基于物联网的数据采集系统设计说明书

可编辑版毕业设计论文 课题基于物联网技术的数据采集终端的设计学 院电子信息工程学院专业方向应用电子技术班 级电子112学 号110202207姓 名尹露露完成日期2013-11指导教师束慧14 / 17基于物联网技术的数据采集终端的设计摘要目前,数据采集一直是工业控制设备的主要组成部分,设计高精度的AD采集终端,对系统的性能很重要,目前随着物联网技术的不断发展,为现场信号采集和传输提供了一种新的方法,本课题在于探索和研究一种基于物联网技术的数据采集终端。本系统由单片机控制模块、AD采集模块、液晶显示模块、时钟模块、温度模块、无线通讯模块等组成,可实现现场数据的实时准确采集。关键词：物联网技术,高精度,数据采集,通讯AbstractAt present,the data acquisitionis the mainpart ofindustrial control equipment.The performance of ADacquisition terminaldesign of high precisionfor the systemis very important. At present,with thecontinuous development ofthe Internet of things technology. It provides anewmethod fordata acquisitionand transmission. This paperis to exploreand studyaIOT baseddata acquisition terminal. The system is composed of MCU control module,ADdata acquisition module, LCD module,clock module,temperaturemodule,wirelesscommunication module. It can realize accuratereal-timefield data.Keywords:Internet of things technology, High precision, Data acquisition, Communication目录摘要IAbstractII目录III引言11 物联网介绍21.1 物联网的原理21.2 物联网技术的应用32 系统的组成32.1 系统的总体结构32.2 系统参照标准33 数据采集终端的硬件设计53.1 CPU芯片的选择53.2 液晶显示模块53.3 AD采集模块63.4 DS1302时钟模块63.5 温度模块73.6 无线通讯模块83.7 隔离模块83.8 电源模块94 软件设计104.1 DS18B20温度采集程序设计104.2 DS1302时钟采集程序设计124.3 nRF905程序设计144.4 A/D数据采集程序设计154.5 液晶显示程序设计17结论19致谢20参考文献21引言对于大部分制造业企业,测量仪器的自动数据采集一直是个令人烦恼的事情,即使仪器已经具有RS232/485等接口,但仍然在使用一边测量,一边手工记录到纸张,最后再输入到PC中处理的方式,不但工作繁重,同时也无法保证数据的准确性,常常管理人员得到的数据已经是滞后了一两天的数据；而对于现场的不良产品信息及相关的产量数据,如何实现高效率、简洁、实时的数据采集更是一大难题。这就需要设计高精度的AD采集终端,而在许多应用场合,需要的AD采集点多,而且分布广,如何将这些数据采集信号集中到主控,是很多系统设计中遇到的问题,以往采用的是用有线的方式来实现信息传输。在互联网行业快速发展的今天,数据采集已经被广泛应用于互联网及分布式领域,数据采集领域已经发生了重要的变化。首先,分布式控制应用场合中的智能数据采集系统在国内外已经取得了长足的发展。其次,总线兼容型数据采集插件的数量不断增大,与个人计算机兼容的数据采集系统的数量也在增加。国内外各种数据采集机的先后问世,将数据采集带入了一个全新的时代。又随着数字技术的飞速发展,数字化仪器已成为观测技术领域的主流仪器,因而数据采集技术也成为观测技术领域中十分重要的技术环节。