周奕++仇潤(rùn)鶴

摘 要：介紹了一種基于嵌入式的房間溫度場(chǎng)實(shí)時(shí)繪制系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)由分布房間中的采集節(jié)點(diǎn)、現(xiàn)場(chǎng)采集終端和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心組成。首先采集節(jié)點(diǎn)采集房間溫度信息，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)采集終端的中轉(zhuǎn)和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心通信，數(shù)據(jù)中心處理溫度位置數(shù)據(jù)，將溫度信息進(jìn)行實(shí)時(shí)的可視化，即繪制溫度場(chǎng)，反映一個(gè)時(shí)間段中的溫度場(chǎng)變化。通過(guò)介紹采集節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)采集終端設(shè)計(jì)和溫度場(chǎng)繪制方法，并使用Labview軟件，采用溫度場(chǎng)繪制方法，繪制出形象的溫度場(chǎng)圖形。通過(guò)測(cè)試驗(yàn)證系統(tǒng)應(yīng)用的可靠性和溫度場(chǎng)圖形繪制的準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；溫度場(chǎng)；短距傳輸技術(shù)；Labview

中圖分類號(hào)：TP73 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-6835（2014）05-0004-02

溫度在一定程度上反映了物體內(nèi)能的變化，而溫度場(chǎng)的動(dòng)態(tài)量的測(cè)量是對(duì)物體內(nèi)部能量的變化、熱能傳遞方向和大小進(jìn)行判斷、計(jì)算，還可以根據(jù)熱平衡方程和邊界條件得到試樣的導(dǎo)熱系數(shù)、導(dǎo)溫系數(shù)等熱物性參數(shù)。

該系統(tǒng)采用的測(cè)量方法是通過(guò)在一壓力區(qū)域內(nèi)傳感器陣列獲取各測(cè)試點(diǎn)上的溫度值，最后再通過(guò)上位機(jī)對(duì)這些溫度值進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，得到相應(yīng)區(qū)域各個(gè)時(shí)刻的溫度場(chǎng)。與現(xiàn)有的溫度場(chǎng)測(cè)量技術(shù)相比，這種新方法的溫度場(chǎng)測(cè)量速度更快、準(zhǔn)確性更高、裝置的研制難度低，完全滿足溫度場(chǎng)的測(cè)試要求，并能夠?qū)崟r(shí)地反映一段時(shí)間內(nèi)溫度場(chǎng)的變化。

該系統(tǒng)是一套多點(diǎn)溫度測(cè)試系統(tǒng)，其中每個(gè)采集點(diǎn)相對(duì)獨(dú)立。此外，采集點(diǎn)的數(shù)量不僅與測(cè)試系統(tǒng)的成本有關(guān)，同時(shí)直接影響測(cè)量精度。因此，在壓力場(chǎng)測(cè)試時(shí)傳感器陣列的布放要求布局合理。

遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器解釋前端數(shù)據(jù)，首先在軟件上構(gòu)筑測(cè)試房間的幾何模型，根據(jù)期望計(jì)算精度劃分網(wǎng)格，在模型上定位測(cè)試點(diǎn)的空間位置，軟件將根據(jù)位置參數(shù)自動(dòng)計(jì)算各個(gè)測(cè)試點(diǎn)應(yīng)當(dāng)歸屬的計(jì)算網(wǎng)格，最后繪制出溫度場(chǎng)圖形。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于嵌入式平臺(tái)的房間溫度場(chǎng)繪制系統(tǒng)是由房間布放的采集節(jié)點(diǎn)、現(xiàn)場(chǎng)采集終端和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心三級(jí)結(jié)構(gòu)組成，級(jí)與級(jí)之間通過(guò)短距傳輸無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1 采集節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

采集節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)如圖2所示。

節(jié)點(diǎn)選用STM32F103嵌入式芯片，該芯片具有指令執(zhí)行速度快、集成度高等特點(diǎn)。通過(guò)SPI口訪問(wèn)無(wú)線收發(fā)模塊，溫度傳感器信號(hào)經(jīng)過(guò)嵌入式芯片的A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再經(jīng)過(guò)線性變換轉(zhuǎn)換成實(shí)際溫度值。

節(jié)點(diǎn)處理的具體步驟如下：①通過(guò)PT100溫度傳感器，將房間溫度信息轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)，接著A/D轉(zhuǎn)化模塊將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)；②傳輸?shù)教幚硇酒M(jìn)行數(shù)據(jù)處理；③將處理后的溫度信息通過(guò)SPI接口存入SD卡中，同時(shí)通過(guò)短距傳輸模塊傳輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)采集終端。

圖1 基于嵌入式平臺(tái)的房間溫度場(chǎng) 圖2 采集節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)框圖

繪制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 現(xiàn)場(chǎng)采集終端設(shè)計(jì)

現(xiàn)場(chǎng)采集終端設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)采集終端設(shè)計(jì)框圖

現(xiàn)場(chǎng)采集終端在整個(gè)系統(tǒng)中起到核心作用，它不僅要收集采集節(jié)點(diǎn)的溫度信息，還要將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。

在收集采集節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)時(shí)，采用了ADF7021收發(fā)模塊，是實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵器件，該器件融合了En-hancedShoekBurst 技術(shù)。接著將數(shù)據(jù)通過(guò)SPI接口傳輸?shù)教幚硇酒M(jìn)行處理，最后將數(shù)據(jù)通過(guò)UART串口發(fā)送到GSM模塊。終端采用了SIMCOM公司的工業(yè)級(jí)雙頻GSM/GPRS模塊——SIM900A，通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心。

