《基于物联网自制综合实验系统的设计与实现》-工学论文，计算机论文-论文范文参考-科学狗论文网

标题

基于物联网自制综合实验系统的设计与实现

范文

郭阳勇　张轩恺　王嫒琳　张仁杰

摘要：为保障物联网专业综合实验的需求，设计了物联网综合实验系统。该系统通过多路重量传感器采集模型飞机的重量，结合模数转换及单片机处理后连接到系统主机，通过主机软件对数据进行计算处理，实现对模型飞机重量和重心的测量与计算。经过使用测试，该系统运行稳定性高，测量精准度高，提供多开发接口与配套实验，满足了物联网相关课程与创新创业教育的要求。

关键词：物联网实验系统;自制实验系统;重心与重量;创新创业教育

中图分类号：TP391 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2020）20-0213-03

由于实验设备及实验系统研发难度较大、研发周期较长等特点，多数高校的实验相关设备与系统一般来自第三方，通过教师自主研发的较少。采用第三方实验设备及系统，与高校实验教学关联性与针对性不强，往往不能满足实验教学的需求。针对以上问题，本文提出了通过教师自主设计开发一款基于物联网的综合实验系统，系统与物联网相关课程实验相结合，满足实验实训的要求，同时能够满足创新创业教育与教学的需求。

本文对基于物联网的综合实验系统原理进行了研究，根据物联网实验课程及创新创业教育需求，结合软硬件系统开发流程，提出了该系统的系统架构、功能模块、软硬件设计与实现、系统测试、课程实验项目开发等，并研发了样机及软件平台。

1物联网自制综合实验系统特点

1）通过三点支撑测量方法实现对模型飞机重量测量。通过对模型飞机重量的实时采集，实现对模型飞机的重心与重量的测量。在称重采集单元，物联网自制綜合实验系统通过三点支撑测量方法实现对模型飞机重量测量，重量等于三个支撑点之和[1]。模型飞机的重心与飞机的结构有关，本设计的模型飞机选择斗机如歼10为实验对象，通过三点支撑建立坐标系，通过各个支撑点采集到的重量，根据力矩平衡原理，测量进行模型飞机重心计算。通过两种状态下的测量，得到模型飞机的重心，一是水平状态下的测量，即三称重支撑点处于同一水平位置，通过称重测量并计算后得到水平状态下的二维（水平）重心坐标;二是抬高模型飞机机头所在称重支撑位置，通过称重并结合水平称重状态点的参数，计算得到状态下的三维（垂直）重心坐标[2]。

2）系统硬件开发板为开展实验提供丰富的接口，并提供软件二次开发程序。学生能够完成单片机系统、短距离无线有线通信技术、传感器技术、程序开发与设计等课程相关的实验，可以在实验系统的基础上开展系统软硬件的扩展与二次开发。

3）系统提供多终端数据输出。系统开发了PC端C/S应用程序、安卓手机端APP以及液晶屏输出等实验应用软件。通过主机的计算处理，在终端用户可以实现对模型飞机重心重量测量参数的设置、数据的管理等。

在模型飞机的设计中，一般以模型飞机机体坐标系为主，其重心计算和测量结果要求在机体坐标系中给出，因此根据以上公式测量的模型飞机实际重心位置，最后需要通过几何方法转换到模型飞机机体坐标系上表示。

2系统设计

2.1系统总体架构

物联网自制综合实验系统总体架构如图1所示。包括四部分，一是称重硬件模块，该部分是本系统的核心，通过本模块实现采集模型飞机的重量信息并转化成数据信息;二是系统主机，实现对重心重量的处理、计算、控制及存储;三是安卓手机端APP，实现对重心重量的手机端处理、计算与控制;四是LCD显示端，直接连接称重硬件模块，显示重量等属性信息。通过称重硬件模块单元的串口或者WIFI单元实现与主机的通信，主机应用程序处理称重数字信息，并计算重心数据，同时可以实现对称重硬件模块单元的管理与控制。安卓手机端的APP程序通过WIFI或者蓝牙通信实现与称重硬件模块单元的交互，具有同主机相同的管理、控制、存储等功能[3]。

