高寒环境数据监测系统的设计与研究*

王　立　雷　斌

(西安工业大学电子信息工程学院　西安　710021)



高寒环境数据监测系统的设计与研究*

王立雷斌

(西安工业大学电子信息工程学院西安710021)

摘要在深入分析高寒环境温湿度变化的基础上，论文主要介绍如何设计综合数据采集系统。该系统以ARM为核心，采用联合蓝牙、安卓平台完成对所需观测量的采集、解析、实时显示、存储、远程上报功能以及对测量数据统计、查询。由设备测量到的数据和人工测量值进行对比。经过验证，证明了此测量系统的正确性以及在工业生产中的实用性。

关键词数据采集; 高寒环境; ARM; Android

Class NumberTU755

1引言

获取野外环境的基础数据[1～2]是寒区旱区相关研究工作的基础，长期以来主要依靠人工监测手段，但是人工监测已经无法满足大规模的冻土监测。为了及时准确地获取冻土的相关特性信息，对其进行实时监测尤为重要。冻土的实时监测不仅能够实时的获取冻土的相关特性参数变化，而且在一定程度上反映出所在区域气候变换，尤其是对冻土区的道路安全性进行评估，给相关部门针对道路交通安全提供重要的决策依据[3]。本文将介绍利用ARM通过蓝牙联合安卓平台对野外环境温湿度监测系统的设计。

2设计思想

该监测系统由现场监测站、Android两大部分组成。一方面测站自动采集各种监测数据，并通过无线网络自动传输给监测中心，在中心完成数据的整理、存储、检索、分析；另一方面，利用安卓平台，可以通过蓝牙实时对数采仪进行配置，并且实时显示测量结果，可以将各种传感器的电量(电压、电流、电阻)转化为相应数值并形成观测记录保存，在适当的时候采用公共无线通信网络(GSM、CDMA、3G、卫星)传递给上位机，由上位机根据传递函数转化为相应电量，再套用传感器的标定参数进行计算得到各种观测物理量数据，并进行存储、检索、分析、统计。整个系统的工作流程如图1所示。

图1　采集系统流程图

3模块设计

数据测量系统主要由多个功能模块组成[4～6]，主要包括主控模块、温湿度采集处理模块、远传模块等。

图2　监测系统硬件框图

3.1主控模块

主控模块采用ARM处理器STM32，温湿度传感器采集到的信号传输到主控模块，对采集到的信号进行分析与处理[7～8]。

3.2温湿度采集处理模块

温湿度采集模块将采集到的信号通过前置放大电路，滤波电路，二级放大电路，A/D转换电路将采集到的电信号转化为计算机可以直接处理的数字量[8～12]。

3.3远传模块

传感器采集到的数据经过信号预处理系统的处理，传输给主控芯片，主控芯片对接收到的数据进行处理。得到的结果通过公共无线通信网络(GSM、CDMA、3G、卫星)传递给上位机。

4测试系统

本设计是基于Android系统的网关应用设计[13～14]。在Android系统中，运用Java语言进行网络编程，通过蓝牙串口通信实现PC端、开发板和Android手机之间的通信，在PC端和Android端实现数据的传输解析通信，并通过手机实现对开发板的测量控制。

4.1软件设计流程图

本软件的基本流程图如图3所示，在进入配置时需要和数采仪的蓝牙进行配对连接，如果连接成功进行校时，如果失败则重新进行配置；在立即测量则会和数采仪进行通信，传输采集数据；读取数据时会进行数据解析并且保存收到的所有数据；上报则会将所收到的所有数据上传至服务器。同时在配置成功会有60s的输入等待，如果无输入指令则会退出关机。

图3　软件设计流程图

4.2系统基本功能测试

数采仪唤醒后进入配置状态，等待蓝牙发送指令，若无指令，等待60s自动关机，若有指令执行相应的动作，例如执行校时，读基本信息，立即测量，立即上报，读取文件，提取文件，关机[15]。系统测试图如图4所示。

