串口数据监控小助手的设计及应用

关键词：串口通信；传感器；实时监控；软件设计

中图法分类号：TP311 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2024）18-0053-03

在单片机技术应用、无线传感网络技术等课程的教学过程中，常常需要采集温湿度、光照等传感数据，并根据这些数据自动或手动控制风扇或照明[1]。在传感数据采集过程中，下位机会采集传感器数据，并通过串口将数据发送给上位机。然而，现有的串口调试软件在展示传感数据和控制执行器方面往往存在界面不够直观、用户体验不够友好的问题[2]。为了解决这一问题，本文设计了一款串口数据监控小助手软件，该软件针对温湿度、人体和光照传感器进行实时监控，并可将数据可视化展示。此外，用户还可以通过按键或滑块等交互方式启停风扇、灯等执行器，以提升数据采集展示的直观性、实时性和互动性[3]，同时激发学生的学习热情并培养他们的创新能力。

串口数据监控小助手在数据展示方面引入了直观的图形界面和交互元素，例如滑块、按钮等，使得学生更容易理解和操作。此外，该软件还具备个性化定制功能，教师可以根据课程需求调整展示内容和交互方式，以更好地适应不同的教学场景。通过引入这款小助手软件，不仅可以提升学生对于嵌入式系统概念的理解，还可以激发学生在实际应用中的创新思维。学生通过实践操作，能够更深入地掌握传感数据的采集、处理和展示，并在实践中提出创新想法和改进方案，增强他们的动手能力和解决实际问题的能力。

1 系统设计

基于低耦合、高内聚、易扩展、可复用的原则[4]，串口数据监控小助手的结构分为三个主要模块：数据采集、数据处理和用户界面。系统设计框图如图1所示。

1） 数据采集模块：该模块的主要功能是采集上位机中串口或USB口转串口的数据流。为了实现这一功能，本模块采用了Python的PySerial库[5]。该库支持多种串口协议，如RS-232、RS-485等，因此数据采集模块能够与多种串口设备进行通信，增加了系统的适用范围和灵活性。此外，PySerial库具有跨平台性，能够在Windows、Linux、Mac OS等不同操作系统上稳定运行。该库的数据处理机制和缓冲技术保证了传输时数据的完整性和准确性。另外，PySerial库还支持USB转串口适配器，这使得在现代计算机中缺乏传统串行端口的情况下，数据采集仍能无缝进行。

2） 数据处理模块：在完成数据采集之后，该模块负责数据的解析和处理。它不仅支持串行通信的基本参数解析，例如起始位、停止位和波特率，还具备高级的数据滤波和错误检测机制。这些机制能够有效地识别和校正传输过程中的数据偏差，确保数据的准确性和可靠性。此外，该模块还包括针对传感数据（例如温湿度、光照强度和人体传感器信息）的专门解析算法。这些算法能够从原始数据流中准确提取关键信息，例如，在解析温湿度数据时，模块可以区分温度和湿度的不同信号，并将其转换为标准的数据格式，为后续的数据分析和使用奠定基础。

数据处理模块还包括一个灵活的数据存储系统，它不仅支持多种流行的数据格式（如CSV、JSON 和XML） ，以便于数据的存储、传输和进一步处理，还可以根据用户的需求进行定制化设置。用户可以根据特定的应用场景选择最合适的数据存储格式和策略。

3） 用户界面模块：该模块主要包括传感数据的可视化展示、手动控制执行器启停按钮和串口参数设置选择按钮等功能。其设计核心在于增强用户体验，通过数据可视化和交互按钮实现直观高效的操作模式。该模块不仅提供清晰的传感数据展示（如数字化的温湿度和光照强度指示），还允许学生直观地控制风扇和灯光等执行器，从而实现实时数据的上传和下发。这种功能不仅使数据和操作更加直观，还增强了教学的连贯性和互动性。

在交互方面，软件通过集成的按钮和控制界面，使学生能够直接操作执行器，观察传感器数据的实时变化，深入理解嵌入式系统的工作原理。同时，该模块还特别注重错误反馈和指导性信息的展示。当操作不当或系统检测到数据异常时，界面会及时显示警告和帮助信息，引导用户进行正确的操作，降低操作错误的可能性，并为学生提供学习和纠错的机会。

系统的整体架构遵循模块化设计原则，既可保证各模块之间的高效协同，也易于未来的升级和扩展。例如，可以引入更高级的数据处理算法或支持更多种类的串口设备，还可以基于Python的Flask框架实现远程监控功能，允许教师远程查看和分析学生的实验数据，进一步提升教学的灵活性和有效性。

