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)綜合實驗的需求，設計了物聯(lián)網(wǎng)綜合實驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過多路重量傳感器采集模型飛機的重量，結合模數(shù)轉(zhuǎn)換及單片機處理后連接到系統(tǒng)主機，通過主機軟件對數(shù)據(jù)進行計算處理，實現(xiàn)對模型飛機重量和重心的測量與計算。經(jīng)過使用測試，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定性高，測量精準度高，提供多開發(fā)接口與配套實驗，滿足了物聯(lián)網(wǎng)相關課程與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育的要求。

關鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)實驗系統(tǒng);自制實驗系統(tǒng);重心與重量;創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）20-0213-03

由于實驗設備及實驗系統(tǒng)研發(fā)難度較大、研發(fā)周期較長等特點，多數(shù)高校的實驗相關設備與系統(tǒng)一般來自第三方，通過教師自主研發(fā)的較少。采用第三方實驗設備及系統(tǒng)，與高校實驗教學關聯(lián)性與針對性不強，往往不能滿足實驗教學的需求。針對以上問題，本文提出了通過教師自主設計開發(fā)一款基于物聯(lián)網(wǎng)的綜合實驗系統(tǒng)，系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)相關課程實驗相結合，滿足實驗實訓的要求，同時能夠滿足創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育與教學的需求。

本文對基于物聯(lián)網(wǎng)的綜合實驗系統(tǒng)原理進行了研究，根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)實驗課程及創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育需求，結合軟硬件系統(tǒng)開發(fā)流程，提出了該系統(tǒng)的系統(tǒng)架構、功能模塊、軟硬件設計與實現(xiàn)、系統(tǒng)測試、課程實驗項目開發(fā)等，并研發(fā)了樣機及軟件平臺。

1物聯(lián)網(wǎng)自制綜合實驗系統(tǒng)特點

1）通過三點支撐測量方法實現(xiàn)對模型飛機重量測量。通過對模型飛機重量的實時采集，實現(xiàn)對模型飛機的重心與重量的測量。在稱重采集單元，物聯(lián)網(wǎng)自制綜合實驗系統(tǒng)通過三點支撐測量方法實現(xiàn)對模型飛機重量測量，重量等于三個支撐點之和[1]。模型飛機的重心與飛機的結構有關，本設計的模型飛機選擇斗機如殲10為實驗對象，通過三點支撐建立坐標系，通過各個支撐點采集到的重量，根據(jù)力矩平衡原理，測量進行模型飛機重心計算。通過兩種狀態(tài)下的測量，得到模型飛機的重心，一是水平狀態(tài)下的測量，即三稱重支撐點處于同一水平位置，通過稱重測量并計算后得到水平狀態(tài)下的二維（水平）重心坐標;二是抬高模型飛機機頭所在稱重支撐位置，通過稱重并結合水平稱重狀態(tài)點的參數(shù)，計算得到狀態(tài)下的三維（垂直）重心坐標[2]。

2）系統(tǒng)硬件開發(fā)板為開展實驗提供豐富的接口，并提供軟件二次開發(fā)程序。學生能夠完成單片機系統(tǒng)、短距離無線有線通信技術、傳感器技術、程序開發(fā)與設計等課程相關的實驗，可以在實驗系統(tǒng)的基礎上開展系統(tǒng)軟硬件的擴展與二次開發(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應用程序、安卓手機端APP以及液晶屏輸出等實驗應用軟件。通過主機的計算處理，在終端用戶可以實現(xiàn)對模型飛機重心重量測量參數(shù)的設置、數(shù)據(jù)的管理等。

在模型飛機的設計中，一般以模型飛機機體坐標系為主，其重心計算和測量結果要求在機體坐標系中給出，因此根據(jù)以上公式測量的模型飛機實際重心位置，最后需要通過幾何方法轉(zhuǎn)換到模型飛機機體坐標系上表示。