1.3 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心運(yùn)用Labview開發(fā)人機(jī)交互友好界面，使用TCP/IP協(xié)議建立SOCKET連接，與現(xiàn)場(chǎng)采集終端的GSM模塊進(jìn)行通信，并配合專業(yè)軟件實(shí)現(xiàn)溫度的實(shí)時(shí)可視化。

在實(shí)現(xiàn)溫度的可視化過(guò)程中采用了獨(dú)特的繪制方法。在軟件上構(gòu)筑測(cè)試平面的幾何模型，根據(jù)期望計(jì)算精度劃分網(wǎng)格，在模型上定位測(cè)試點(diǎn)的空間位置，軟件根據(jù)位置參數(shù)自動(dòng)計(jì)算各個(gè)測(cè)試點(diǎn)應(yīng)當(dāng)歸屬的計(jì)算網(wǎng)格。

測(cè)試數(shù)據(jù)的獲取時(shí)間間隔和探頭的響應(yīng)時(shí)間應(yīng)當(dāng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于測(cè)試數(shù)據(jù)變化的時(shí)間常數(shù)。因此，在每一時(shí)刻溫度場(chǎng)的計(jì)算過(guò)程中，可以將此時(shí)刻的溫度場(chǎng)近似為穩(wěn)態(tài)過(guò)程，以簡(jiǎn)化計(jì)算。

算法把空間分為有限數(shù)目的網(wǎng)格單元，將微分方程變換為差分方程，通過(guò)數(shù)值計(jì)算直接求取各網(wǎng)格單元節(jié)點(diǎn)的溫度，最常見(jiàn)的網(wǎng)格劃分及對(duì)應(yīng)的差分方程如圖4所示。但與其他算法不同的是，本算法將測(cè)試數(shù)據(jù)作為邊界條件，直接約束迭代計(jì)算過(guò)程，達(dá)到期望的結(jié)果。溫度場(chǎng)計(jì)算的準(zhǔn)確程度取決于測(cè)試點(diǎn)的多少和是否放置在特征點(diǎn)上，真正實(shí)現(xiàn)了測(cè)試點(diǎn)越多，越能理解物體的本質(zhì)；當(dāng)測(cè)試點(diǎn)密集到一定程度，則測(cè)點(diǎn)位置已不重要，計(jì)算結(jié)果都能反映真實(shí)情況。如果測(cè)試點(diǎn)有限，而根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)算出的溫度場(chǎng)/濃度場(chǎng)不合常理，這說(shuō)明測(cè)試點(diǎn)位置有可能有問(wèn)題，不在特征點(diǎn)上。因此，溫度場(chǎng)繪制方法可以幫助完善測(cè)試點(diǎn)位置的選擇。

2 測(cè)試與分析

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)采集終端的實(shí)時(shí)采集，可以在遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心實(shí)時(shí)得到各個(gè)采集點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)變化，下表1為10：11—14：11每隔1 h的房間內(nèi)9個(gè)溫度采集點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)變化。

表1 9個(gè)溫度采集點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)變化表

利用遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)處記錄采集的9個(gè)點(diǎn)的溫度信息以及它們的位置坐標(biāo)，首先采用溫度場(chǎng)繪制方法構(gòu)筑測(cè)試平面的幾何模型，根據(jù)期望計(jì)算精度劃分網(wǎng)格，在模型上定位測(cè)試點(diǎn)的空間位置。根據(jù)位置參數(shù)自動(dòng)計(jì)算各個(gè)測(cè)試點(diǎn)應(yīng)當(dāng)歸屬的計(jì)算網(wǎng)格，最后為每個(gè)點(diǎn)配以不同的配色方案繪制每個(gè)時(shí)刻房間的溫度場(chǎng)圖片。圖5為10：11—14：11內(nèi)每隔1 h測(cè)試房間內(nèi)的溫度場(chǎng)變化。

從溫度場(chǎng)的變化來(lái)看，10：11—13：11的溫度場(chǎng)整體顏色有淺變深，表明房間溫度從上午到中午不斷上升，可見(jiàn)空氣源熱泵系統(tǒng)開始運(yùn)行，使房間不斷加熱。而從13：11后溫度場(chǎng)整體顏色由深變淺，表明房間溫度到了下午有不斷下降的趨勢(shì)；最后顏色分布均勻，表明空氣源熱泵系統(tǒng)能夠按照控制要求控制房間溫度。整個(gè)過(guò)程表明該空氣源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠按照控制要求控制室內(nèi)溫度，控制時(shí)間需要4 h左右。對(duì)于溫度場(chǎng)中出現(xiàn)的溫度奇點(diǎn)，主要是由兩個(gè)原因造成：①由于溫度場(chǎng)算法采用連續(xù)性方程，需要特征點(diǎn)，而圖中的奇點(diǎn)即特征點(diǎn)；②圖中奇點(diǎn)表明空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)路徑及其送風(fēng)大小變化，比如從13：11和14：11時(shí)的情況可以看出，空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)口位于房屋一角，同時(shí)可以看出隨著房間溫度達(dá)到控制值，送風(fēng)量越來(lái)越小。