基于物联网平台的自行车多功能表设计

黄秋红 王霄 张译

摘 要： 为实时了解骑行者的骑行状态，便于其调整骑行举动，设计了基于物联网平台的自行车多功能码表。选用AT89C52作为主控芯片，结合传感器技术、WiFi技术、物联网平台实现了包含计算骑行速度、单次里程、总里程、时间、所耗卡路里、检测环境温湿度等功能的自行车码表设计。进一步地，通过在LCD显示屏及物联网平台显示所得数据实时监测骑行者的骑行状态，以及时调整骑行举动。运行结果显示本次设计的多功能码表具有使用方便、结构简单、价格便宜等优点，增加的卡路里消耗计算进一步丰富了码表功能。此外，此设计能合理地计算骑行数据并及时将数据传送至物联网平台，更加方便骑行者了解骑行实时信息。

关键词： 单片机最小系统; 卡路里消耗; 物联网平台; LCD液晶显示; 霍尔传感器; 温湿度传感器

文章编号： 2095-2163（2021）03-0052-05 中图分类号：TP29 文献标志码：A

【Abstract】In order to know the status of the cyclists in real time and they can adjust their behavior， this paper proposes a design of bicycle multi-function meter based on the Internet of Things platform. Taking AT89C52 as the main control chip and with the help of sensor technology， WiFi technology， and the Internet of Things platform， this paper achieves the design of bicycle multi-function meter， which includes functions such as calculating riding speed， single mileage， total mileage， time， calories consumed， and detecting environmental temperature and humidity. Furthermore， the status of cyclists could be understood in real time so that they can timely adjust their behavior by displaying those data on LCD and the Internet of Things platform， respectively. The result shows that there are some advantages of convenient use， simple structure， and low price for the multi-function meter designed in this paper. The added capacity of acquiring the calories enriches its functions. Besides， it can reasonably obtain the riding data and transmit these data to the Internet of Things platform in time， making it easier for users to understand the real-time information while riding.

【Key words】 single chip minimum system; calories consumption; Internet of Things platform; LCD liquid crystal display; Hall sensor; temperature and humidity sensor

0 引 言

隨着人们生活质量的不断提高，自行车已经不只是一种简单的交通方式了。在方便日常出行的同时，自行车已逐渐地演变成一种运动方式。而作为自行车最重要的辅助工具之一，自行车的码表系统能尽可能准确反映每位骑行者的状况，方便骑手及时调整自己的骑行举动，也已然得到了迅速的发展及广泛应用。

码表应该在正常稳定的基础上尽可能多地显示骑行者所需信息，方便骑行者调整自身。文献[1]介绍了基于霍尔元件的自行车速度里程表的设计方法，以AT89C52单片机为主控芯片，自行车车轮实时转数的测量采用A3144E霍尔传感器，来对自行车里程、速度进行测量，采用STC单片机内部自带EEPROM保证系统掉电不丢失里程信息，系统中加入时钟芯片DS1302实现实时显示时间日期，并将自行车的里程数、速度通过LCD1602加以实时显示，但却并未拓展出新功能。文献[2]研发的速度与里程表设计以单片机和光电传感器为核心，通过传感器将不同车速转变成的不同频率的脉冲信号输入到单片机进行控制与计算，再采用LED模块进行显示，使得电动自行车的速度与里程数据能直观地显示给使用者。LED数码管显示比较清晰，但能源消费更高，软件编程更复杂，工作负荷也比较大。在计算机技术飞速发展的大环境下，物联网技术也得到了飞快的进步。文献[3]对智能电表进行了设计，实现了实时显示电气量、用电量等信息的功能，且能够通过WiFi传输用户用电信息，方便用户实时查询。

因此，本次设计以AT89C52为主控芯片，实现了含计算骑行速度、单次里程、总里程、时间、所耗卡路里、检测环境温湿度等功能的自行车测量码表设计。进一步采用LCD显示器显示所得数据，借助WiFi技术及物联网平台实时监测骑行信息，以便用户及时做出骑行调整。

1 系统总体框架设计

通过对自行车多功能表设计的整体分析，本文以51单片机为处理核心，将数据发送到TLINK物联网平台实现数据的云端储存，并显示骑行及环境信息。

利用霍尔传感器和51定时/计数器计算骑行速度和里程，根据所得的骑行里程和时间可以计算出骑行所消耗的卡路里。同时，采用DHT.11数字式温度传感器实现环境温湿度测量。最后将所有结果通过LCD显示屏显示，数据也将发送至物联网平台实现数据的云端存储以及实时显示，方便用户实时观看查询，并做出及时的反馈与调整。