任何计算机测控系统中,都是从尽量快速,尽量准确,尽量完整的获得数字形式的数据开始的,因此,数据采集系统作为沟通模拟域与数字域的桥梁起着非常重要的作用。70年代初,随着计算机技术及大规模集成电路的发展,特别是微处理器及高速A/D转换器的出现,数据采集系统结构发生了重大变革。原来由小规模集成的数字逻辑电路及硬件程序控制器组成的采集系统被微处理器控制的采集系统所代替。因为由微处理器去完成程序控制,数据处理及大部分逻辑操作,使系统的灵活性和可靠性大大的提高,系统的硬件成本和系统的重建费用大大的降低。本课题在于探索和研究一种基于物联网技术的数据采集终端。重点在于通过无线通讯实现数据的实时的、准确的采集。1物联网介绍物联网是新一代信息技术的重要组成部分。其英文名称是The Internet of things。由此,顾名思义,物联网就是物物相连的互联网。这有两层意思：第一,物联网的核心和基础仍然是互联网,是在互联网基础上的延伸和扩展的网络；第二,其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间,进行信息交换和通信。因此,物联网的定义是：通过射频识别RFID、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备,按约定的协议,把任何物体与互联网相连接,进行信息交换和通信,以实现对物体的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。物联网是继个人计算机、互联网及移动通信网络之后的全球信息化的第三次浪潮,是传感网、互联网移动通信、云计算,以及智能信息处理等信息技术发展到一定阶段,在应用需求和供给创新的双轮驱动下,通过水平分层与垂直整合技术脉络与产业链条而形成的全球性信息系统。1.1 物联网的原理物联网是在计算机互联网的基础上,利用RFID、无线数据通信等技术,构造一个覆盖世界上万事万物的InternetofThings。在这个网络中,物品能够彼此进行交流,而无需人的干预。其实质是利用射频自动识别RFID技术,通过计算机互联网实现物品的自动识别和信息的互联与共享。而RFID,正是能够让物品开口说话的一种技术。在物联网的构想中,RFID标签中存储着规范而具有互用性的信息,通过无线数据通信网络把它们自动采集到中央信息系统,实现物品的识别,进而通过开放新的计算机网络实现信息交换和共享,实现对物品的透明管理。物联网概念的问世,打破了之前的传统思维。过去的思路一直是将物理基础设施和IT基础设施分开：一方面是机场、公路、建筑物,而令一方面是数据中心,个人电脑、宽带等。而在物联网时代,钢筋混凝土、电缆将与芯片、宽带整合为统一的基础设施,在此意义上,基础设施更像是一块新的地球工地,世界的运转就在它上面进行,其中包括经济管理、生产运行、社会管理乃至个人生活。1.2 物联网技术的应用物联网可以以电子标签和EPCElectronicProductCode,产品电子代码码为基础,建立在计算机互联网基础上形成实物互联网络,其宗旨是实现全球物品信息的实时共享和互通。物联网的系统结构由信息采集系统、PML信息服务器、产品命名服务器和应用管理系统四部分组成。本系统主要研究信息采集系统。信息采集系统包括产品电子标签、读写器、驻留有信息采集软件的上位机组成,主要完成产品的识别和产品EPC码的采集和处理。存储有EPC码的电子标签在经过读写器的感应区域时,产品EPC码会自动被读写器捕获,从而实现自动化EPC信息采集,采集的数据将交由上位机信息采集软件进行进一步的处理,如数据校对、数据过滤、数据完整性检查等,这些经过整理的数据可以为上层应用管理系统使用。本系统就是基于物联网进行数据实时检测,并在检测模块中进行数据处理后再与网络进行数据的交换,来实现数据的实时采集、实时更新,从这些数据的反馈中,我们可以实行自动的控制功能,大大的减少了人力在本系统中的占用量。2系统的组成2.1 系统的总体结构基于物联网技术的数据采集终端系统的总体结构如图1 所示,整个数据采集系统我们总共将其分为了六个模块：单片机控制模块、AD采集模块、液晶显示模块、时钟模块、温度模块、无线通讯模块。