基于嵌入式平台的房间温度场实时绘制系统

周奕++仇润鹤

摘 要：介绍了一种基于嵌入式的房间温度场实时绘制系统，整个系统由分布房间中的采集节点、现场采集终端和远程数据中心组成。首先采集节点采集房间温度信息，经过现场采集终端的中转和远程数据中心通信，数据中心处理温度位置数据，将温度信息进行实时的可视化，即绘制温度场，反映一个时间段中的温度场变化。通过介绍采集节点的设计、现场采集终端设计和温度场绘制方法，并使用Labview软件，采用温度场绘制方法，绘制出形象的温度场图形。通过测试验证系统应用的可靠性和温度场图形绘制的准确性。

关键词：嵌入式系统；温度场；短距传输技术；Labview

中图分类号：TP73 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）05-0004-02

温度在一定程度上反映了物体内能的变化，而温度场的动态量的测量是对物体内部能量的变化、热能传递方向和大小进行判断、计算，还可以根据热平衡方程和边界条件得到试样的导热系数、导温系数等热物性参数。

该系统采用的测量方法是通过在一压力区域内传感器阵列获取各测试点上的温度值，最后再通过上位机对这些温度值进行实时处理，得到相应区域各个时刻的温度场。与现有的温度场测量技术相比，这种新方法的温度场测量速度更快、准确性更高、装置的研制难度低，完全满足温度场的测试要求，并能够实时地反映一段时间内温度场的变化。

该系统是一套多点温度测试系统，其中每个采集点相对独立。此外，采集点的数量不仅与测试系统的成本有关，同时直接影响测量精度。因此，在压力场测试时传感器阵列的布放要求布局合理。

远程数据中心的服务器解释前端数据，首先在软件上构筑测试房间的几何模型，根据期望计算精度划分网格，在模型上定位测试点的空间位置，软件将根据位置参数自动计算各个测试点应当归属的计算网格，最后绘制出温度场图形。

1 系统设计

基于嵌入式平台的房间温度场绘制系统是由房间布放的采集节点、现场采集终端和远程数据中心三级结构组成，级与级之间通过短距传输无线网络和GPRS网络传输数据，其系统结构如图1所示。

1.1 采集节点设计

采集节点设计如图2所示。

节点选用STM32F103嵌入式芯片，该芯片具有指令执行速度快、集成度高等特点。通过SPI口访问无线收发模块，温度传感器信号经过嵌入式芯片的A/D转换模块转换成数字信号，再经过线性变换转换成实际温度值。

节点处理的具体步骤如下：①通过PT100温度传感器，将房间温度信息转化成电压信号，接着A/D转化模块将电压信号转化成数字信号；②传输到处理芯片进行数据处理；③将处理后的温度信息通过SPI接口存入SD卡中，同时通过短距传输模块传输到现场采集终端。

图1 基于嵌入式平台的房间温度场 图2 采集节点设计框图

绘制系统结构

1.2 现场采集终端设计

现场采集终端设计如图3所示。

图3 现场采集终端设计框图

现场采集终端在整个系统中起到核心作用，它不仅要收集采集节点的温度信息，还要将数据发送出去。

在收集采集节点的数据时，采用了ADF7021收发模块，是实现无线数据传输的关键器件，该器件融合了En-hancedShoekBurst 技术。接着将数据通过SPI接口传输到处理芯片进行处理，最后将数据通过UART串口发送到GSM模块。终端采用了SIMCOM公司的工业级双频GSM/GPRS模块——SIM900A，通过GPRS网络将数据传输到远程数据中心。

1.3 远程数据中心设计

远程数据中心运用Labview开发人机交互友好界面，使用TCP/IP协议建立SOCKET连接，与现场采集终端的GSM模块进行通信，并配合专业软件实现温度的实时可视化。

在实现温度的可视化过程中采用了独特的绘制方法。在软件上构筑测试平面的几何模型，根据期望计算精度划分网格，在模型上定位测试点的空间位置，软件根据位置参数自动计算各个测试点应当归属的计算网格。

测试数据的获取时间间隔和探头的响应时间应当远远小于测试数据变化的时间常数。因此，在每一时刻温度场的计算过程中，可以将此时刻的温度场近似为稳态过程，以简化计算。

算法把空间分为有限数目的网格单元，将微分方程变换为差分方程，通过数值计算直接求取各网格单元节点的温度，最常见的网格划分及对应的差分方程如图4所示。但与其他算法不同的是，本算法将测试数据作为边界条件，直接约束迭代计算过程，达到期望的结果。温度场计算的准确程度取决于测试点的多少和是否放置在特征点上，真正实现了测试点越多，越能理解物体的本质；当测试点密集到一定程度，则测点位置已不重要，计算结果都能反映真实情况。如果测试点有限，而根据测试数据算出的温度场/浓度场不合常理，这说明测试点位置有可能有问题，不在特征点上。因此，温度场绘制方法可以帮助完善测试点位置的选择。

2 测试与分析

通过现场采集终端的实时采集，可以在远程数据中心实时得到各个采集点的温度数据变化，下表1为10：11—14：11每隔1 h的房间内9个温度采集点的温度数据变化。

表1 9个温度采集点的温度数据变化表

利用远程计算机处记录采集的9个点的温度信息以及它们的位置坐标，首先采用温度场绘制方法构筑测试平面的几何模型，根据期望计算精度划分网格，在模型上定位测试点的空间位置。根据位置参数自动计算各个测试点应当归属的计算网格，最后为每个点配以不同的配色方案绘制每个时刻房间的温度场图片。图5为10：11—14：11内每隔1 h测试房间内的温度场变化。

从温度场的变化来看，10：11—13：11的温度场整体颜色有浅变深，表明房间温度从上午到中午不断上升，可见空气源热泵系统开始运行，使房间不断加热。而从13：11后温度场整体颜色由深变浅，表明房间温度到了下午有不断下降的趋势；最后颜色分布均匀，表明空气源热泵系统能够按照控制要求控制房间温度。整个过程表明该空气源热泵系统设计能够按照控制要求控制室内温度，控制时间需要4 h左右。对于温度场中出现的温度奇点，主要是由两个原因造成：①由于温度场算法采用连续性方程，需要特征点，而图中的奇点即特征点；②图中奇点表明空调系统送风路径及其送风大小变化，比如从13：11和14：11时的情况可以看出，空调系统送风口位于房屋一角，同时可以看出随着房间温度达到控制值，送风量越来越小。