假设车轮环的周长为L，在车轮环上安装m个永磁体，则测量里程值的最大误差为L/m。经过总体分析，本次设计选择m=1。当车轮每次旋转时，霍尔传感器收集到脉冲信号，并将信号输入单片机。传感器获取的每个脉冲信号都为系统提供一个计数中断。每次中断表示轮子转了一圈，中断次数n及周长L的乘积，即为里程值s。根据计数器T1计算每次旋转的时间t，结合s进一步计算出瞬时速度v。里程、用户的体重以及指数K（K=1.05）的乘积即为所消耗卡路里C。所需指标及实现方法可分述如下：

（1）速度、里程数的脉冲信号：在车轮旋转靠近霍尔传感器时传感器会发送一个脉冲信号到单片机。

（2）对脉冲信号进行计数：霍尔传感器产生的脉冲信号由单片机T1计数器计数。

（3）对数据的处理：由keil软件编程获得所需的值并用LCD显示里程总数、即时速度、运行时间、卡路里、环境温湿度等。

（4）与物联网平台连接：用WiFi技术将所测量数据发送至物联网平台实现数据的云端储存，方便用户实时观看、查询骑行状况，以及时做出反馈与调整。

根据设计要求，码表应拥有显示当前速度、单次里程、消耗卡路里、循环时间、环境温湿度、总里程和电子时钟以及用WiFi技术把数据发送至云端储存等功能。因此，本设计包含信号采集、信号处理、数据显示、WiFi技术、物联网平台、按键控制和时钟处理等模块。总体设计框架如图1所示。

2 系统硬件设计

2.1 主控芯片

AT89C52是低电压、高性能的CMOS 8位单片机，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央處理器和Flash存储单元。设计中是将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。单片机内部结构如图2所示。

2.2 传感器及其测量系统

2.2.1 信号的获取

霍尔传感器是基于霍尔效应的磁传感器，具有结构坚固、体积小、重量轻、寿命长、安装简单、耗电量低、高频、耐振动、不怕灰尘、油、水蒸气、烟雾污染或腐蚀等诸多优点，可以用来检测磁场及其变化，可以在与磁场相关的各种场合使用。

借助霍尔传感器进行速度测定原理如图3所示。霍尔传感器被固定在车轮支架上，车轮辐条上固定小磁铁。当小磁铁随着车轮旋转靠近霍尔传感器约4～5 mm时，传感器就会输出脉冲信号到单片机。这样，测量速度需要的信号就被转换为相应的脉冲信号，并通过单片机处理获得速度信息。

2个脉冲间距就是自行车转动一圈车轮生成的长度，如式（1）所示：

其中，S表示车轮转动一圈生成的长度;PI表示圆周率;D表示车轮直径。

因此，在测量中输入轮胎的实际直径即可正确地获得自行车的速度S/T、行驶里程S*（N-1）。其中，T是2个脉冲之间的时间间隔，N是驱动中产生的脉冲的数目。

2.2.2 环境温湿度测量

本次设计中环境的温湿度测量采用DHT.11数字温湿度传感器。该传感器与单片机的通信十分简洁方便，无需外接时钟信号。此外，DHT.11能同时对相对湿度和温度进行测量，并以数字信号输出，从而减少用户对信号的预处理负担且其独特的单总线数据传输线协议使得读取传感器更加便捷，工作电压几乎与AT89C52的电压相同，而且功耗较低。其简要的性能参数见表1。

从表1可以看出，该传感器测量范围较小，但对实验或民用已经足够了，DHT.11硬件连接如图4所示。

2.3 按键控制部分

系统按键设计如图5所示。本设计中需要1个复位独立开关按键以及手动调节控制部分的5个独立开关按键。按键A：时钟设置时确认更改“时”，直径设置时确认更改“十位”，体重设置时确认更改“十位”;按键B：时钟设置时确认更改“分”的十位，直径设置时确认更改“个位”，体重设置时确认更改“个位”;按键C：时钟设置时确认更改“分”的个位;按键OK：确认更改系统设置;按键Menu：正常工作时确认更改显示的模式，在总里程、速度、时间、骑行时间、消耗卡路里、环境温湿度等进行切换。

2.4 输出显示模块

显示模块设计如图6所示。显示模块主要显示里程、速度、消耗卡路里、环境温湿度等信息。LCD显示器非常节能，辐射指标较低，没有几何上的失真，其可视区域更大，画质更高，更精细。1602采用了标准的16脚接口。由图6可知，VSS接电源地;VDD接5 V的电源正极;RS为寄存器的选择，高电平1时选择的是数据寄存器、低电平0时选择的是指令寄存器;RW是读写信号线，高电平1时是进行读操作，低电平0时进行写操作;E（或EN）端可作为数据使能端;D0～D7是8位双向数据端。