这六个模块通过物联网技术进行信息交换,实现通信。图2-1 系统框图2.2 系统参照标准针对物联网系统的特殊性,确保系统的开放性、可扩展性和灵活性,在设计中参照以下标准。GB8566-88计算机软件开发规范GB8567-88计算机产品开发文件编制指南DL476-92实时数据通信应用层协议GB/T13729-92远动终端通用技术条件3数据采集终端的硬件设计3.1CPU芯片的选择本系统选用宏晶科技公司的1T单片机STC12C5A32S2,该单片机在传统的8051单片机的基础上开发出来的一代高速、超强抗干扰新型单片机,指令代码完全兼容传统51单片机,具有48K程序存储器；1280个字节RAM；3个时钟输出口；2路PWM；2个串口,很容易实现单片机之间的通信,有内部AD模块,并且可拓展接口,解决的本系统I/O口不够用的问题。其原理图如图3-1所示。图3-1 STC12C5A32S2最小系统图3.2液晶显示模块为了有更好的视觉效果,显示清晰,为了有更好的视觉效果,显示清晰,我们选用KG240128A液晶显示屏,可以不单独提供背光电源,仅使用逻辑电源点亮背光。可显示内容多,从感官上提升视角区间。原理图如图3-2所示：图3-2 液晶显示3.3AD采集模块为了保证采集数据的精确性,我们采用了ADS1212U芯片作为AD转换芯片。ADS12X具有22位分辨率,是高精度、大动态范围的S-D型A/D转换器。其差分输入适合直接与传感器或小电压信号相连。S-D结构用于保证宽动态范围和22位不失真编码。在10HZ转换速率时,用低噪的输入放大器可获得20位的有效分辨率。在10HZ转换速率时,用独特的增强模式可获得16位的有效分辨率。应用增益可编程的放大器大大增强了转换器动态范围,增益范围为1,2,4,8,16。转换器包括一个灵活的异步串行接口,该接口是SPI兼容的,其原理图如图3-3所示：图3-3 AD模块原理图另外由于ADS1212U是高精度的AD芯片,为了采集到的数据准确无误,要给AD芯片提供稳定的电源,如图3-4所示：图3-4 电源电路3.4DS1302时钟模块本系统以分钟、时、日等单位进行数据实时采集并保存,每条记录中都具有时间戳,为此采用时钟芯片DS1302来计时。DS1302 是DALLAS 公司推出的涓流充电时钟芯片内含有一个实时时钟/日历和31 字节静态RAM 通过简单的串行接口与单片机进行通信实时时钟/日历电路提供秒、分、时、日、日期、月、年的信息,每月的天数和闰年的天数可自动调整时钟操作。原理图3-5所示。可通过AM/PM 指示决定采用24或12小时格式,DS1302 与单片机之间能简单地采用同步串行的方式进行通信仅需用到三个口线1RES 复位2 I/O 数据线3 SCLK串行时钟/RAM 的读/写数据以一个字节或多达31 个字节的字符组方式通信DS1302 工作时功耗很低保持数据和时钟信息时功率小于1mW。DS1302 的管脚排列及描述如表3-1所示。图3-5 时钟电路表3-1 DS1302引脚介绍管脚功能X1 X232.768KHz 晶振管脚GND地RST复位脚I/O数据输入/输出引脚SCLK串行时钟Vcc1,Vcc2电源供电管脚3.5温度模块本系统需要对温度进行实时采集,因此我们选用DS18B20温度传感器,DS18B20是常用的温度传感器,它采用不锈钢外壳环氧树脂防水封装,可以直接将测温探头置入土壤或水中,为温室环境的全方位检测提供了便利条件,芯片内部包含半导体温度传感器、64 位 ROM、1-Wire 端口、报警寄存器、A/D 转换器等模拟通道处理电路,可与微机、MCU等直接接口,其工作温度范围是-55125,在-1085的测量精度为0.5,分辨率为912位可编程,具有温度报警功能,用户可设置高低温报警极限。其原理图如图3-6所示：图3-6 温度模块3.6 无线通讯模块本系统要通过物联网实现数据的采集,因此用到了无线技术,无线技术给人们带来的影响是无可争议的,本系统选用nRF905单片无线收发器,nRF905是挪威Nordic公司推出的单片射频发射器芯片,工作电压为1.9-3.6V,32引脚QFN封装5mm5mm,工作于433/868/915MHz3个ISM频道。