图4　测试数据显示界面

实验开始，需要进行对数采仪的蓝牙进行搜索连接，输入配对密码，完成参数的配置。Android终端与设备蓝牙链接成功方可继续进行操作。基本信息界面，包含校时、读取基本信息、立即测量上报和退出等功能。图4显示本次测试时间为2015年6月19日7:16:30，终端编号即数采仪编号为综合数据采集系统(339F)。

如图4所示为Android终端通过对数采仪进行立即测量指令，数据采集和数据解析得到的温湿度、内电压、外电压，测试头电阻值。安卓终端对采集到的数据提取、读取、删除，在此界面可以将数据上传tftp服务器，同时可以将数据保存在本地进行操作。

5结果

在温湿度采集系统设计完成后，用以下两种测试方案对其结果进行分析，进而验证该系统的精度与稳定性，是否能够更好地应用于生产过程中。

5.1常温下测量结果分析

测试方案：

电阻测试头：采用DB37高精度测试头，单个航插共18针，阻值范围分布于400～8000Ω。

测试方案：

1)测试前采用6位半的万用表预热二十分钟，采用四线法和两线法对测试头进行核准；

2)选取单个航插进行测试，单个阻值测量20次，统计并分析数据的稳定性；

3)采用极差方式分析数据的精度，即二十次测量值最大值与最小值之差。

如图5所示为常温条件下测试数据的精度分析，横轴代表测试头的1～18针，纵轴为测试头各针的相对应的极差，测试头阻值为410Ω时偏差为0.19,测试头阻值为8000Ω左右时，偏差为1.71，小于系统误差0.05%。

图5　常温条件下测试数据精度

如图6所示为常温条件下测试数据稳定性，横轴代表测试头的1～18针。测试数据未显示偏离数据较大的偏差，稳定性较好。通过常温下测量结果的数据分析，该系统的测量最大偏差1.71，稳定性较好，精度较高，能够满足工业生产的需求。

5.2超低温下测量结果分析

如图7所示为超低温条件下测试数据的精度分析，横轴代表测试头的1～18针，纵轴为测试头各针的相对应的极差，测试头阻值为410Ω时偏差为0.18，测试头阻值为8000Ω左右时，偏差为1.71，小于系统误差0.05%。

图6　常温条件下测试数据稳定性

图7　超低温条件下测试数据精度

如图8所示为超低温条件下测试数据稳定性，横轴代表测试头的1～18针。纵轴为二十次测量值测试数据未显示偏离数据较大的偏差，稳定性较好。

图8　超低温条件下测试数据稳定性

高寒环境对精度和稳定性的要求更高，本系统测试模拟高寒环境进行测试，实现了高精度，较好稳定性的要求，满足高寒环境的需求。

6结语

经过实际验证，证明了此温湿度采集系统的正确性，并且它能够对所采集数据常温地温下都能达到精度和稳定性的要求，可以很好地满足工业生产需求，具有很强的实用性。

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收稿日期:2016年1月9日,修回日期:2016年2月23日

作者简介:王立,男,硕士研究生,研究方向：通信与信息系统，嵌入式系统。雷斌,男,硕士,副教授,研究方向：测控技术，无线传感器网络(嵌入式系统等)。

中图分类号TU755

DOI:10.3969/j.issn.1672-9722.2016.07.040

Design and Research of Integrated Data Acquisition System in Cold Environment

WANG LiLEI Bin

(College of Electronic and Information Engineering, Xi’an Technological University, Xi’an710021)

AbstractBased on the deep analysis of the change of temperature and humidity in high-frigid condition, this paper mainly introduces how to design a integrated data acquisition system. The system uses ARM as the core, chooses Bluetooth, Android platform to complete acquisition, analysis, real-time display, storage, remote notice of the required measurements and the statistics and inquiry of measured data. The data measured by equipment is compared to the artificial measured value. It is verified that the measurement system has validity and practicability in industrial production.

Key Wordsdata acquisition, high-frigid condition, ARM, Android