紀(jì)啟國(guó)

（安徽城市管理職業(yè)學(xué)院信息工程系，安徽 合肥 230011）

基于Android平臺(tái)的現(xiàn)場(chǎng)壓力采集器

紀(jì)啟國(guó)

（安徽城市管理職業(yè)學(xué)院信息工程系，安徽 合肥 230011）

基于國(guó)內(nèi)基礎(chǔ)設(shè)施大量建設(shè)，以及在地震中由于許多不達(dá)標(biāo)建筑造成的安全事件頻繁地發(fā)生，這就要求我們對(duì)于建筑材料與生產(chǎn)工藝的過(guò)程要實(shí)施更為嚴(yán)格和便捷的監(jiān)控。目前具有Android系統(tǒng)的智能手機(jī)使用普遍，它不僅價(jià)格低且屬于開(kāi)放的操作系統(tǒng)，如果把它作為實(shí)時(shí)監(jiān)控終端設(shè)備將可對(duì)建筑過(guò)程提供便捷及時(shí)的監(jiān)控。

Android；嵌入式；程序設(shè)計(jì)；傳感測(cè)量

引言

建筑材料力方面的參數(shù)是最重要的參數(shù)之一，隨著建筑材料的日新月異與新工藝的不斷發(fā)展，增加檢測(cè)設(shè)備的靈活性、通用性和便攜性就顯得至關(guān)重要，本系統(tǒng)是以Android智能終端作為客戶(hù)端，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)壓力的采集，采用這種方式既可以滿(mǎn)足實(shí)時(shí)采集監(jiān)控又方便操作，是一個(gè)非常好的選擇。因?yàn)锳ndroid系統(tǒng)［1］具有開(kāi)源性，是其它系統(tǒng)無(wú)法比擬的，我們可以根據(jù)客戶(hù)提出的需求，或客戶(hù)可以根據(jù)特定現(xiàn)場(chǎng)需要，對(duì)采集軟件等進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)交互式管理監(jiān)測(cè)，這樣不僅提高了本系統(tǒng)的實(shí)用性，也使本系統(tǒng)在使用進(jìn)更加靈活。所以實(shí)行采樣單元與計(jì)算分析單元分開(kāi)，采樣單元以電池供電通過(guò)藍(lán)牙把采樣力值和現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境參數(shù)發(fā)送到Android的手機(jī)上，通過(guò)手機(jī)的軟件計(jì)算和分析，繪制成圖形或數(shù)據(jù)報(bào)告，并且還可以通過(guò)3G或GSM把數(shù)據(jù)發(fā)送到公司的數(shù)據(jù)中心或保存在手機(jī)中。

一、系統(tǒng)硬件組成及工作原理

系統(tǒng)主要采用了高性能數(shù)字信號(hào)處理器DSPIC30F3012作為核心處理器，采用匯承信息的HC－07作為藍(lán)牙信號(hào)收發(fā)器，小米1的MIUI為手機(jī)平臺(tái)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，首先，系統(tǒng)通過(guò)外部壓力傳感器、濕度傳感器和濕度傳感器把現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)到的壓力、溫度和濕度的模擬信號(hào)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。其次，單片機(jī)只要通過(guò)AD模數(shù)轉(zhuǎn)換功能單元對(duì)送來(lái)的壓力信號(hào)、濕度信號(hào)和濕度信號(hào)進(jìn)行電壓信號(hào)采樣，利用AD轉(zhuǎn)換器把其采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，通過(guò)藍(lán)牙模塊發(fā)送到智能手機(jī)終端，傳出的這些數(shù)據(jù)將在終端上顯示或進(jìn)行簡(jiǎn)單的處理。最后，我們可以通過(guò)3G／GSM實(shí)時(shí)發(fā)送到公司的數(shù)據(jù)中心，中心根據(jù)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總判斷，如果出現(xiàn)問(wèn)題，可以回發(fā)警告信息提醒，從而達(dá)到數(shù)據(jù)中心對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)和嚴(yán)格的監(jiān)控，確保工程建筑的施工質(zhì)量。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1、DSPIC30F3012單片機(jī)

采用DSPIC30F3012單片機(jī)，首先通過(guò)AD單元對(duì)壓力、濕度、濕度三個(gè)傳感器收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，將采集到的信號(hào)通過(guò)設(shè)計(jì)好的程序進(jìn)行處理，然后將結(jié)果通過(guò)藍(lán)牙模塊發(fā)送到智能手機(jī)終端。本系統(tǒng)采用高性能改進(jìn)型RISC CPU，其內(nèi)部閃存程序空間有24 KB，片上數(shù)據(jù)RAM最大可達(dá)2 KB，1 KB的非易失性數(shù)據(jù)EEPROM，可以用來(lái)保存與傳感器和測(cè)量過(guò)程中的相關(guān)數(shù)據(jù)，保存更換手機(jī)后或平臺(tái)也可以直接工作。減少外加存儲(chǔ)芯片，從而減小線(xiàn)路板體積保證更好的便捷性，片內(nèi)DSP內(nèi)核含有兩個(gè)具備可選飽和邏輯的40位寬累加器，17位x 17位單周期硬件小數(shù)／整數(shù)乘法器，保證數(shù)據(jù)的處理實(shí)時(shí)性，其12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，8個(gè)通道可滿(mǎn)足大部分測(cè)量精度可以保證接入大量環(huán)境參數(shù)傳感器［2］。它的外設(shè)也非常豐富，包括高灌電流／拉電流I／O引腳：25 mA／25 mA，3個(gè)16位定時(shí)器／計(jì)數(shù)器；16位輸入捕捉功能；16位比較／PWM輸出功能兩個(gè)帶有FIFO緩沖區(qū)的可尋址UART模塊［3］，其引腳如圖2所示。