nRF905可以自动完成处理字头和CRC循环冗余码校验的工作,可由片内硬件自动完成曼彻斯特编码/解码,使用SPI接口与微控制器通信,配置非常方便,其功耗非常低,以-10dBm的输出功率发射时电流只有11mA,在接收模式时电流为12.5mA。 nRF905单片无线收发器工作由一个完全集成的频率调制器,一个带解调器的接收器,一个 功率放大器,一个晶体震荡器和一个调节器组成。ShockBurst工作模式的特点是自动产生前导码和CRC,可以很容易通过SPI接口进行编程配置。nRF905采用Nordic公司的VLSI ShockBurst技术,ShockBurst技术使nRF905能够提供高速的数据传输,而不需要昂贵的高速MCU来进行数据处理/时钟覆盖,这样一来就降低MCU的存储器需求也就是说降低MCU成本,又同时缩短软件开发时间。原理图如图3-7所示：图3-7 无线通讯模块3.7隔离模块由于线圈驱动电流大,所以我们采用光电耦合器对模拟和数字电路进行有效的隔离,增强控制部分的抗干扰能力,从而增强电路的稳定性,以AD_SCLK信号为例,原理图如图3-8所示：图3-8 光耦隔离模块3.8电源模块给单片机以及驱动电路等其他模块供电,保证系统的正常运行,在7805前加个三极管以保证输出的电压时稳定的5V。如图3-9所示：图3-9 电源模块4软件设计4.1 DS18B20温度采集程序设计DS18B20 编程时,操作过程分为三个步骤：首先 MCU 初始化 DS18B20；其次MCU 发出 ROM 命令,后跟需要读写的数据；然后 MCU 发出功能命令,后跟需要读写的数据。一般情况下,DS18B20 按此步骤访问才能响应MCU 的命令,并执行相应的功能。三个步骤的具体功能为：1初始化过程 DS18B20 器件的所有操作都需先初始化器件,初始化操作由 MCU 发出复位脉冲,从机收到后发出响应的应答脉冲两部分组成。MCU 发送复位脉冲后不断查询 1-Wire总线的状态并等待 DS18B20 发出应答信号,检测有没有 DS18B20 器件准备好,若在设定的时间内没有检测到应答信号,表示不能检测到DS18B20,则返回或发出提示信号。 2ROM 命令 MCU 检测到 DS18B20 应答信号后,可以发送 ROM 命令。ROM 命令长度为一个字节,分为搜索命令、读 ROM 命令、匹配 ROM 命令、报警命令和跳跃命令五种。ROM 命令使一个单一的总线可连接多个 DS18B20 芯片。 1搜索ROM命令命令代码：F0H 搜索ROM命令用于通过DS18B20内部的ROM码搜索总线上DS18B20芯片的数量,也能判断总线上一线器件的类型,检测有没有其他类型的一线器件。例如A/D转换器、存储器等。如果总线上只有一片 DS18B20,可以采用读ROM 命令代替搜索命令。 2读ROM命令命令代码：33H 当1-Wire总线上只有一片DS18B20,不需搜索命令检测芯片的数量,可以用读命令直接读取其64位内部ROM编码。但是如果总线上挂接多个一线芯片,该命令会使所有芯片同时响应MCU,使数据产生冲突而导致操作失败。 3匹配ROM命令命令代码：55H 当总线上有多片 DS18B20 时,某一时刻 MCU 需访问其中一个芯片,MCU 可先发出匹配命令,然后发出其ROM编码,所有芯片都接收此ROM码,并与自身ROM码对比,由于ROM编码具有唯一性,因此总线上只有一片的ROM码与接收的ROM码相同,并响应此后MCU发出的功能命令,其他ROM码不匹配的芯片此后处于等待状态。4跳过ROM命令命令代码：CCH 跳过ROM 命令主要用于MCU控制所有DS18B20 同时工作,总线上挂接的所有从器件收到命令后同时执行此后的功能命令。当从芯片数量多时,该命令可明显提高工作效率。例如最常用的温度转换,MCU 可通过该命令控制总线上所有的 DS18B20在很短的时间内同时开始并完成温度A/D转换。如果轮流转换,所需时间将会增加几十倍。 5报警搜索命令命令代码：ECH MCU 可在 DS18B20 内部存储器中设置高低温报警极限值。工作过程中,通过报警搜索命令可以仅检测哪些DS18B20芯片测量温度超出了高低温报警极限值,未超温的则不予处理。