摘 要： 在采集不同高度的溫度時(shí)，在不同高度安置無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳感器成本高，無(wú)線傳感器的電源替換比較困難，為解決此問題，采用了簡(jiǎn)易螺旋直升機(jī)，內(nèi)置由AT89C51單片機(jī)、DS1820數(shù)字芯片，可實(shí)時(shí)采集不同高度的溫度。使用JF24D?B無(wú)線傳輸模塊將信號(hào)送至ARM7控制系統(tǒng)。監(jiān)控端通過無(wú)線信號(hào)接收并解析，在μClinux下進(jìn)行進(jìn)程調(diào)度和數(shù)據(jù)處理，并通過Python完成數(shù)據(jù)圖表的實(shí)時(shí)顯示，便于用戶查看當(dāng)前溫度做出正確決策。

關(guān)鍵詞： 溫度采集； JF24D?B； ARM7； μClinux； Python

中圖分類號(hào)： TN911?34； TP274+.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）02?0095?03

0 引 言

在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，生產(chǎn)環(huán)境惡劣，不能長(zhǎng)時(shí)間停留在現(xiàn)場(chǎng)采集溫度數(shù)據(jù)，而有限傳輸具有溫度檢測(cè)難、可操作性差。高科技農(nóng)業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，采集溫度時(shí)，布線困難復(fù)雜，成本高。為解決以上困難，采用無(wú)線方式。常用的無(wú)線方式為433 MHz小無(wú)線、ZigBee、CDMA/GPRS、3G等方式，考慮到性價(jià)比和現(xiàn)場(chǎng)情況，本系統(tǒng)采用JF24D?B完成無(wú)線收發(fā)。為了采集不同高度的溫度，可在不同高度安置無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳感器。但考慮到成本和傳感器的電源替換問題，采用簡(jiǎn)易螺旋直升機(jī)升降不同高度來采集溫度。通過控制直升機(jī)的升降讓它達(dá)到測(cè)量高度進(jìn)行溫度測(cè)量并傳送控制單元處理，測(cè)量完畢返回便于無(wú)線傳感器的維護(hù)。

1 總電路設(shè)計(jì)

為了采集高空溫度，采用了簡(jiǎn)易螺旋直升機(jī)，內(nèi)置由AT89C51單片機(jī)、DS1820數(shù)字芯片，可實(shí)時(shí)采集不同高度的溫度。并通過JF24D?B模塊將信息送至ARM7開發(fā)板，ARM7開發(fā)板用于數(shù)據(jù)顯示和數(shù)據(jù)處理，JF24D?B用于數(shù)據(jù)獲取和命令下達(dá)，控制直升機(jī)的升降。在ARM開發(fā)板上通過μClinux系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，軟件同時(shí)在RHEL 4.0上進(jìn)行編譯和處理。本設(shè)計(jì)選取對(duì)業(yè)界通用的C語(yǔ)言指令、Shell指令和Python指令。C語(yǔ)言指令主要是用于單片機(jī)AT89C51的驅(qū)動(dòng)編程；Shell指令主要是用于ARM7開發(fā)板上的數(shù)據(jù)處；Python指令主要是用于數(shù)據(jù)圖像顯示。采用這幾個(gè)指令的原因是占用的空間小、執(zhí)行速度快、兼容性強(qiáng)。

系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

2 基于單片機(jī)的溫度采集無(wú)線傳感器模塊

2.1 硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路采用AT89C51單片機(jī)進(jìn)行控制。采用DS18B20進(jìn)行溫度采集。采用JF24D?B[1]進(jìn)行無(wú)線模塊的發(fā)送和接收，JF24D?B是一款低成本，小體積，高性能的全雙工無(wú)線通信模塊?？刂浦鄙w機(jī)的升降采用另外一個(gè)無(wú)線模塊。溫度采集模塊中，單片機(jī)P1.0管腳連接DS18B20的DQ，用于采集現(xiàn)場(chǎng)溫度，P2口連接無(wú)線模塊JF24D?B。

2.2 基于單片機(jī)的溫度采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

首先對(duì)程序的初始化，完成DS18B20和JF24D?B無(wú)線傳輸模塊的初始化狀態(tài)的設(shè)定。采用定時(shí)中斷，每隔10 s采集一次溫度，并進(jìn)入發(fā)射模式。

單片機(jī)發(fā)給JF24D?B無(wú)線發(fā)送模塊發(fā)射指令，同時(shí)LED2閃爍，隨之進(jìn)入接收模式。單片機(jī)等待ARM7發(fā)來的應(yīng)答信號(hào)20 ms，如果器件收到應(yīng)答，則LED1閃爍。器件沒有收到應(yīng)答則再發(fā)送無(wú)線模塊發(fā)射指令。主程序及中斷程序設(shè)計(jì)框圖如圖2，圖3所示。