圖2 DSPIC30F3012單片機(jī)引腳圖

圖3 HC－07模塊引腳圖

2、藍(lán)牙模塊

系統(tǒng)的藍(lán)牙模塊采用的了廣州匯承公司的HC－07模塊，封裝引腳如圖3，該模塊技術(shù)成熟，低成本。其體積小且靈敏度高，可達(dá)到－80dBm－4－＞6dBm，且輸出功率可調(diào)，它的標(biāo)準(zhǔn)功率為Class 2，傳輸距離為10米，因自帶2．4GHz天線(xiàn)，所以用戶(hù)無(wú)需外加，該模塊采用了UART接口與單片機(jī)直連，運(yùn)用AT指令實(shí)現(xiàn)連接通訊，整個(gè)模塊設(shè)置簡(jiǎn)單［4］。

3、傳感器

傳感器分為壓力傳感器和溫濕度傳感器兩塊，前者是把檢測(cè)到的壓力物理量轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，后者是把檢測(cè)到的溫度物理量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓信號(hào)。首先，壓力傳感器采用RS傳感器461－367，其壓力范圍0～40bra，精度為0．25%。電源電壓10V［5］。模擬輸出0～5V。有四個(gè)引腳分別為正負(fù)電源和信號(hào)輸出正和負(fù)，其電路原理圖如圖4所示。

圖4

其次，溫濕度傳感器的溫度傳感器采用合肥三晶電子的NTC熱敏電阻［6］。其參數(shù)為：R25＝10K，B＝3950，電路原理圖如圖5所示。濕度傳感器：采用電阻式傳感器HIS－06N。供電電壓：AC 0～5V＠0．5K～2K，測(cè)量范圍：20～90%RH．濕度傳感器特性：45．8KΩ＠ （50%RH 25℃1KHZ）濕度檢測(cè)精度：＋／－5%RH，濕度傳感器的供電電壓力由DSPIC30F3012的PWM產(chǎn)生的1K方波，其電路圖如圖6所示。三個(gè)傳感器的相應(yīng)的被測(cè)電壓分別連接上的DSPIC30F3012的3個(gè)AD引腳。

圖5

圖6

4、手機(jī)平臺(tái)

終端采用小米智能手機(jī)，它包含了有1GB RAM＋4GB ROM，有藍(lán)牙2．1，GPS，主要是它有2．3和4．0的版本，可以用于測(cè)試軟件的兼容性。

二、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

1、單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)軟件采用了多模塊設(shè)計(jì)，各功能部分相對(duì)明確，軟件包括主程序、中斷程序和相關(guān)處理程序 （如計(jì)算溫度值，計(jì)算壓力值，計(jì)算濕度值，藍(lán)牙設(shè)置，藍(lán)牙通訊等）組成。采用這種設(shè)計(jì)，程序可讀性好，且二次開(kāi)發(fā)相對(duì)簡(jiǎn)單，其主程序流程圖和藍(lán)牙通訊模塊中斷程序流程圖如圖7所示。

圖7

2、Android軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)接收，數(shù)據(jù)處理，傳感器校準(zhǔn)，數(shù)據(jù)中心實(shí)時(shí)通訊。系統(tǒng)中的上位機(jī)的軟件部分中的模塊劃分如圖8所示。

圖8

藍(lán)牙通信：與采集單元通訊。讀數(shù)字信號(hào)控制器送來(lái)的各傳感器的值，并對(duì)系統(tǒng)各種參數(shù)進(jìn)行設(shè)置或讀取。

TCP通信：該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理結(jié)果和重要的讀數(shù)，通過(guò)手機(jī)通訊網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到數(shù)據(jù)中心。并接收數(shù)據(jù)中心發(fā)來(lái)的指令、警告或消息。

主顯示：它能把用戶(hù)需要的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)讀取出來(lái)或繪制成圖形，使整個(gè)測(cè)試過(guò)程易讀，直觀。

系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置：對(duì)測(cè)量中的警告與步驟參數(shù)的設(shè)置，滿(mǎn)足不同實(shí)際要求。

各模塊校準(zhǔn)：主要指的壓力傳感器。因?yàn)榭蛻?hù)可能會(huì)根據(jù)實(shí)際測(cè)試的場(chǎng)合或環(huán)境不同，更換相應(yīng)的傳感器，而每種傳感器的電氣性能有差異，提供模塊校準(zhǔn)就可以滿(mǎn)足不同的測(cè)力的要求。

