基于多平臺互交的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究與開發(fā)

龐凱元,徐家川

(山東理工大學 交通與車輛工程學院, 山東 淄博 255049)

隨著計算機技術、軟件技術和網(wǎng)絡技術的發(fā)展，越來越多通過傳感器采集的數(shù)據(jù)可以通過計算機和儀器的結合實時顯示到人們面前。LabVIEW是美國國家儀器(NI)公司開發(fā)的圖形化編程語言(G語言)，該語言能實現(xiàn)在封裝函數(shù)功能的同時完成數(shù)據(jù)流控制[1]，但是其配套的數(shù)據(jù)采集卡較為昂貴、不支持編程更改。近年來，國內(nèi)外越來越多的研究者開始使用LabVIEW或LabVIEW多平臺互交的理念去解決眾多的實際問題，多平臺互交的優(yōu)勢逐漸體現(xiàn)[2-4]。

本文針對與LabVIEW相匹配的數(shù)據(jù)采集卡較為昂貴且不方便、不支持編程處理等問題,研究并開發(fā)一套基于多平臺互交、中長距離數(shù)據(jù)傳輸并實時顯示的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

1 無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的整體框架

該無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是在山東理工大學至尚方程式賽車隊的實踐平臺上研究開發(fā)的。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)有：發(fā)動機溫度、左后懸和右前懸的伸縮量、加速度、側(cè)向加速度。

利用Arduino開發(fā)平臺對Arduino控制板進行二次開發(fā)，在采集各個數(shù)據(jù)的同時進行數(shù)據(jù)處理工作。Arduino將數(shù)據(jù)按照時間索引分批打包生成單個字符串后,與具有SX1278芯片的發(fā)射器進行串口通訊。接收器端與基于LabVIEW設計的上位機進行串口通訊，數(shù)據(jù)在上位機中分解并整理后，在上位機的前面板進行具體的顯示，系統(tǒng)整體框架圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框架Fig.1 Overall system framework

2 無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)下位機設計

2.1 數(shù)據(jù)采集和處理

2.1.1 加速度和側(cè)向加速度的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理

利用三軸加速度計、陀螺儀傳感器(MPU605)采集車輛行駛時X軸(正前方)、Y軸(正右方)、Z軸(正上方)三軸的加速度值和角度值。

利用加速度計測量時，會有大量噪音信號的干擾，造成加速度計波形嚴重失真。相比之下，陀螺儀測量的是角度值，所以對于發(fā)動機和車體的震動沒有那么敏感；同時，利用卡爾曼濾波，可以過濾噪音以還原X、Y、Z三軸加速度。

卡爾曼濾波是不斷遞歸的運算過程，即使在初始非穩(wěn)態(tài)的條件下，卡爾曼濾波也能在一定時間內(nèi)進行若干次遞推運算從而達到穩(wěn)態(tài)收斂的輸出值[5]。卡爾曼濾波遞推公式如下[5]：

(1)

在本設計中，先估計X、Y、Z三軸的角度值以及加速度、側(cè)向加速度，使加速度和側(cè)向加速度的預測和實際測量值的差值，即均方差收斂；再通過X、Y、Z三軸角度值估計值的加權來修正加速度和側(cè)向加速度的估計值。

2.1.2 發(fā)動機溫度的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理

基于插裝方便、后期車輛便于保養(yǎng)等要求，溫度傳感器的位置設置在發(fā)動機進水口端，以近似測量發(fā)動機溫度。測溫傳感器采用具有只需單引腳就可以通訊、測溫范圍-55 ℃～+125 ℃、全部功能集成在器件中、無需再增加其他外部器件等特點的DS18B20[6]。

DS18B20 主要由四部分組成：64位ROM、溫度敏感元件、溫度報警觸發(fā)器TH和TL及相應的配置寄存器[7]。在傳感器出廠之前，廠家已經(jīng)將64位的唯一序列號內(nèi)置到傳感器的儲存器當中[6]。Arduino控制板在讀取數(shù)據(jù)時，首先在總線上發(fā)送某個DS18B20序列號，該DS18B20觸發(fā)響應，實現(xiàn)單總線多DS18B20測溫傳感器識別的目的。

