嵌入式的實時數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)的設計

云南師范大學商學院 施媛波

針對現(xiàn)有工業(yè)數(shù)據(jù)采集的交互性和可靠性差的問題，提出一種嵌入式實時數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)，并完成系統(tǒng)的軟硬件實現(xiàn)。該系統(tǒng)以基于ARM11框架的Raspberry Pi為核心，將Web服務器應用程序移植到嵌入式ARM處理器中，利用基于ARM的嵌入式Web服務器開發(fā)在線交互式數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)。傳感器采集的數(shù)據(jù)通過嵌入式Web服務器上傳，遠程客戶端通過網(wǎng)絡訪問得到采集的數(shù)據(jù)，當數(shù)值超出預警值則啟動繼電器進行控制。測試結果表明，當系統(tǒng)服務器的接收到任何請求時，從傳感器采集的數(shù)據(jù)會以網(wǎng)頁的形式顯示，說明了設計實現(xiàn)的嵌入式實時數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)的可行性與有效性。

在工業(yè)測量和控制領域，獲得大量的實時現(xiàn)場參數(shù)是很有必要的。由于環(huán)境的復雜性，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)大多由工業(yè)計算機完成，但是工業(yè)計算機具有體積大、功耗大、可靠性差和安裝不方便等問題。另外有專用的、可獨立工作的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，使用數(shù)字信號處理器和微控制器來完成，缺點是價格高，人機交互性差。

嵌入式處理器的快速發(fā)展有效地彌補了工業(yè)個人計算機（Industrial Personal Computer，IPC）的不足，尤其是ARM處理器，它不僅結合了其他采集系統(tǒng)的優(yōu)點，克服了它的缺點，增加了一些新功能，進一步擴展其應用領域和適用范圍，針對不同需求，具有極大的靈活性。ARM處理器通常是SOC芯片，相比傳統(tǒng)控制器具有大量的片上外設和更強大的性能。目前已經(jīng)有研究者對嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行了研究。

本文針對現(xiàn)有數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的問題，提出一種基于ARM11框架的Raspberry Pi的嵌入式實時數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)，遠程客戶端用戶通過網(wǎng)絡訪問嵌入式Web服務器，從網(wǎng)頁上得到傳感器采集的數(shù)據(jù)，當數(shù)據(jù)超出預警值以后啟動繼電器進行控制。

1 系統(tǒng)硬件設計

1.1 Raspberry Pi

Raspberry Pi是一種嵌入式卡片電腦，由Raspberry Pi基金會在英國開發(fā)出來的，其主要目標是創(chuàng)建一個經(jīng)濟有效的平臺，通過提供只需要SD卡的一體化電路板、監(jiān)視器和輸入設備來運行，是一種實用且價格合理的設備。Raspberry Pi沒有只讀內(nèi)存，可以阻止用戶刷新固件使Pi變成一個不可操作的板。Raspberry Pi另一個吸引人的因素是設備的功耗很小，因為它可以通過另一臺計算機的通用串行總線USB端口或小型5v充電器供電。

Raspberry Pi接口較豐富，具有高清多媒體接口HDMI、通用串行總線USB和內(nèi)部集成電路IIC等，可通過C/C++或者Python語言編寫相應程序來實現(xiàn)不同的功能。圖1給出了Raspberry Pi的接口與外設圖。另外Raspberry Pi具有26個GPIO對外接口，通過GPIO可以實現(xiàn)控制工作和數(shù)據(jù)交互等功能，本文通過Python語言來控制其進行工作。

1.2 數(shù)據(jù)采集硬件設計

Raspberry Pi嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所提嵌入式Raspberry Pi數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)硬件組成有：嵌入式Raspberry Pi、AT-mega16微控制器、傳感器、繼電器和路由器。

其中Raspberry Pi是系統(tǒng)的核心，具有實時仿真和嵌入式跟蹤支持的性能。傳感器如氣壓溫度傳感器，氣體傳感器和光敏傳感器連接到Raspberry Pi，將采集到的數(shù)據(jù)通過Raspberry Pi上web服務器以網(wǎng)頁的形式發(fā)送到客戶端。

BMP085氣壓溫度傳感器，由壓阻式傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、帶電可擦可編程只讀存儲器（Electrically Erasable Programmable read only memory，EEPROM）和串行I2C接口的控制單元組成。BMP085提供無補償?shù)膲毫χ?，測量范圍為300～1100hPa，絕對精度為2.5hPa，噪音低至0.03hPa。同時，BMP085具有低至3uA的低功耗。傳感器支持1.8至3.6V的電壓，BMP085的額定工作溫度范圍為-550至+1500℃。BMP085與Raspberry Pi連接圖如圖1所示。

