郭陽勇　張軒愷　王嬡琳　張仁杰

摘要：為保障物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)的需求，設(shè)計(jì)了物聯(lián)網(wǎng)綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過多路重量傳感器采集模型飛機(jī)的重量，結(jié)合模數(shù)轉(zhuǎn)換及單片機(jī)處理后連接到系統(tǒng)主機(jī)，通過主機(jī)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)模型飛機(jī)重量和重心的測(cè)量與計(jì)算。經(jīng)過使用測(cè)試，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性高，測(cè)量精準(zhǔn)度高，提供多開發(fā)接口與配套實(shí)驗(yàn)，滿足了物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)課程與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育的要求。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng);自制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng);重心與重量;創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）20-0213-03

由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備及實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研發(fā)難度較大、研發(fā)周期較長等特點(diǎn)，多數(shù)高校的實(shí)驗(yàn)相關(guān)設(shè)備與系統(tǒng)一般來自第三方，通過教師自主研發(fā)的較少。采用第三方實(shí)驗(yàn)設(shè)備及系統(tǒng)，與高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)關(guān)聯(lián)性與針對(duì)性不強(qiáng)，往往不能滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需求。針對(duì)以上問題，本文提出了通過教師自主設(shè)計(jì)開發(fā)一款基于物聯(lián)網(wǎng)的綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)課程實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，滿足實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)的要求，同時(shí)能夠滿足創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育與教學(xué)的需求。

本文對(duì)基于物聯(lián)網(wǎng)的綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理進(jìn)行了研究，根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)課程及創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育需求，結(jié)合軟硬件系統(tǒng)開發(fā)流程，提出了該系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)、功能模塊、軟硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、系統(tǒng)測(cè)試、課程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開發(fā)等，并研發(fā)了樣機(jī)及軟件平臺(tái)。

1物聯(lián)網(wǎng)自制綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)特點(diǎn)

1）通過三點(diǎn)支撐測(cè)量方法實(shí)現(xiàn)對(duì)模型飛機(jī)重量測(cè)量。通過對(duì)模型飛機(jī)重量的實(shí)時(shí)采集，實(shí)現(xiàn)對(duì)模型飛機(jī)的重心與重量的測(cè)量。在稱重采集單元，物聯(lián)網(wǎng)自制綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)通過三點(diǎn)支撐測(cè)量方法實(shí)現(xiàn)對(duì)模型飛機(jī)重量測(cè)量，重量等于三個(gè)支撐點(diǎn)之和[1]。模型飛機(jī)的重心與飛機(jī)的結(jié)構(gòu)有關(guān)，本設(shè)計(jì)的模型飛機(jī)選擇斗機(jī)如殲10為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，通過三點(diǎn)支撐建立坐標(biāo)系，通過各個(gè)支撐點(diǎn)采集到的重量，根據(jù)力矩平衡原理，測(cè)量進(jìn)行模型飛機(jī)重心計(jì)算。通過兩種狀態(tài)下的測(cè)量，得到模型飛機(jī)的重心，一是水平狀態(tài)下的測(cè)量，即三稱重支撐點(diǎn)處于同一水平位置，通過稱重測(cè)量并計(jì)算后得到水平狀態(tài)下的二維（水平）重心坐標(biāo);二是抬高模型飛機(jī)機(jī)頭所在稱重支撐位置，通過稱重并結(jié)合水平稱重狀態(tài)點(diǎn)的參數(shù)，計(jì)算得到狀態(tài)下的三維（垂直）重心坐標(biāo)[2]。

2）系統(tǒng)硬件開發(fā)板為開展實(shí)驗(yàn)提供豐富的接口，并提供軟件二次開發(fā)程序。學(xué)生能夠完成單片機(jī)系統(tǒng)、短距離無線有線通信技術(shù)、傳感器技術(shù)、程序開發(fā)與設(shè)計(jì)等課程相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，可以在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上開展系統(tǒng)軟硬件的擴(kuò)展與二次開發(fā)。

3）系統(tǒng)提供多終端數(shù)據(jù)輸出。系統(tǒng)開發(fā)了PC端C/S應(yīng)用程序、安卓手機(jī)端APP以及液晶屏輸出等實(shí)驗(yàn)應(yīng)用軟件。通過主機(jī)的計(jì)算處理，在終端用戶可以實(shí)現(xiàn)對(duì)模型飛機(jī)重心重量測(cè)量參數(shù)的設(shè)置、數(shù)據(jù)的管理等。