该命令可以提高检测效率。 3功能命令。 MCU 向 DS18B20 发出 ROM 命令后,可以随后发出功能命令,用以实现某一控制功能,功能命令包括启动温度A/D转换、写暂存器、读暂存器、复制暂存器和回读EEPROM 存储器等。各功能命令命令代码、具体功能及总线的的响应情况如表 4-1 所示。 表4-1 DS18B20功能命令集功能命令命令代码功能描述单总线的响应信息转换温度44H启动温度转换无读暂存器BEH主机读取全部暂存器的内存,包括CRC字节DS18B20传输最多9个字节到主机写暂存器4EH主机向暂存器第2、3、4字节即TH、TL和配置寄存器写入数据主机传输3个字节数据至DS18B20复制暂存器48H向暂存器中的TH、TL和配置字节复制到EEPROM中无回读EEPROMB8H将EEPROM中的TH、TL和配置字节回读至暂存器中DS18B20传送回读状态至主机4 操作时序 1初始化时序 MCU 对 DS18B20 的各种操作均从初始化开始。编写初始化程序时,MCU 首先将一线总线拉至低电平480s以上,然后释放总线1560s,读取总线状态,若总线为低电平,表示DS18B20有响应信号,主从机联络成功,可以开始后面的操作。 DS18B20 收到低电平初始化信号后,会发出 60240s 的低电平应答信号,为了保证可靠联络,MCU等待应答的持续时间不能小于240s,当MCU主机在设定时间内不能检测到有效应答信号,可以返回重发,或者发出错误提示信息。2读/写时隙时序 读/写时隙时序是指MCU对DS18B20读写一个位数据0或1的操作时序。是一线器件软件编程的核心,关系到能否可靠访问一线器件,因此编程时严格按照MAXIM 公司提供的时序图编写。DS18B20的基本操作流程如图4-1所示。图4-1 DS18B20操作流程图4.2 DS1302时钟采集程序设计DS1302的控制字节的最高有效位必须是逻辑1,如果它为0,则不能把数据写入DS1302中,位6如果为0,则表示存取日历时钟数据,为1表示存取RAM数据;位5至位1指示操作单元的地址;最低有效位如为0表示要进行写操作,为1表示进行读操作,控制字节总是从最低位开始输出。4.2.1数据输入输出在控制指令字输入后的下一个SCLK时钟的上升沿时,数据被写入DS1302,数据输入从低位即位0开始。同样,在紧跟8位的控制指令字后的下一个SCLK脉冲的下降沿读出DS1302的数据,读出数据时从低位0位到高位7。4.2.2 DS1302的寄存器DS1302有12个寄存器,其中有7个寄存器与日历、时钟相关,存放的数据位为BCD码形式,其日历、时间寄存器及其控制字。此外,DS1302还有年份寄存器、控制寄存器、充电寄存器、时钟突发寄存器及与RAM相关的寄存器等。时钟突发寄存器可一次性顺序读写所有寄存器内容。DS1302与RAM相关的寄存器分为两类：一类是单个RAM单元,共31个,每个单元组态为一个8位的字节,其命令控制字为C0HFDH,其中奇数为读操作,偶数为写操作；另一类为突发方式下的RAM寄存器,此方式下可一次性读写所有的RAM的31个字节,命令控制字为FEH、FFH。下图为DS1302实时显示流程图。图4-2 DS1302实时时间流程图4.3 nRF905程序设计图4-3 主程序流程图图4-4 nRF905数据传输流程图 图4-5 nRF905数据接收流程图4.4 A/D数据采集程序设计芯片的简单接口程序框图：图4-6 芯片的简单接口程序框图ADS1212U内部有5种功能寄存器。其中指令寄存器INSR和命令寄存器CMR用于控制转换器的操作。数据输出寄存器DOR用于存放最新的转换结果。零点校准寄存器OCR和满量程寄存器FCR用于对转换结果进行校准。指令寄存器INSR是一个8位寄存器,对ADS1212U的每一步操作都是从它开始的。具体格式如下：高位 低位R/WMB1MB00A3A2A1A0R/W是读写控制位。1为读操作,0为写操作。MB1MB0是欲读写的字节数。00 11对应1 4。A3A0是欲读写寄存器的地址。命令寄存器CMR是一个32位寄存器,通过对它的操作可以设置ADS1211/10的各种工作模式。数据输出寄存器DOR为24位寄存器,用于存放最新的转换结果。