2系統(tǒng)設計

2.1系統(tǒng)總體架構

物聯(lián)網(wǎng)自制綜合實驗系統(tǒng)總體架構如圖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，通過本模塊實現(xiàn)采集模型飛機的重量信息并轉(zhuǎn)化成數(shù)據(jù)信息;二是系統(tǒng)主機，實現(xiàn)對重心重量的處理、計算、控制及存儲;三是安卓手機端APP，實現(xiàn)對重心重量的手機端處理、計算與控制;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單元實現(xiàn)與主機的通信，主機應用程序處理稱重數(shù)字信息，并計算重心數(shù)據(jù)，同時可以實現(xiàn)對稱重硬件模塊單元的管理與控制。安卓手機端的APP程序通過WIFI或者藍牙通信實現(xiàn)與稱重硬件模塊單元的交互，具有同主機相同的管理、控制、存儲等功能[3]。

2.2系統(tǒng)的功能模塊

系統(tǒng)包括稱重硬件單元、主機單元以及手機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，實現(xiàn)重量數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換及處理;主機單元包括設置參數(shù)、功能單元、存儲單元及打印單元等功能模塊，實現(xiàn)重心重量的計算、控制、設置、存儲、打印等功能;手機App單元與主機單元類似，包括設置參數(shù)、功能單元、存儲單元及打印單元等功能模塊，通過手機端實現(xiàn)對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，實現(xiàn)重量數(shù)據(jù)采集;二是模數(shù)轉(zhuǎn)換部分，實現(xiàn)重量電壓模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號;三是控制處理部分，實現(xiàn)重量的計算處理及系統(tǒng)數(shù)據(jù)的存儲管理;四是通信部分，主要指微控制單元與上位機即主機與手機端主控制器的通信，包括ZigBee、藍牙、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

通過模型飛機機翼兩側的支撐點重量傳感器采集兩路重量信號，同時通過安裝在支撐點舉升模型飛機頭部的傳感器感知模型飛機機頭重量信號，并輸出至數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和A/D轉(zhuǎn)換，然后將該信號傳給微處理器單元，微處理器單元對采集到的重量數(shù)字信號進行分析、計算與處理，在LCD顯示屏顯示當前計算結果。為了實現(xiàn)重心數(shù)據(jù)的測量以及系統(tǒng)相關數(shù)據(jù)的管理，通過主機單元對數(shù)據(jù)進行進一步分析、計算、處理、存儲及打印，并將處理的模型飛機重量和重心數(shù)據(jù)輸出至連接主機的顯示屏。為了實現(xiàn)安卓手機對系統(tǒng)的管理與控制，通過安卓手機App對采集的數(shù)據(jù)進行分析、計算、處理與存儲，并實現(xiàn)采集及處理重量與重心數(shù)據(jù)的實時顯示。

3系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

3.1系統(tǒng)硬件設計

本系統(tǒng)主要實現(xiàn)模型飛機重量及重心測量和管理，在稱重端LCD屏顯示系統(tǒng)實時測量重量等參數(shù)，系統(tǒng)主機或者手機端計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)采集模塊設計

重量感應采集采用電阻應變式壓力傳感器，該傳感器具有靈敏度高、精度高等特點。其測量原理是通過被測點壓力的變化，進而轉(zhuǎn)化為阻值的改變，進一步轉(zhuǎn)化為電壓的變化，最終輸出電壓參數(shù)，輸出靈敏度達到1.0+0.15mV，單個傳感器量程為100Kg。

（2）數(shù)據(jù)AD轉(zhuǎn)換模塊設計

數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊采用海芯HX711芯片，能實現(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)進行轉(zhuǎn)換，輸出24位的A/D轉(zhuǎn)換值。

（3）控制模塊設計

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

3.2系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件設計包括兩個部分，下位機軟件及上位機軟件。目前系統(tǒng)通信主要通過串口實現(xiàn)，以下以串口通信為例淡系統(tǒng)軟件實現(xiàn)。