在模型飛機(jī)的設(shè)計(jì)中，一般以模型飛機(jī)機(jī)體坐標(biāo)系為主，其重心計(jì)算和測(cè)量結(jié)果要求在機(jī)體坐標(biāo)系中給出，因此根據(jù)以上公式測(cè)量的模型飛機(jī)實(shí)際重心位置，最后需要通過幾何方法轉(zhuǎn)換到模型飛機(jī)機(jī)體坐標(biāo)系上表示。

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)總體架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)自制綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。包括四部分，一是稱重硬件模塊，該部分是本系統(tǒng)的核心，通過本模塊實(shí)現(xiàn)采集模型飛機(jī)的重量信息并轉(zhuǎn)化成數(shù)據(jù)信息;二是系統(tǒng)主機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)重心重量的處理、計(jì)算、控制及存儲(chǔ);三是安卓手機(jī)端APP，實(shí)現(xiàn)對(duì)重心重量的手機(jī)端處理、計(jì)算與控制;四是LCD顯示端，直接連接稱重硬件模塊，顯示重量等屬性信息。通過稱重硬件模塊單元的串口或者WIFI單元實(shí)現(xiàn)與主機(jī)的通信，主機(jī)應(yīng)用程序處理稱重?cái)?shù)字信息，并計(jì)算重心數(shù)據(jù)，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)稱重硬件模塊單元的管理與控制。安卓手機(jī)端的APP程序通過WIFI或者藍(lán)牙通信實(shí)現(xiàn)與稱重硬件模塊單元的交互，具有同主機(jī)相同的管理、控制、存儲(chǔ)等功能[3]。

2.2系統(tǒng)的功能模塊

系統(tǒng)包括稱重硬件單元、主機(jī)單元以及手機(jī)APP單元，如圖2所示。稱重硬件單元包括稱重傳感器、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、微處理器單元、通信模塊、電源模塊等，實(shí)現(xiàn)重量數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換及處理;主機(jī)單元包括設(shè)置參數(shù)、功能單元、存儲(chǔ)單元及打印單元等功能模塊，實(shí)現(xiàn)重心重量的計(jì)算、控制、設(shè)置、存儲(chǔ)、打印等功能;手機(jī)App單元與主機(jī)單元類似，包括設(shè)置參數(shù)、功能單元、存儲(chǔ)單元及打印單元等功能模塊，通過手機(jī)端實(shí)現(xiàn)對(duì)重心重量信息的處理、控制及管理。

稱重硬件部分包括，一是傳感器部分，實(shí)現(xiàn)重量數(shù)據(jù)采集;二是模數(shù)轉(zhuǎn)換部分，實(shí)現(xiàn)重量電壓模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào);三是控制處理部分，實(shí)現(xiàn)重量的計(jì)算處理及系統(tǒng)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)管理;四是通信部分，主要指微控制單元與上位機(jī)即主機(jī)與手機(jī)端主控制器的通信，包括ZigBee、藍(lán)牙、WiFi、串口等通信方式;五是電源部分，為了保證便攜式系統(tǒng)能夠在無交流電環(huán)境下正常工作，由電源控制單元為系統(tǒng)提供兩路電源，一是直接提供電源適配器，二是通過蓄電池組供電。

2.3系統(tǒng)工作原理與過程

通過模型飛機(jī)機(jī)翼兩側(cè)的支撐點(diǎn)重量傳感器采集兩路重量信號(hào)，同時(shí)通過安裝在支撐點(diǎn)舉升模型飛機(jī)頭部的傳感器感知模型飛機(jī)機(jī)頭重量信號(hào)，并輸出至數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和A/D轉(zhuǎn)換，然后將該信號(hào)傳給微處理器單元，微處理器單元對(duì)采集到的重量數(shù)字信號(hào)進(jìn)行分析、計(jì)算與處理，在LCD顯示屏顯示當(dāng)前計(jì)算結(jié)果。為了實(shí)現(xiàn)重心數(shù)據(jù)的測(cè)量以及系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)的管理，通過主機(jī)單元對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步分析、計(jì)算、處理、存儲(chǔ)及打印，并將處理的模型飛機(jī)重量和重心數(shù)據(jù)輸出至連接主機(jī)的顯示屏。為了實(shí)現(xiàn)安卓手機(jī)對(duì)系統(tǒng)的管理與控制，通過安卓手機(jī)App對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、計(jì)算、處理與存儲(chǔ)，并實(shí)現(xiàn)采集及處理重量與重心數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示。

