魏建升，成明明，張蓓，王一石

（1.蘭州工業(yè)學(xué)院，甘肅 蘭州 730050；2.蘭州環(huán)科泰電子科技有限公司，甘肅 蘭州 730030；3.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)，甘肅 蘭州 730070）

工業(yè)數(shù)據(jù)采集器是一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的設(shè)備，它可以通過傳感器采集工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的溫度、濕度、壓力、振動(dòng)等參數(shù)，以及生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、維護(hù)保養(yǎng)記錄等信息數(shù)據(jù)［1-2］，并將其傳輸至云端進(jìn)行存儲(chǔ)和管理。同時(shí)，它還可以對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，了解生產(chǎn)過程的趨勢(shì)和規(guī)律，為生產(chǎn)決策提供參考。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，為工業(yè)數(shù)據(jù)采集和處理提供了新的思路和手段［3-4］。因此，設(shè)計(jì)一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的工業(yè)數(shù)據(jù)采集器，對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)的智能化和信息化具有重要的意義。本文旨在設(shè)計(jì)一種基于物聯(lián)網(wǎng)的工業(yè)數(shù)據(jù)采集器，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，以驗(yàn)證其性能和實(shí)用性。

1 工業(yè)數(shù)據(jù)采集器基本原理及系統(tǒng)架構(gòu)

前端工業(yè)數(shù)據(jù)采集器的基本原理是通過傳感器采集各種參數(shù)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后存儲(chǔ)在內(nèi)存中，并通過通信接口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心或控制中心。其系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

其中，傳感器是工業(yè)數(shù)據(jù)采集器的核心部件，它能夠?qū)囟?、壓力、流量、振?dòng)等各種參數(shù)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然后通過放大電路、濾波電路等進(jìn)行處理，最終輸出標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)字信號(hào)［5-6］，通過控制模塊對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和管理。

2 工業(yè)數(shù)據(jù)采集器的設(shè)計(jì)方案

工業(yè)數(shù)據(jù)采集器的總體設(shè)計(jì)方案如圖2所示。硬件系統(tǒng)主要由模擬信號(hào)處理電路、數(shù)字信號(hào)處理電路、單片機(jī)最小系統(tǒng)電路、存儲(chǔ)電路、485通信電路、網(wǎng)絡(luò)和上位機(jī)通信電路以及電源電路組成。硬件系統(tǒng)分為兩部分：信號(hào)采集底板系統(tǒng)和核心板系統(tǒng)，在供電方面，采用兩組電路分開供電。信號(hào)采集過程：傳感器的數(shù)據(jù)通過相應(yīng)的信號(hào)處理電路再通過底板和核心板連接端口到達(dá)單片機(jī)中，單片機(jī)獲取到數(shù)據(jù)后進(jìn)行本地存儲(chǔ)或者通過網(wǎng)絡(luò)通信遠(yuǎn)程傳輸?shù)椒?wù)器并存儲(chǔ)。上位機(jī)通過USB線連接到信號(hào)采集底板，實(shí)現(xiàn)和單片機(jī)的通信，完成采集方式的配置。

圖2 硬件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

3 工業(yè)數(shù)據(jù)采集器的硬件設(shè)計(jì)

3.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路

單片機(jī)最小系統(tǒng)是單片機(jī)正常工作的核心電路，是單片機(jī)正常工作的基本條件。最小系統(tǒng)由主控芯片STM32F103RCT6和一些外圍電路組成［7］，主要包括：晶振電路、復(fù)位電路、RTC供電電路、模擬器件供電電路、燒寫和調(diào)試電路。

3.2 網(wǎng)絡(luò)通信電路

網(wǎng)絡(luò)通信是單片機(jī)將數(shù)據(jù)采集到內(nèi)部存儲(chǔ)器后，如果配置的是遠(yuǎn)程存儲(chǔ)方式。那么此時(shí)會(huì)將數(shù)據(jù)通過本電路配合軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸，實(shí)現(xiàn)本地到遠(yuǎn)程服務(wù)器端的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。網(wǎng)絡(luò)通信電路使用基于BC20的物聯(lián)網(wǎng)解決方案，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程服務(wù)器的連接和通信。BC20是基于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的，需要SIM卡的支持，可以使系統(tǒng)應(yīng)對(duì)復(fù)雜的環(huán)境，可部署在具有移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋的任何區(qū)域。

3.3 USB轉(zhuǎn)串口電路

USB轉(zhuǎn)串口電路用于上位機(jī)和下位機(jī)進(jìn)行通信，由于通信雙方采用串口進(jìn)行通信，但是如今的上位機(jī)一般沒有串口。而是使用USB接口，因此需要將USB電平轉(zhuǎn)換為串口電平（TTL電平），芯片CH340G即可實(shí)現(xiàn)USB轉(zhuǎn)串口，之后才可以進(jìn)行正常通信［8］。

3.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路是當(dāng)單片機(jī)將數(shù)據(jù)采集完成后，進(jìn)行本地?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)。本設(shè)計(jì)采用SD卡實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)本地存儲(chǔ)，使用SPI總線將其和單片機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。

3.5 電流信號(hào)采集電路

電流采集電路是將0-20mA的電流信號(hào)進(jìn)行前期處理。處理完成送給單片機(jī)ADC電壓采集端口。工作過程：電路中首先將端子流入的電流信號(hào)進(jìn)行變換，通過R22電阻將0-20mA電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為0-3v的電壓信號(hào)。之后使用LM358芯片實(shí)現(xiàn)電壓跟隨，起到信號(hào)隔離、降低信號(hào)輸出阻抗作用，然后送入單片機(jī)模擬量采集端口進(jìn)行采集。TV3、TV4瞬態(tài)二極管用于抑制浪涌電壓，使其不高于3.3V，單片機(jī)的模擬量輸入電壓范圍是0-3.3V，可起到保護(hù)單片機(jī)的作用。C10、C11、C13、C21、C23用于濾除信號(hào)噪聲和電源噪聲，讓信號(hào)更加穩(wěn)定。