只有在DRDY信号为低的情况下,DOR中的数据才是有效数据。如果在1/fDATA-121/fXIN时间内没有读出DOR中的数据,那么它将会被新的数据所覆盖。DOR中输出的数据格式可以用补码形式表示,如FFFFFFH000000H7FFFFFH,表示负最大量程0正最大量程；也可以用原码形式表示,如000000H800000HFFFFFFH,表示负最大量程0正最大量程,这可用设置CMR3的DF位来实现。零点校准寄存器OCR和满量程寄存器FCR用于对转换结果进行标准。它们都是24位寄存器,可以在初始化中对其写入,以便用于校准输出数据。数据采集程序的流程图如图4-7所示。图4-7 数据采集程序流程图4.5 液晶显示程序设计下图为KG240128A液晶的指令表：指令名称控制状态指令代码参数运行时间CDRDRWD7D6D5D4D3D2D1D0读状态字101S7S6S5S4S3S2S1S0无地址指针设置11000100N2N1N02状态检测显示区域设置110010000N1N02状态检测显示方式设置1101000CGN2N1N0无32x1/Fosc显示状态设置1101001N3N2N1N0无32x1/Fosc光标形状设置11011000N2N1N0无32x1/Fosc数据自动读写设置110101100N1N0无32x1/Fosc数据一次读写设置11011000N2N1N0132x1/Fosc屏读一字节设置11011100000无状态检测屏拷贝一行设置11011101000无状态检测位操作1101111N3N2N1N0无状态检测数据写操作010数据无状态检测数据读操作001数据无状态检测图4-8 液晶显示流程图结 论本设计的物联网技术的数据采集系统,能集成多方面的信息,具有多种功能的资源共享服务平台,可有效实现对数据的实时监测,实时准确采集并实时显示等,而且留有了足够大的上升空间,为以后的开发研究提供了一个方便的接口技术。本文在介绍了物联网一些背景和对数据采集系统的各项要求后,提出了系统的总体设计方案,并详细介绍了系统实现的有关技术,最终完成了数据采集系统的各项工作。通过现场使用,性能稳定可靠,操作方便,得到了用户的好评。通过对本方案系统的实施,可解决大部分制造业企业数据采集工作繁重,同时也无法保证数据的准确性的等问题,高精度的AD采集模块可实现了现场数据采集的准确性,在互联网行业和数字技术快速发展的今天,无线通讯技术对人们的影响也越来越深刻,本系统设计的无线通讯和高精度AD模块的结合,式采集数据高效率、简洁、实时,实现了数据采集的智能化,高效化,一体化,现代化。由于本人的能力和水平有限,对本课题的许多方面还没有深入研究,论文中难免存在一些不成熟和欠妥之处,恳请各位老师、专家提出宝贵意见。致谢本设计在束老师的悉心指导和严格要求下业已完成,从课题选择、方案论证到具体设计和调试,无不凝聚着两位老师的心血和汗水,陈老师以他敏锐的洞察力、渊博的知识、严谨的治学态度、精益求精的工作作风和对科学的献身精神给我留下了刻骨铭心的印象,在三年的专科学习和生活期间,也始终感受着老师的精心指导和无私的关怀,我受益匪浅。在此向两位老师表示深深的感谢和崇高的敬意。不积跬步何以至千里,本设计能够顺利的完成,也归功于各位任课老师的认真负责,使我能够很好的掌握和运用专业知识,并在设计中得以体现,同时这个毕业设计也让我了解了有关于物联网及无线通讯的相关知识。正是有了他们的悉心帮助和支持,才使我的毕业论文工作顺利完成,在此向所有的老师和帮助过我的同学表示由衷的谢意。参考文献1 王保云. 物联网技术研究综述 J. 电子测量与仪器学报, 2009,12 ：23 1-6.2 陈卫兵.基于 GPRS 的远程电力计量监测系统J.XX职业大学学报,2005,4 ：1913-16.3 刘天成.基于 FM1702SL 的 USB 接口的 RFID 读卡器的设计J.XX 学院学报：自然科学版, 2009,6 ：2537-38.4 姜源,陈卫兵等.单片机应用与实践教程,XX电子科技大学出版社M,2010:120-1325 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