2.2系统的功能模块

系统包括称重硬件单元、主机单元以及手机APP单元，如图2所示。称重硬件单元包括称重传感器、数模转换模块、微处理器单元、通信模块、电源模块等，实现重量数据采集、转换及处理;主机单元包括设置参数、功能单元、存储单元及打印单元等功能模块，实现重心重量的计算、控制、设置、存储、打印等功能;手机App单元与主机单元类似，包括设置参数、功能单元、存储单元及打印单元等功能模块，通过手机端实现对重心重量信息的处理、控制及管理。

称重硬件部分包括，一是传感器部分，实现重量数据采集;二是模数转换部分，实现重量电压模拟信号转换为数字信号;三是控制处理部分，实现重量的计算处理及系统数据的存储管理;四是通信部分，主要指微控制单元与上位机即主机与手机端主控制器的通信，包括ZigBee、蓝牙、WiFi、串口等通信方式;五是电源部分，为了保证便携式系统能够在无交流电环境下正常工作，由电源控制单元为系统提供两路电源，一是直接提供电源适配器，二是通过蓄电池组供电。

2.3系统工作原理与过程

通过模型飞机机翼两侧的支撑点重量传感器采集两路重量信号，同时通过安装在支撑点举升模型飞机头部的传感器感知模型飞机机头重量信号，并输出至数模转换模块实现数据采集和A/D转换，然后将该信号传给微处理器单元，微处理器单元对采集到的重量数字信号进行分析、计算与处理，在LCD显示屏显示当前计算结果。为了实现重心数据的测量以及系统相关数据的管理，通过主机单元对数据进行进一步分析、计算、处理、存储及打印，并将处理的模型飞机重量和重心数据输出至连接主机的显示屏。为了实现安卓手机对系统的管理与控制，通过安卓手机App对采集的数据进行分析、计算、处理与存储，并实现采集及处理重量与重心数据的实时显示。

3系统设计与实现

3.1系统硬件设计

本系统主要实现模型飞机重量及重心测量和管理，在称重端LCD屏显示系统实时测量重量等参数，系统主机或者手机端计算处理重量和重心等数据，系统硬件部分主要包括称重感应采集、模数转换、微处理控制单元、通信、电源等模块。

（1）数据采集模块设计

重量感应采集采用电阻应变式压力传感器，该传感器具有灵敏度高、精度高等特点。其测量原理是通过被测点压力的变化，进而转化为阻值的改变，进一步转化为电压的变化，最终输出电压参数，输出灵敏度达到1.0+0.15mV，单个传感器量程为100Kg。

（2）数据AD转换模块设计

数模转换模块采用海芯HX711芯片，能实现高精度24位A/D转换，输入共模电压范围（AGND+0.6，AVDD-0.6V），其电路图如图6所示。数模转换模块首先计算传感器的供电电压，接收到称重传感器输入的电压参数后，输入电压参数通过128倍的增益，然后采样称重传感器输入的电压参数进行转换，输出24位的A/D转换值。

（3）控制模块设计

微控制单元采用STC89C52单片机[4]，实现对通过数模转换模块输入的24位的A/D转换值，即实时采集的重量数据值进行计算处理，并输出至数码管或者小液晶显示屏，同时通过Zig-Bee、WiFi、串口等通信方式连接上位机主控制器，上位机主控制器实现重心的计算，并对重量和重心数据进行存储和管理[5]。