3.6 電壓信號(hào)采集電路

電壓信號(hào)采集電路是將傳感器輸入的0-10V電壓信號(hào)進(jìn)行前期處理。通過該電路將輸入的0-10v電壓轉(zhuǎn)換為滿足單片機(jī)要求的0-3.3V電壓。之后再交給單片機(jī)ADC進(jìn)行電壓采集。TV1、TV2用于抑制浪涌電壓，實(shí)現(xiàn)兩路電壓信號(hào)幅度的限制，防止輸入電壓超過10V時(shí)導(dǎo)致?lián)p壞單片機(jī)。C20、C22、C9、C14用于濾除噪聲干擾。

3.7 485通信電路

485通信電路主要實(shí)現(xiàn)基于Modbus-RTU協(xié)議傳感器的數(shù)據(jù)通信。電路中核心芯片MAX485用于將TTL電平轉(zhuǎn)換為485電平。由于485通信總線采用半雙工通訊方式，因此需要進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)控制，一般有兩種控制收發(fā)的方法：一是單片機(jī)內(nèi)部進(jìn)行軟件控制，二是通過硬件實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，本設(shè)計(jì)使用硬件實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，目的即是適當(dāng)?shù)販p輕軟件設(shè)計(jì)的負(fù)擔(dān)，其中Q1及其周圍元器件協(xié)調(diào)完成了數(shù)據(jù)自動(dòng)收發(fā)功能。其次通過芯片ADUM1201ARZ將信號(hào)進(jìn)行了隔離，進(jìn)一步保證了核心元件的安全，增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾及其穩(wěn)定性。

4 工業(yè)數(shù)據(jù)采集器的配置軟件設(shè)計(jì)

對(duì)于軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)部分，主要使用FreeRTOS實(shí)時(shí)操作為核心，所需要實(shí)現(xiàn)的功能使用FreeRTOS創(chuàng)建任務(wù)，將每一個(gè)功能分開處理。軟件開發(fā)原則上采用模塊化設(shè)計(jì)并進(jìn)行分層處理，使得軟件邏輯與層析清晰，實(shí)現(xiàn)較為容易。本設(shè)計(jì)將軟件部分大致分為三層：硬件層、數(shù)據(jù)獲取層、數(shù)據(jù)處理層。硬件層主要實(shí)現(xiàn)單片機(jī)硬件的初始化，如ADC、串口、RT等硬件的初始化會(huì)給上層提供獲取數(shù)據(jù)接口。數(shù)據(jù)獲取層使用硬件層提供的接口來獲取數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)首先保存到單片機(jī)內(nèi)存中。數(shù)據(jù)處理層也稱核心層，主要完成數(shù)據(jù)的本地保存和服務(wù)器保存，如：將每一次采集的數(shù)據(jù)上追加時(shí)間信息，之后通過存儲(chǔ)處理程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行保存［9-13］。

底層驅(qū)動(dòng)程序方面，采集器支持多種傳感器的驅(qū)動(dòng)程序，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各種傳感器的數(shù)據(jù)采集和處理。

數(shù)據(jù)采集程序方面，采集器采用多線程設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)多個(gè)傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理和篩選，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性。

數(shù)據(jù)處理程序方面，采集器支持多種數(shù)據(jù)處理算法，如濾波、歸一化、數(shù)據(jù)壓縮等，實(shí)現(xiàn)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和優(yōu)化，提高數(shù)據(jù)的可用性和價(jià)值。

通信程序方面，采集器采用Socket編程，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸和遠(yuǎn)程控制，支持TCP/IP、HTTP等多種通信協(xié)議，具有通信速度快、傳輸穩(wěn)定等特點(diǎn)。

5 實(shí)驗(yàn)與測(cè)試

本文設(shè)計(jì)的工業(yè)數(shù)據(jù)采集器在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行測(cè)試。圖3是系統(tǒng)按照默認(rèn)1S采樣周期進(jìn)行采樣，將數(shù)據(jù)記錄在SD卡中。文件名為當(dāng)天日期，擴(kuò)展名：.csv，這種文件格式可以直接被PC端的Excel軟件識(shí)別，將數(shù)據(jù)按照表格形式展現(xiàn)出來，因此可將SD卡插入PC機(jī)進(jìn)行查看采集到的數(shù)據(jù)。在測(cè)試過程中，工業(yè)數(shù)據(jù)采集器可以正常采集并傳輸各種數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控和數(shù)據(jù)處理，同時(shí)，也可以對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，為生產(chǎn)決策提供參考。

圖3 SD卡文件內(nèi)容

6 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的工業(yè)數(shù)據(jù)采集器，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，驗(yàn)證了其性能和可靠性。通過測(cè)試結(jié)果，本文設(shè)計(jì)的工業(yè)數(shù)據(jù)采集器具有采集精度高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、支持多種傳感器、通信速度快、傳輸穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。

在今后的研究中，可以進(jìn)一步優(yōu)化工業(yè)數(shù)據(jù)采集器的硬件設(shè)計(jì)，提高其穩(wěn)定性和耐用性，同時(shí)，加強(qiáng)采集器的安全性能，加密數(shù)據(jù)傳輸，保護(hù)數(shù)據(jù)安全。此外，還可以開發(fā)更多的數(shù)據(jù)處理算法，進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)的可用性和價(jià)值，為工業(yè)生產(chǎn)提供更為精確的數(shù)據(jù)支持。