圖1 BMP085管腳與Raspberry Pi GPIO對應連接圖

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中使用的氣體傳感器是MQ-6，它對丙烷、丁烷和液化石油氣具有高靈敏度，也對天然氣有反應，MQ-傳感器可用于檢測不同的可燃氣體，尤其是甲烷，具有的優(yōu)點是成本低，適合不同的可燃氣體檢測。MQ-6氣體傳感器的敏感材料是SnO2，當空氣中存在可燃氣體，MQ-6電導率隨著可燃氣體濃度的增加而增大，通過轉(zhuǎn)化電路，輸出與氣體濃度相當?shù)臄?shù)據(jù)。MQ-6傳感器與Raspberry Pi連接圖如圖2所示。

圖2 MQ-6管腳與Raspberry Pi GPIO對應連接圖

系統(tǒng)中采集光照強度使用的光感LDR傳感器是BH1750，作為一種數(shù)字型光強傳感器集成電路具有光靈敏度，該傳感器具有一個由高電阻半導體制成的光敏電阻，該電阻根據(jù)落在其上的可見光的數(shù)量而變化。

2 軟件設計

2.1 Web服務器

嵌入式Web服務器構建在Raspberry Pi上，選擇輕量級Web服務器，降低內(nèi)存消耗，提高運行速度。在構建Web服務器時使用的EWS（Exchange Web Service）協(xié)議是GoAhead，EWS的功能是實現(xiàn)客戶端和服務器之間的信息交換。

嵌入式Web服務器用到的主要技術有HTTP協(xié)議和公共網(wǎng)關接口（Common Gateway Interface，CGI），在Web服務器工作時，CGI用來規(guī)定調(diào)用其他程序接口協(xié)議的標準，通過調(diào)用CGI實現(xiàn)Web瀏覽器交互。當Web服務器的信息（該信息由瀏覽器發(fā)送給服務器）達到CGI時將進行處理，把響應結果再反饋給Web服務器和瀏覽器，最終完成網(wǎng)頁中表單數(shù)據(jù)的處理和查詢。

圖3 系統(tǒng)監(jiān)視和控制過程

圖4 瀏覽器顯示采集到的數(shù)據(jù)

2.2 數(shù)據(jù)顯示和控制

圖3給出了如何采取監(jiān)視和控制措施，系統(tǒng)軟件是IDLE，使用嵌入式Python程序語言實現(xiàn)。

對于Raspberry Pi數(shù)據(jù)采集和顯示過程，利用WiringPi 函數(shù)庫對Raspberry Pi和傳感器進行控制，利用編程語義對數(shù)據(jù)實現(xiàn)循環(huán)采集，并將數(shù)據(jù)傳送到網(wǎng)頁上。其中WiringPi是GPIO控制庫函數(shù)，包含了GPIO控制命令，通過WiringPi可以對Raspberry Pi的GPIO管腳進行擴展，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集等模塊。

3 結果與分析

基于Raspberry Pi的嵌入式數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)硬件實現(xiàn)，系統(tǒng)中客戶端使用的電腦配置為：win7及以上操作系統(tǒng)，IE8及以上版本的Web瀏覽器，采用的測試地址為http://172.20.10.2/:8000。結果顯示在網(wǎng)頁上，如圖4所示。它顯示各種參數(shù)的狀態(tài)，如溫度、氣體、壓力和待監(jiān)測位置的光強度以及通過該網(wǎng)頁進行控制。

如果獲取到的溫度、壓力、光照強度和其他濃度高于報警值，則啟動繼電器進行控制。

結論：本文設計了一個基于嵌入式Raspberry Pi的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng)，并給出了硬件和軟件的實現(xiàn)方法，該系統(tǒng)可以使溫度壓力傳感器、氣體傳感器和光強傳感器采集的到數(shù)據(jù)，通過嵌入式Web服務器將采集數(shù)據(jù)上傳，使得任何遠程客戶端通過一個網(wǎng)絡訪問得到從傳感器獲取的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)中嵌入式Web服務是在Raspberry Pi上構建的。對設計系統(tǒng)進行測試，當嵌入式Web服務器接收到任何來自客戶端的請求時，從傳感器獲取的數(shù)據(jù)將成功顯示在網(wǎng)頁上，說明本文設計的系統(tǒng)是可行，可以提高系統(tǒng)的可擴展性和靈活性，在工業(yè)測控領域具有廣闊的應用前景。