非阻塞式算法流程如下：

步驟1：設置1 000 ms的時間間隔，并將程序初始時間設置為0，實現(xiàn)初始化。

步驟2：不斷讀取當前時間，并計算與初始時間的差值。

步驟3：當時間的差值大于設定的時間間隔，便向單總線獲取索引為0的DS18B20溫度值。

步驟4：不斷改變時間間隔和索引號，實現(xiàn)多DS18B20的單總線數(shù)據(jù)采集。

此算法中沒有使用數(shù)據(jù)結構中的“鎖”，大大降低了對Arduino控制板性能上的消耗。

2.1.3 左后懸和右前懸伸縮量的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理

根據(jù)彈簧和阻尼器的長度選用位移傳感器KMP16J-225MM，該傳感器輸出模擬電壓信號，最大工作速度5 m/s，具有使用時間長等特點。

傳感器將數(shù)據(jù)通過模擬電壓信號輸出到Arduino控制板，Arduino采集數(shù)據(jù)并將其保存到數(shù)組，然后在中值濾波處理下刷新數(shù)組數(shù)值，得到平均值，成為較為可靠的數(shù)據(jù)。

2.2 數(shù)據(jù)存儲與數(shù)據(jù)傳輸

2.2.1 數(shù)據(jù)存儲

利用Arduino開發(fā)平臺中的SD庫進行函數(shù)的調(diào)用，操作方便且可移植性強。在代碼中設置保存路徑、文件名稱和保存內(nèi)容后，便在SD卡得到存儲的數(shù)據(jù)。在源頭可以得到數(shù)據(jù)的備份，方便后期與上位機數(shù)據(jù)的比對和用戶對數(shù)據(jù)的保護。

2.2.2 數(shù)據(jù)傳輸

Arduino將數(shù)據(jù)進行初步處理后，分別將其拼接成一個字符串，并利用串口通訊和發(fā)射機進行數(shù)據(jù)通訊。在無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，采用SEMTECH公司LoRa TM 調(diào)制技術的無線射頻芯片SX1278，把采集到的數(shù)據(jù)通過無線遠距離發(fā)送出去，也可以接收控制中心或手持自檢預置器的命令，其優(yōu)點是在滿足低成本、低功耗的前提下實現(xiàn)遠距離數(shù)據(jù)傳輸[8-9]。

3 無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上位機設計

3.1 前面板界面設計及功能

用無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)去控制5個獨立的采集通道，該無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以單獨實現(xiàn)數(shù)據(jù)流的接收和切斷、新建文件、刪除文檔、退出系統(tǒng)和自動保存數(shù)據(jù)等功能，還可以分塊單獨顯示各部分數(shù)據(jù)、程序運行時間、數(shù)據(jù)采集數(shù)量等。

上位機界面圖如圖2所示。圖2中，前面板的左上側(cè)有停止和打開串口兩個控制按鈕③，分別控制系統(tǒng)的退出并保存數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)流的切斷及接收功能，每一次接收到數(shù)據(jù)便進行閃爍，閃爍的速率表示數(shù)據(jù)采集的速率。側(cè)采集周期選板⑤可以主動更改上位機接收數(shù)據(jù)的速率。右下側(cè)的兩個波形圖表①、②，分別實時顯示左后懸和右前懸的伸縮量，波形圖表的上方有圖例和實時顯示的具體數(shù)值。右側(cè)下方的XY圖⑥中，Y軸對應的數(shù)值為側(cè)向加速度，X軸對應的數(shù)值為加速度。最右側(cè)的溫度計⑦實時顯示發(fā)動機溫度。通訊指示燈④顯示通訊狀態(tài)。