3系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)模型飛機(jī)重量及重心測(cè)量和管理，在稱重端LCD屏顯示系統(tǒng)實(shí)時(shí)測(cè)量重量等參數(shù)，系統(tǒng)主機(jī)或者手機(jī)端計(jì)算處理重量和重心等數(shù)據(jù)，系統(tǒng)硬件部分主要包括稱重感應(yīng)采集、模數(shù)轉(zhuǎn)換、微處理控制單元、通信、電源等模塊。

（1）數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

重量感應(yīng)采集采用電阻應(yīng)變式壓力傳感器，該傳感器具有靈敏度高、精度高等特點(diǎn)。其測(cè)量原理是通過被測(cè)點(diǎn)壓力的變化，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為阻值的改變，進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為電壓的變化，最終輸出電壓參數(shù)，輸出靈敏度達(dá)到1.0+0.15mV，單個(gè)傳感器量程為100Kg。

（2）數(shù)據(jù)AD轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)

數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊采用海芯HX711芯片，能實(shí)現(xiàn)高精度24位A/D轉(zhuǎn)換，輸入共模電壓范圍（AGND+0.6，AVDD-0.6V），其電路圖如圖6所示。數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊首先計(jì)算傳感器的供電電壓，接收到稱重傳感器輸入的電壓參數(shù)后，輸入電壓參數(shù)通過128倍的增益，然后采樣稱重傳感器輸入的電壓參數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，輸出24位的A/D轉(zhuǎn)換值。

（3）控制模塊設(shè)計(jì)

微控制單元采用STC89C52單片機(jī)[4]，實(shí)現(xiàn)對(duì)通過數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊輸入的24位的A/D轉(zhuǎn)換值，即實(shí)時(shí)采集的重量數(shù)據(jù)值進(jìn)行計(jì)算處理，并輸出至數(shù)碼管或者小液晶顯示屏，同時(shí)通過Zig-Bee、WiFi、串口等通信方式連接上位機(jī)主控制器，上位機(jī)主控制器實(shí)現(xiàn)重心的計(jì)算，并對(duì)重量和重心數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和管理[5]。

3.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括兩個(gè)部分，下位機(jī)軟件及上位機(jī)軟件。目前系統(tǒng)通信主要通過串口實(shí)現(xiàn)，以下以串口通信為例淡系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)。

（1）下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)軟件流程如圖3所示。首先對(duì)AD、UART、LCD160或數(shù)碼管進(jìn)行初始化，然后執(zhí)行去皮子程序并獲得毛皮重量，單擊去皮按鈕歸零重量顯示。繼續(xù)執(zhí)行稱重子程序，判斷傳感器是否有重量信號(hào)，如果有則執(zhí)行重量的計(jì)算，把電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成重量數(shù)據(jù)。稱重子程序循環(huán)執(zhí)行，單擊停止按鈕結(jié)束稱重，在顯示器上顯示最近一次的重量數(shù)據(jù)。同時(shí)，在程序中，可以執(zhí)行去皮及清零操作，去皮子程序得到模型飛機(jī)未稱重前顯示的初始重量，并可以去皮清零;清零子程序執(zhí)行稱重歸零操作。同時(shí)，程序可以設(shè)置標(biāo)定，由標(biāo)定子程序完成，標(biāo)定是電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成重量過程中的一個(gè)固定比例值，此比例可以矯正重量，初始化時(shí)系統(tǒng)已經(jīng)給標(biāo)定賦予一個(gè)初始值。