2.5 WiFi模块

WiFi模块属于物联网传输层，符合WiFi无线网络标准的嵌入式模块，内置无线网络协议IEEE802.11a.b.g.n.ac协议栈以及TCP/IP协议栈，可将串口或TTL电平转为符合WiFi无线网络通信标准的嵌入式模块。WiFi设计模块如图7所示，设计中选用ESP8266芯片，WiFi芯片连接时VCC引脚接电源，GND接地，UTXD接单片机的RXD，URXD接单片机的TXD，将采集到的数据传送至WiFi模块，再由WiFi模块将数据传送至云端进行储存。

3 软件设计

整个系统设计的过程中，软件设计需要与硬件设计紧密结合。软件部分主要通过模块化的设计方式完成，即按照系统以及其硬件要求将系统的功能划分成一个个单独的功能模块，再根据这些功能模块分别编写程序的一个过程。因此，系统的整体功能以及各模块的具体功能均更加明确，当系统出现问题时可以根据功能设定找出问题的原因，进而更快地解决问题。

软件主程序流程如图8所示。由图8可知，先初始化LCD以及ESP8266，程序进入一个有欢迎字样的界面;接着，单片机从DS1302时钟芯片中读取车轮累积行驶的总里程数据，同时，设定时钟和转动车轮的直径以及体重。然后，接通系统中断程序，单片机开始用定时器进行计时。调用显示子程序即可切换显示不同骑行信息，若继续使用码表，则更新騎行信息，继续显示，否则结束码表的使用。

4 物联网平台的设计

TLINK物联网平台基本涵盖了所有工业行业所需通讯协议，支持接入的传感器种类基本涵盖工业应用的所有场景，与单片机实现数据的传输比较简单，可行性高，将单片机处理的数据通过WiFi模块上传至物联网平台即可。登录TLINK平台后即可创建设备并定义其上传协议，定义好所创建设备协议后就可以连接到设备。图9是物联网平台连接设备后数据上传界面，该界面便于骑行者了解自己的骑行数据，进而对自己的骑行状态进行调整。

云组态界面如图10所示，通过添加云组态方便用户直观地看到数据变化。云组态搭建场景提供丰富的工业场景素材，拖拽组件，点击快捷发布，即可创建个性化、场景化的物联网监控中心画面，可分享多人，同时管理查看。

5 结束语

本次设计基于keil软件平台，借助物联网建立远程监测系统，加入运动消耗卡路里的计算与显示，实现了包括骑行速度、单次里程、总里程、卡路里、环境温湿度以及时间显示等功能的码表设计。对传感器采集到的数据与实际数据进行对比，结果表明本次设计基本达到预期要求。

参考文献

[1]杨阳. 自行车速度里程表的设计[J]. 信息通信，2015（3）：58-59.

[2] 黄天辰，李楠，陶炳坤，等. 自行车多功能里程表的设计与实现[J]. 自动化技术与应用，2017，36（6）：124-127.

[3] 田猛. 基于51单片机的智能电表设计[J]. 中国新通信，2020，22（4）：65.

[4] 周家婕，安长俊. 智能抄表系统设计[J]. 冶金管理，2020（19）：174-175.

[5] 吴超琼，许钟华，陆晓兴，等. 基于物联网的门禁系统设计[J]. 智能计算机与应用，2020，10（6）：155-157.

[6] 陶冶. 基于单片机的自行车测速仪[J]. 仪表技术，2019（7）：25-27，30.

[7] 刘蔚柯，吕燕敏，张昆伦. 基于物联网的小区天气反馈调节智能窗户系统设计[J]. 物联网技术，2016，6（12）：57-59，63.

[8] 王超，林百顺，冯开屏，等. 物联网智能窗户系统的设计与实现[J]. 计算机时代，2016（7）：12-15.

[9] 何文乐. 基于物联网和wifi的智能家居移动控制系统[J]. 信息通信，2016（2）：90-91.

[10]刘坤. 基于WIFI技术的物联网智能家居[J]. 无线互联科技，2014（6）：96.

[11]赵小兰，胡征，王培坤，等. 多功能自行车码表设计[J]. 电子测试，2013（20）：1-2.

[12]刘勇. 基于89C52单片机的多功能自行车码表[J]. 数字技术与应用，2012（1）：70.

[13]冯乙引. 自行车速度表电路[J]. 集成电路应用，2000（5）：46-47.

[14]许树杰，詹宇娴，凌活龙，等. 基于物联网的智能家庭机器人[J]. 物联网技术，2020，10（10）：82-83.

[15]谈学钊，肖磊. 基于物联网云平台的热水实时监控设计[J]. 计算机与网络，2020，46（20）：67-70.