圖2 上位機界面Fig.2 Labview interface

3.2 上位機流程圖

上位機流程圖編寫步驟如下：

步驟1：利用LabVIEW中VISA庫函數(shù)控制串口通訊，實現(xiàn)上位機與接收器之間的串口通訊，進行數(shù)據(jù)傳輸。

步驟2：通過在Bytes at Port屬性節(jié)點中讀取字節(jié)數(shù)是否為空，來控制上位機數(shù)據(jù)處理和顯示是否工作，如果為空則輸出錯誤信號，使后面程序失效。在檢測到有數(shù)據(jù)采集后，便進入子VI(數(shù)據(jù)接收處理)，分成5條分路。

步驟3：在進入數(shù)據(jù)接收處理的子VI前刪除空白字符串，并在子VI 中進行字符串數(shù)據(jù)位數(shù)的判斷，查看數(shù)據(jù)是否丟失，自檢數(shù)據(jù)傳輸中是否出現(xiàn)錯位字符導致后面的拆分錯誤。

步驟4：應用LabVIEW中自制數(shù)據(jù)接收處理子VI，在Arduino中將每種采集到的數(shù)據(jù)在發(fā)送至發(fā)送機時，通過自定的規(guī)則(如圖3所示)，拼接成合適的字符串，在LabVIEW子VI中按照上述規(guī)則拆分字符串。其中子VI按照圖3把數(shù)據(jù)拆分成5條數(shù)據(jù)流，每一條分路都是上述提到的用戶所需數(shù)據(jù)，并前往特定的顯示函數(shù)進行前臺顯示。

圖3 數(shù)據(jù)傳輸時自定的規(guī)則Fig.3 Custom rules for data transmission

步驟5：左右兩側(cè)懸架伸縮量、加速度和側(cè)向加速度，經(jīng)過數(shù)值至小數(shù)字符串轉(zhuǎn)換函數(shù)后，與系統(tǒng)檢測到的絕對時間拼接成一個字符串。在文件存儲函數(shù)和路徑設置后生成以時間命名的TXT文件，并存入本上位機的存儲目錄下，用來備份數(shù)據(jù)和方便用戶數(shù)據(jù)導出，上位機主體流程圖如圖4所示。

圖4 上位機主體流程圖Fig.4 Labview main process

步驟6：在保存加速度和側(cè)向加速度數(shù)據(jù)的同時，利用反饋節(jié)點和數(shù)組插入函數(shù)使單個數(shù)據(jù)生成一個動態(tài)數(shù)組。該動態(tài)數(shù)組在Express函數(shù)庫的幫助下轉(zhuǎn)換成動態(tài)數(shù)據(jù)輸入XY圖函數(shù)，從而在前面板生成二維的加速度圖。

4 實驗驗證

完成上位機和下位機分別獨立編程后，對其進行實際的通訊測試，檢測無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸距離和穩(wěn)定性。本次實驗選用的下位機控制板為Arduino UNO單片機，無線射頻芯片SX1278和MPU6050的硬件連接如圖5所示。

圖5 硬件連接Fig.5 Hardware connection

在發(fā)射器固定的前提下移動接收器，并在特定的距離將接收器的數(shù)據(jù)接收速率和發(fā)射器的發(fā)射源發(fā)送速率進行比較，比值見表1。

由表1可知，數(shù)據(jù)接收距離在700 m以內(nèi)可以實現(xiàn)實時接收數(shù)據(jù)，符合實驗預期。

表1 數(shù)據(jù)接受速率和發(fā)送速率的比值Tab.1 The ratio of data receiving rate to sending rate

5 結束語

本無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用開源、簡單的開發(fā)平臺和控制板實現(xiàn)了較為復雜的運算和顯示功能。由于本設計拋棄了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集多線多程和固定數(shù)據(jù)采集卡的弊端，因而具有低成本、實時性較強、開源靈活、方便后期改進等突出優(yōu)點，在特種車輛和工業(yè)機器人領域具有較高的實用價值。