2 功能实现

本研究开发的串口数据监控小助手软件工具旨在实现用户友好的数据检测和控制功能。其主要功能包括实时数据监控、数据可视化和交互式用户界面设计。

界面设计内容包括串口的开关按钮、串口波特率和串口号的选择、温度、湿度、人体和光照数据的显示，以及风扇和照明的开关按钮。用户可以根据实际串口通信的端口号和波特率进行选择。

数据可视化主要将串口的数据解析为温度、湿度、光照和人体的具体数据，并将其显示在界面的相应位置。同时，如果用户需要关闭照明或风扇，需要将按钮动作转换为串口数据，并通过设定的串口端口和波特率发送出去。

数据监控模块主要利用Python的PySerial库，打开串口、关闭串口，读取串口数据，并根据交互按钮的状态通过串口进行数据下发。

在运行该串口数据监控小助手时，下位机的串口直接连接到上位机PC的串口，或者通过串口转USB 线插入上位机的USB接口。用户可以根据需要灵活设置下位机的串口位置和波特率。该设计的核心代码如下：

3 小助手的应用

该小助手可应用于实际的智能环境监控系统，例如蔬菜大棚的温湿度监控，并可在单片机技术、无线传感网络技术等课程应用中用于采集环境的温湿度、光照等传感数据。该软件支持单个传感数据的采集，也可以同时采集温湿度、光照、人体等多个传感数据。此外，还可以逐步增加执行器，循序渐进地应用于数据检测和控制的整个流程。在应用该小助手时，下位机负责温湿度等传感数据的采集，然后通过串口发送给上位机PC。串口监控小助手在上位机上解析和显示接收到的数据，并提供实时反馈和控制界面。用户可以根据实际情况，通过按钮控制执行器，控制信息会被小助手转换为串口数据流发送给下位机，下位机直接控制执行器的执行。这种实时的数据处理和控制功能使得该小助手在环境监测和控制系统中发挥着重要作用。

小助手在环境监测系统的应用框图如图2所示，传感器采集效果如图3所示。该串口监控小助手主要应用于单片机应用技术课程中，作为传感器采集的辅助教学工具。在教学实践中，这款工具能够丰富学生的学习体验，使他们更直观地理解传感器数据的采集、处理和控制过程。在讲解温湿度采集时，温湿度模块将连接到单片机主控芯片，单片机的串口通过串口线连接到上位机PC的串口，单片机将负责对环境的温湿度进行采集。采集的数据将由主控芯片发送到串口，串口监控小助手将负责接收和展示数据。同时，在课程的讲授过程中，可以逐步增加光照传感器和人体传感器，而其他硬件连接保持不变。主控芯片将增加的传感器数据通过串口发送给上位机。这种基于实际工作过程的教学方法有助于学生理解和掌握更复杂的监控系统设计。

通过小助手的应用，教师能够有效地建立学生理论学习和实践操作之间的联系，激发他们对新知识的探索热情。在该软件的应用过程中，首先进行传感数据的采集，当超过设定的阈值时，引入执行器（如风扇、照明灯）进行操作，通过启停执行器实现对温湿度和照明的反向控制。传感器和执行器的综合应用使得串口小助手的辅助作用形成了一个闭环过程。对于执行器的操作，既可以根据超过阈值直接启停，也可以根据实际温湿度和照明情况，通过按钮进行执行器的启停操作。

在实际的教学过程中，使用该小助手替代传统的串口调试软件，不仅提升了教学效果，还提升了学生的学习体验。这款工具不仅简化了教学流程，还提供了一个互动式的学习平台，让学生能够更主动地参与学习过程。通过该小助手工具，能够更有效地促进学生在理论与实践之间建立联系，激发学生的学习兴趣和创新能力。

4 结论

本研究中开发的“串口数据监控小助手”展示了在实时监控和数据可视化方面取得的显著成果。该工具特别适用于温湿度、人体和光照传感器的监控，不仅提高了数据处理效率和直观性，还通过用户友好的界面加强了数据的互动性。在单片机技术应用等课程中的实际应用表明，它有效地丰富了实践教学内容，增强了学生对技术概念的理解和应用能力。未来，期望进一步优化用户体验和数据处理算法的效率，同时考虑增加对更多种类传感器的支持，以适应更广泛的应用需求。