3.2系统软件设计

系统软件设计包括两个部分，下位机软件及上位机软件。目前系统通信主要通过串口实现，以下以串口通信为例淡系统软件实现。

（1）下位机软件设计

下位机软件流程如图3所示。首先对AD、UART、LCD160或数码管进行初始化，然后执行去皮子程序并获得毛皮重量，单击去皮按钮归零重量显示。继续执行称重子程序，判断传感器是否有重量信号，如果有则执行重量的计算，把电压信号转换成重量数据。称重子程序循环执行，单击停止按钮结束称重，在显示器上显示最近一次的重量数据。同时，在程序中，可以执行去皮及清零操作，去皮子程序得到模型飞机未称重前显示的初始重量，并可以去皮清零;清零子程序执行称重归零操作。同时，程序可以设置标定，由标定子程序完成，标定是电压信号转换成重量过程中的一个固定比例值，此比例可以矫正重量，初始化时系统已经给标定赋予一个初始值。

（2）上位机软件设计

上位机软件设计包括主机软件设计以及Android手机App软件设计。主机操作系统采用Windows CE7.0及以上版本，使用轻量型的关系数据库SQLite。主機软件开发使用Visual Stu-dio 2017平台，软件界面方便采用触摸屏操作模式设计，遵循模型飞机注重原理与流程。首先初始化系统菜单、对话框、控件及变量等，在单击运行按钮前，设置好模型飞机水平状态的一些基本参数，包括机型（型号）、状态、称重位置（以实际位置为准）。单击运行按钮后，进入重量和重心子程序，子程序判断是否有重量信号，有则显示在对应文本框，单击计算按钮，根据三个重量值计算对应的重心值并单击保存按钮。下一步通过抬高模型飞机机头方法，根据实际测量重新没计模型飞机的称重位置参数，单击计算按钮，系统自动结合两次重量和重心及模型飞机相关参数计算出飞机的重心并输出到飞机重心文本框。另外，系统可以对称重模块进行参数没计，包括标定、清零、去皮等。考虑到不同纬度重力加速度不一致，系统可以设置重力加速度。主机软件另外一大功能就是对所有的重量和重心数据进行存储管理，并可以打印输出等。

手机App软件支持Android 6.0以上的版本，使用关系数据库SQLite，其工作流程与主机软件一致。

4系统调试结果

完成了系统的测试后，就初步完成了一个完整的嵌入式样机产品的设计及系统实现。系统上位机软件主界面如图所示，实现了模型飞机重量和重心的实时采集、计算与管理，主机采集数据界面如图4所示，实时测量模型飞机每个支点所承受的重量。

模型飞机的重心必须通过两种不同状态下采集的三个支点重量计算得到，通过提升模型飞机头部高度得到第二种状态，计算得到重心坐标和总重量。在测量过程中，要保证被测量模型飞机在静止稳定状态下才能得到精准的测量结果。

5结语

根据模型飞机重心重量的测量原理与方法，没计了模型飞机重心重量的硬件模块，在此基础上，进一步设计了该系统的手机App与主机应用程序，实现对模型飞机重心重量的管理与控制。该系统作为物联网相关课程的实验平台，满足了实验实训教学以及创新创业实践。

参考文献：

[1]刘福佳，顾超.轻型飞机重量重心的测量及计算方法研究[J].沈阳航空航天大学学报，2018，35（2）：17-21.

[2]贾恒信，杨帆，刘方明.多机型千斤顶式飞机重量和重心测量系统研究[J].陕西理工大学学报（自然科学版），2017，33（6）：7-12+44.

[3]饶绪黎，张美平，马现虎.基于物联网技术的实验设备运行监控管理系统设计[J].山东大学学报（理学版），2012，47（11）：74-77.

[4]邵开丽，付财源，张振帅，等.基于STC89C52单片机的智能服装系统设计[J].毛纺科技，2018，46（9）：61-65.

[5]王中源，张金龙.基于单片机的一种高精度脉冲信号测试仪[J].科技创新与应用，2020（10）：31-32.

【通联编辑：梁书】

收稿日期：2020-03-23

基金项目：2018年国家级大学生创新创业训练计划项目：奔跑的蜗牛（项目编号：201814389065）

随便看

科学优质学术资源、百科知识分享平台，免费提供知识科普、生活经验分享、中外学术论文、各类范文、学术文献、教学资料、学术期刊、会议、报纸、杂志、工具书等各类资源检索、在线阅读和软件app下载服务。