFi接受模塊進(jìn)行控制收集發(fā)送的信號(hào)，收到信號(hào)后通過stm32控制蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲音。

2.2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件框圖主要包括WiFi通信程序、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)以及報(bào)警功能程序，以WiFi通信為數(shù)據(jù)傳輸且對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，不合格的報(bào)警警告，如圖6所示。

WiFi通信模塊通過串口模塊進(jìn)行配置，在stm32開發(fā)環(huán)境下設(shè)計(jì)完成。如圖7所示。

3? 系統(tǒng)程序功能實(shí)現(xiàn)

利用keil編程軟件搭建c語言環(huán)境對(duì)其stm32c8t6核心處理器進(jìn)行編譯控制。利用游標(biāo)卡尺對(duì)所測鋼管進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，將采集的數(shù)據(jù)由游標(biāo)卡尺數(shù)據(jù)傳輸線將數(shù)據(jù)傳至stm32c8t6核心處理器，stm32c8t6核心處理器通過串口進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取。stm32c8t6核心處理器將數(shù)據(jù)通過Wifi無線模塊將數(shù)據(jù)傳至pc終端。stm32c8t6核心處理器將通過串口獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，將對(duì)比的結(jié)果進(jìn)行儲(chǔ)存，并將比對(duì)結(jié)果發(fā)至PC端通過報(bào)警模塊將錯(cuò)誤數(shù)據(jù)進(jìn)行報(bào)警。

數(shù)據(jù)對(duì)比，首先向stm32c8t6核心處理器輸入一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)并在編程軟件下定義一個(gè)變量將其儲(chǔ)存，通過串口傳輸協(xié)議將卡尺所測數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取。通過報(bào)警模塊上的按鍵對(duì)所采集數(shù)據(jù)對(duì)比進(jìn)行開始，當(dāng)按下按鍵時(shí)將所測數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)對(duì)比并儲(chǔ)存在一個(gè)數(shù)組中，測不同5個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)依次按下按鍵對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比并儲(chǔ)存在同一數(shù)組里。將數(shù)組里數(shù)求均值，將均值與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)比如果誤差在允許范圍內(nèi)則通過報(bào)警模塊進(jìn)行閃綠燈和蜂鳴器響一下給測試者提示此產(chǎn)品合格。通過按下發(fā)送按鍵將測量數(shù)據(jù)通過WiFi無線模塊發(fā)送至pc端。如果均值與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較不在允許誤差內(nèi)則通過報(bào)警模塊進(jìn)行閃紅燈和蜂鳴器響3下給測試者提示此產(chǎn)品不合格。

stm32c8t6核心處理器可以做到多通道數(shù)據(jù)接收實(shí)現(xiàn)一對(duì)多或多對(duì)一的無線數(shù)據(jù)傳輸，多個(gè)游標(biāo)卡尺可以同時(shí)測量并將數(shù)據(jù)傳至stm32c8t6核心處理器通過從不同通道對(duì)多個(gè)游標(biāo)卡尺數(shù)據(jù)進(jìn)行采集定義不同變量將其儲(chǔ)存，可以進(jìn)行不同標(biāo)準(zhǔn)值的設(shè)定并進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比。

4? 結(jié)語

該文實(shí)現(xiàn)了WiFi通信傳輸數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了一對(duì)多或多對(duì)一的無線數(shù)據(jù)傳輸，完成了對(duì)整個(gè)無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)調(diào)試運(yùn)行工作。而且對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，比對(duì)，研究制造無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)合格器部分，將不合格產(chǎn)品自動(dòng)報(bào)警，大大降低誤判幾率，大幅度提高了工作效率，方便后續(xù)測量人員測量檢查。

參考文獻(xiàn)

[1] 萬輝，王杰，晏強(qiáng)，等.基于單片機(jī)的數(shù)顯游標(biāo)卡尺數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].工具技術(shù)，2017（12）：145-148.

[2] 劉海洋，季鋼.基于89C51單片機(jī)的數(shù)顯游標(biāo)卡尺智能測量系統(tǒng)[J].測控技術(shù)，2002（4）：65-66.

[3]李文峰，顧敦清.基于ARM11平臺(tái)的串口轉(zhuǎn)WiFi/GPRS雙網(wǎng)模塊設(shè)計(jì)[J].電子器件，2013（1）：84-88.

[4] 杜喜鵬，劉桂雄，洪曉斌.USB接口為基的游標(biāo)卡尺計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集軟件系統(tǒng)開發(fā)[J].現(xiàn)代制造工程，2009（6）：58，92-94.

[5] 謝行，謝兩可，康淑婷，等.數(shù)顯量具接口型式及發(fā)展[J].工具技術(shù)，2014，48（1）：85-87.

[6] 劉全順，曾祥楷，朱志雄，等.一種轉(zhuǎn)速遙測儀的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2015（10）：27-29.

[7] TM32F4xx.中文參考手冊(cè)[Z].