數(shù)據(jù)處理：主要測(cè)量完成后對(duì)測(cè)量過(guò)程中的壓力值，進(jìn)行計(jì)算，分析，并且保存。

三、統(tǒng)界面設(shè)計(jì)

1、主界面設(shè)計(jì)

主界面設(shè)計(jì)如圖9所示，顯示當(dāng)前樣品序號(hào)，校準(zhǔn)方式，下位機(jī)的電池電量，力值的單位，實(shí)時(shí)的溫度與濕度，實(shí)時(shí)力值，以及與目標(biāo)力值的差別百分?jǐn)?shù)。其中，Start按鍵：實(shí)驗(yàn)開(kāi)始和結(jié)束，數(shù)據(jù)分析與處理也實(shí)時(shí)運(yùn)行。（開(kāi)始后按鍵名稱(chēng)變成Stop）．Rest按鍵：實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，力值清零。Save按鍵：保存實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析結(jié)果。

圖9 主界面設(shè)計(jì)

圖10 菜單設(shè)計(jì)

2、菜單設(shè)計(jì)

菜單設(shè)計(jì)如圖10所示．包括有 （Setup：設(shè)置界面；LogData：保存的數(shù)據(jù)瀏覽與處理；Operations：運(yùn)行系數(shù)設(shè)置；Calibration：力值校準(zhǔn)；Job＃：樣品的序號(hào)）

3、設(shè)置界面設(shè)計(jì)

圖11 設(shè)置界面設(shè)計(jì)

圖12 校準(zhǔn)設(shè)置

設(shè)置界面設(shè)計(jì)如圖11，其中包括：C－Factor：校準(zhǔn)方式：十點(diǎn)或系數(shù)；AutoSave：自動(dòng)保存開(kāi)關(guān)；Auto zero：自動(dòng)清零開(kāi)關(guān)；PeakValue：顯示最大值；Search devices：掃描下位機(jī)

4、校準(zhǔn)設(shè)置

Sensor Span Factor－K：系數(shù)校準(zhǔn)

Rated Capacity （kN）：額定范圍 Rated OutPut（mv／v）：額定輸出參數(shù)

10 points Linearisation－F10：十點(diǎn)線(xiàn)性校準(zhǔn)

Range（kN）：額定范圍Points：校準(zhǔn)點(diǎn)數(shù)

5、十點(diǎn)核準(zhǔn)：

圖14

輸入當(dāng)前力值，按Enter記錄當(dāng)前電壓毫伏值，依次記錄十點(diǎn)。

6、藍(lán)牙接收數(shù)據(jù)代碼：

結(jié)論

為了檢驗(yàn)本套系統(tǒng)的穩(wěn)定性與實(shí)用性，以及抗干擾能力，提供一臺(tái)樣機(jī)給建筑檢驗(yàn)單位實(shí)用?，F(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行良好，實(shí)時(shí)采集的力值沒(méi)有發(fā)生大的誤差值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果也可以實(shí)時(shí)發(fā)到建筑單位數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器上，遠(yuǎn)程監(jiān)控運(yùn)行情況良好。

［1］蔡睿妍·Arduino的原理及應(yīng)用［J］．電子設(shè)計(jì)工程，2012（16）：155－157．

［2］余敏，李偉，程亮亮·小張力動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］．工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2011，24（1）．

［3］http：／／www．elecfans．com／emb／xitong／20100919223434．htmReto MeierAndroid4．［EB／OL］．

［4］任小洪，傅成華，胡科·基于藍(lán)牙技術(shù)的無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］．測(cè)控技術(shù)，2009，28（1）．

［5］呂浩杰，胡國(guó)清，鄒衛(wèi)等·高性能MEMS電容壓力傳感器的設(shè)計(jì)及其熱分析［J］．光學(xué)精密工程，2010，18（5）．

［6］彭俊珍，林鳳華·NTC熱敏電阻的溫度測(cè)量技術(shù)及線(xiàn)性電路［J］．湖北職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，11（3）．

Field Pressure Collector Based on Android Platform

Ji Qiguo
（Department of Information Engineering，Anhui Occupational college of City Management，Hefei230011，Anhui，China）

Based on a large number of domestic infrastructure constructed，as well as many security incidents caused by substandard buildings frequently occur in the earthquake，which requires us to implement more stringent and convenient monitoring in the process of building materials and production technology．With Android Smartphone generally at present，it is not only low prices and an open operating system．Taking it as a real－time monitoring of terminal equipment will be able to provide convenient and timely monitoring；this system is intelligent terminal with Android as a client to realize the collection of the pressure．

Android；Embedded；Programming；Sensor measurement

王德紅）

G641

A

1673－9507（2014）01－0129－04

2013－09－12

紀(jì)啟國(guó) （1980．07～），男，安徽皖明光市人，安徽城市管理職業(yè)學(xué)院信息工程系講師，碩士研究生。研究方向：圖像處理，電路與系統(tǒng)。