（1）下位機軟件設計

下位機軟件流程如圖3所示。首先對AD、UART、LCD160或數(shù)碼管進行初始化，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，如果有則執(zhí)行重量的計算，把電壓信號轉(zhuǎn)換成重量數(shù)據(jù)。稱重子程序循環(huán)執(zhí)行，單擊停止按鈕結束稱重，在顯示器上顯示最近一次的重量數(shù)據(jù)。同時，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，程序可以設置標定，由標定子程序完成，標定是電壓信號轉(zhuǎn)換成重量過程中的一個固定比例值，此比例可以矯正重量，初始化時系統(tǒng)已經(jīng)給標定賦予一個初始值。

（2）上位機軟件設計

上位機軟件設計包括主機軟件設計以及Android手機App軟件設計。主機操作系統(tǒng)采用Windows CE7.0及以上版本，使用輕量型的關系數(shù)據(jù)庫SQLite。主機軟件開發(fā)使用Visual Stu-dio 2017平臺，軟件界面方便采用觸摸屏操作模式設計，遵循模型飛機注重原理與流程。首先初始化系統(tǒng)菜單、對話框、控件及變量等，在單擊運行按鈕前，設置好模型飛機水平狀態(tài)的一些基本參數(shù)，包括機型（型號）、狀態(tài)、稱重位置（以實際位置為準）。單擊運行按鈕后，進入重量和重心子程序，子程序判斷是否有重量信號，有則顯示在對應文本框，單擊計算按鈕，根據(jù)三個重量值計算對應的重心值并單擊保存按鈕。下一步通過抬高模型飛機機頭方法，根據(jù)實際測量重新沒計模型飛機的稱重位置參數(shù)，單擊計算按鈕，系統(tǒng)自動結合兩次重量和重心及模型飛機相關參數(shù)計算出飛機的重心并輸出到飛機重心文本框。另外，系統(tǒng)可以對稱重模塊進行參數(shù)沒計，包括標定、清零、去皮等。考慮到不同緯度重力加速度不一致，系統(tǒng)可以設置重力加速度。主機軟件另外一大功能就是對所有的重量和重心數(shù)據(jù)進行存儲管理，并可以打印輸出等。

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

4系統(tǒng)調(diào)試結果

完成了系統(tǒng)的測試后，就初步完成了一個完整的嵌入式樣機產(chǎn)品的設計及系統(tǒng)實現(xiàn)。系統(tǒng)上位機軟件主界面如圖所示，實現(xiàn)了模型飛機重量和重心的實時采集、計算與管理，主機采集數(shù)據(jù)界面如圖4所示，實時測量模型飛機每個支點所承受的重量。

模型飛機的重心必須通過兩種不同狀態(tài)下采集的三個支點重量計算得到，通過提升模型飛機頭部高度得到第二種狀態(tài)，計算得到重心坐標和總重量。在測量過程中，要保證被測量模型飛機在靜止穩(wěn)定狀態(tài)下才能得到精準的測量結果。

5結語

根據(jù)模型飛機重心重量的測量原理與方法，沒計了模型飛機重心重量的硬件模塊，在此基礎上，進一步設計了該系統(tǒng)的手機App與主機應用程序，實現(xiàn)對模型飛機重心重量的管理與控制。該系統(tǒng)作為物聯(lián)網(wǎng)相關課程的實驗平臺，滿足了實驗實訓教學以及創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐。

參考文獻：

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[2]賈恒信，楊帆，劉方明.多機型千斤頂式飛機重量和重心測量系統(tǒng)研究[J].陜西理工大學學報（自然科學版），2017，33（6）：7-12+44.

[3]饒緒黎，張美平，馬現(xiàn)虎.基于物聯(lián)網(wǎng)技術的實驗設備運行監(jiān)控管理系統(tǒng)設計[J].山東大學學報（理學版），2012，47（11）：74-77.

[4]邵開麗，付財源，張振帥，等.基于STC89C52單片機的智能服裝系統(tǒng)設計[J].毛紡科技，2018，46（9）：61-65.

[5]王中源，張金龍.基于單片機的一種高精度脈沖信號測試儀[J].科技創(chuàng)新與應用，2020（10）：31-32.

【通聯(lián)編輯：梁書】

收稿日期：2020-03-23

基金項目：2018年國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目：奔跑的蝸牛（項目編號：201814389065）