（2）上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)包括主機(jī)軟件設(shè)計(jì)以及Android手機(jī)App軟件設(shè)計(jì)。主機(jī)操作系統(tǒng)采用Windows CE7.0及以上版本，使用輕量型的關(guān)系數(shù)據(jù)庫SQLite。主機(jī)軟件開發(fā)使用Visual Stu-dio 2017平臺(tái)，軟件界面方便采用觸摸屏操作模式設(shè)計(jì)，遵循模型飛機(jī)注重原理與流程。首先初始化系統(tǒng)菜單、對(duì)話框、控件及變量等，在單擊運(yùn)行按鈕前，設(shè)置好模型飛機(jī)水平狀態(tài)的一些基本參數(shù)，包括機(jī)型（型號(hào)）、狀態(tài)、稱重位置（以實(shí)際位置為準(zhǔn)）。單擊運(yùn)行按鈕后，進(jìn)入重量和重心子程序，子程序判斷是否有重量信號(hào)，有則顯示在對(duì)應(yīng)文本框，單擊計(jì)算按鈕，根據(jù)三個(gè)重量值計(jì)算對(duì)應(yīng)的重心值并單擊保存按鈕。下一步通過抬高模型飛機(jī)機(jī)頭方法，根據(jù)實(shí)際測(cè)量重新沒計(jì)模型飛機(jī)的稱重位置參數(shù)，單擊計(jì)算按鈕，系統(tǒng)自動(dòng)結(jié)合兩次重量和重心及模型飛機(jī)相關(guān)參數(shù)計(jì)算出飛機(jī)的重心并輸出到飛機(jī)重心文本框。另外，系統(tǒng)可以對(duì)稱重模塊進(jìn)行參數(shù)沒計(jì)，包括標(biāo)定、清零、去皮等?？紤]到不同緯度重力加速度不一致，系統(tǒng)可以設(shè)置重力加速度。主機(jī)軟件另外一大功能就是對(duì)所有的重量和重心數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)管理，并可以打印輸出等。

手機(jī)App軟件支持Android 6.0以上的版本，使用關(guān)系數(shù)據(jù)庫SQLite，其工作流程與主機(jī)軟件一致。

4系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果

完成了系統(tǒng)的測(cè)試后，就初步完成了一個(gè)完整的嵌入式樣機(jī)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)上位機(jī)軟件主界面如圖所示，實(shí)現(xiàn)了模型飛機(jī)重量和重心的實(shí)時(shí)采集、計(jì)算與管理，主機(jī)采集數(shù)據(jù)界面如圖4所示，實(shí)時(shí)測(cè)量模型飛機(jī)每個(gè)支點(diǎn)所承受的重量。

模型飛機(jī)的重心必須通過兩種不同狀態(tài)下采集的三個(gè)支點(diǎn)重量計(jì)算得到，通過提升模型飛機(jī)頭部高度得到第二種狀態(tài)，計(jì)算得到重心坐標(biāo)和總重量。在測(cè)量過程中，要保證被測(cè)量模型飛機(jī)在靜止穩(wěn)定狀態(tài)下才能得到精準(zhǔn)的測(cè)量結(jié)果。

5結(jié)語

根據(jù)模型飛機(jī)重心重量的測(cè)量原理與方法，沒計(jì)了模型飛機(jī)重心重量的硬件模塊，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步設(shè)計(jì)了該系統(tǒng)的手機(jī)App與主機(jī)應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)模型飛機(jī)重心重量的管理與控制。該系統(tǒng)作為物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)課程的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，滿足了實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)以及創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉福佳，顧超.輕型飛機(jī)重量重心的測(cè)量及計(jì)算方法研究[J].沈陽航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2018，35（2）：17-21.

[2]賈恒信，楊帆，劉方明.多機(jī)型千斤頂式飛機(jī)重量和重心測(cè)量系統(tǒng)研究[J].陜西理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2017，33（6）：7-12+44.

[3]饒緒黎，張美平，馬現(xiàn)虎.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備運(yùn)行監(jiān)控管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].山東大學(xué)學(xué)報(bào)（理學(xué)版），2012，47（11）：74-77.

[4]邵開麗，付財(cái)源，張振帥，等.基于STC89C52單片機(jī)的智能服裝系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].毛紡科技，2018，46（9）：61-65.

[5]王中源，張金龍.基于單片機(jī)的一種高精度脈沖信號(hào)測(cè)試儀[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2020（10）：31-32.

【通聯(lián)編輯：梁書】

收稿日期：2020-03-23

基金項(xiàng)目：2018年國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目：奔跑的蝸牛（項(xiàng)目編號(hào)：201814389065）