3 基于ARM7的無(wú)線接收與控制模塊

3.1 ARM7簡(jiǎn)介

ARM7是32位通用微處理器ARM（Advanced RISC Machines）家族中的一員，具有比較低的電源消耗和良好的性價(jià)比，基于（精簡(jiǎn)指令）RISC結(jié)構(gòu)，擁有比較高的指令處理能力和實(shí)時(shí)中斷響應(yīng)能力。ARM指令集由于應(yīng)用了流水線技術(shù)，指令處理和存儲(chǔ)系統(tǒng)的各個(gè)部分都可以連續(xù)運(yùn)行，提高運(yùn)行速度。采集到的溫度數(shù)據(jù)通過無(wú)線傳送模塊送至ARM7處理，提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理能力，便于完成與用戶友好交互界面顯示。

3.2 JF24D?B無(wú)線傳輸模塊的信號(hào)解析

進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸就必須遵循一定的協(xié)議，在該設(shè)計(jì)中使用的JF240?B無(wú)線傳輸模塊使用的是Modbus協(xié)議來進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸和解析。Modbus協(xié)議規(guī)定了消息、數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)、命令和應(yīng)答方式，數(shù)據(jù)通信采用MASTER/SLAVE方式，MASTER端發(fā)出數(shù)據(jù)請(qǐng)求消息，SLAVE端接收到正確消息后就發(fā)送數(shù)據(jù)到MASTER端也可直接發(fā)消息修改SLAVE端的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)雙向讀寫。

為了將直升機(jī)上的JF24D?B和控制器上的JF24D?B相互關(guān)聯(lián)需要將節(jié)點(diǎn)映射為Modbus設(shè)備及其寄存器，即建立地址映射表。Modbus串行鏈路PDU提供了地址域，即Modbus地址[2]。地址映射表被建立后以鏈表的形式存在內(nèi)存中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)定義為相應(yīng)的結(jié)構(gòu)體類型。

3.3 μClinux進(jìn)程調(diào)度[3?4]

通過進(jìn)程調(diào)度的策略選擇下一個(gè)要執(zhí)行的進(jìn)程：首先對(duì)所有進(jìn)程進(jìn)行檢測(cè)，喚醒任何一個(gè)得到信號(hào)的進(jìn)程，即改變進(jìn)程的state屬性；然后根據(jù)時(shí)間片和優(yōu)先級(jí)調(diào)度機(jī)制來計(jì)算處于就緒隊(duì)列中每個(gè)進(jìn)程的綜合優(yōu)先級(jí)，其計(jì)算方法由goodness（）函數(shù)實(shí)現(xiàn)；接著選擇綜合優(yōu)先級(jí)最高的進(jìn)程作為隨后要執(zhí)行的進(jìn)程，若就緒隊(duì)列中沒有可調(diào)度的，則重新分配時(shí)間片，即改變進(jìn)程的counter屬性值，并利用switch_to（）函數(shù)進(jìn)行進(jìn)程切換。

3.4 μClinux中的socket處理JF24D?B數(shù)據(jù)

通過JF24D?B完成點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的數(shù)據(jù)通信，會(huì)在兩點(diǎn)之間建立一個(gè)網(wǎng)絡(luò)通信機(jī)制，當(dāng)然在這個(gè)機(jī)制同時(shí)還需要Modbus協(xié)議的協(xié)助。網(wǎng)絡(luò)的socket數(shù)據(jù)傳輸是一種特殊的I/O，socket也是一種文件描述符。socket（）函數(shù)返回一個(gè)整形的socket描述符，隨后的連接建立、數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔僮鞫际峭ㄟ^socket實(shí)現(xiàn)的。經(jīng)常用的socket類型有兩種：一種是流式socket：SCOK_STREAM；另一種是socket：SOCK_DGRAM。在該設(shè)計(jì)中，使用的是SOCK_STREAM的類型進(jìn)行數(shù)據(jù)連接傳輸應(yīng)用。socket在實(shí)際應(yīng)用中的設(shè)計(jì)流程圖如圖4所示。

3.5 Python讀取數(shù)據(jù)并顯示[5]

將socket處理完成的數(shù)據(jù)存放在sqlite中，在此需要對(duì)sqlite進(jìn)行操作，將數(shù)據(jù)讀取出來之后進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示，繪制圖表。為了讓數(shù)據(jù)能夠完全的同步，需要將Python與sqlite數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行鏈接。具體的連接步驟如下：找個(gè)Pysqlite，這是Python訪問sqlite的接口，網(wǎng)址為http：//initd.org/tracker/pysqlit，根據(jù)自己的Python版本選用Pysqlite 2.3或2.4。編寫程序，顯示圖表。在ARM7中顯示的當(dāng)前溫度和不同高度溫度圖表如圖5，圖6所示。

4 結(jié) 論

采用基于51單片機(jī)的溫度采集系統(tǒng)簡(jiǎn)單，使用JF24D?B無(wú)線傳輸模塊，其協(xié)議可共享開放源代碼，并解決了315 MHz和433 MHz無(wú)法解決的同頻干擾問題。控制器采用ARM7系統(tǒng)，通過無(wú)線信號(hào)解析和接收，在μClinux下進(jìn)行進(jìn)程調(diào)度和數(shù)據(jù)處理，并通過Python完成數(shù)據(jù)圖表的顯示。整個(gè)系統(tǒng)具有成本低、可靠性高、可讀性強(qiáng)，有效地解決了對(duì)不同高度的溫度采集控制問題。

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