基于无线通信的多卡尺数据采集系统设计
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作者:刘玲 丁嘉辉 唐大卫 曹明瑞 刘白雪
摘 要：为了实现卡尺数据处理的高效率性、实时性、低误判率，该文设计了基于无线通信多卡尺的数据采集系统。利用现有的数显游标卡尺对钢材或其他物体进行测量，采用stm32主控进行收集数显游标卡尺发送出来的数据，并通过控制WiFi模块将数据无线发送至下位机。下位机对采集数据进行存储、归类分析并与设定量进行对比。设计结果表明，该系统以云传输方式实现数据的实时传递，以WiFi模块作为数据传输路径实现一对多或多对一的无线数据传输，并且具有自动比对，高效率的数据处理以及报警功能。
关键词：数据采集系统 stm32 WiFi模块 数据处理 报警功能
中图分类号：TN98 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2020）02（c）-0018-04
在工业测量领域，尤其是钢厂产品检测方面，以往传统的检测方式是需要工人对产品检测得出的数据进行记录并人工比对，由于检测的产品数量往往很多，耗费人力也浪费钢厂的财力，而且检测效率极低，没有实时性。因此关于测量检测，目前文献[1]采用有线方式通过传输线或网络传送入处理中心，然而这类方式受到通信线缆比较复杂，从而影响到现场数据采集设备和数据的测量，且现场布线成本高，耗费大，性价比严重偏低等因素的影响;文献[2]在数显卡尺的基础上，以无线方式（蓝牙）进行一对一方式传输点对点的数据传输，并可做到数据保存，但无法实现多卡尺同时进行数据传送，且传输距离短，易受干扰。在测量领域还缺少无线通信技术的数据集中处理、分析以及比对功能。
为满足上述需求，该文提出通过WiFi的形式，以WiFi作为通信渠道，通信距离长，利用多卡尺同时传送数据，即实现一对多或多对一功能。下位机对多把卡尺的数据进行归类、分析和比对，若对比结果没达到预期值，接收端则自动报警提醒工人进行标记。下位机还具有存储功能，将归类分析好的数据以云传输的形式发送到APP中进行显示，方便复检员或老板复检。
1 基于游标卡尺的数据采集处理系统
一种用于工业测量领域的无线数据采集系统，对数据快捷化、准确化及实时化测量，通过数显游标卡尺WiFi模块将数据通过无线网传至下位机，下位机将数据收集并与所需设定的数值进行比较。如果发现所测数据与设定量不一样，则数显游标卡尺的接收器上，接收器收到信号并发出“滴答”或“不合格”声音告知人员此钢材或其他物质尺寸不合格。测量完毕后下位机将收集的数据进行储存，并对储存的数据集中归类和分析，下位机再将分析好的数据以云传输的形式发送到手机APP或电脑APP上，以周或月为单位，通过折线图或条形图直观地表示产品的质量，实现数据实时、准确上传，方便复检人员或厂长对检测结果的审查。
该文重点解决：（1）以WiFi模块作为数据传输路径，可实现一对多或多对一的无线数据传输。（2）下位机功能，除存储数据外，还可以对数据进行归类分析，上位机还拥有自动比对功能，大大降低误判几率，并具有自动报警功能，可以大幅度提高工作效率。
实现上述需求，游标卡尺控制系统图如图1所示。
2 系统软硬件采集实现
2.1 系统的硬件设计
系统硬件组成成分主要包括stm32c8t6核心处理器、WiFi无线模块、报警模块、电源电路设计如图2所示。
（1）stm32c8t6核心处理器。
具有72MHzCPU的速度和高達1MB的闪存。包含电动机控制外围设备以及CAN和USB全速接口。ARMCortex-M332位闪存微控制器工作时具有低功率、低电压，并结合了实时功能的极佳性能。结合了高性能的RISC内核，运行频率可达72MHz，以及高速内嵌存储器，增强范围的强化输入/输出和外部连接至两个APB总线。STM32F103C8T6具有12位模数转换器，计时器，PWM计时器，标准和高级通讯接口。
（2）WiFi无线模块。
ATK-ESP8266模块采用串口与MCU通信，内置TCP/IP协议栈，能够实现串口与WiFi之间的转换ESP8266强大的片上处理和存储能力，使其可通过GPIO口集成传感器及其他应用的特定设备，实现了最低前期的开发和运行中最少地占用系统资源。ESP8266高度片内集成，包括天线开关balun、电源管理转换器，因此仅需极少的外部电路，且包括前端模块在内的整个解决方案在设计时将所占PCB空间降到最低，内置TR开关、balun、LNA、功率放大大器和匹配冗网网络还有PLL、稳压器和电源管理组件在802.11b模式下+19.5dBm的输出功率并支持天线分集。断电泄露电流小小于10μA，内置低功率32位CPU可以兼作应用用处理器具有A-MPDU、A-MSDU的聚合和0.4μs的保护间隔，2ms之内唤醒、连接并传递数据包待机状态消耗功率小小于1.0mW。串口框图、数据接收及发送如图3、图4、图5所示。
（3）报警模块的设计。
报警模块由3个人LED灯和蜂鸣器电路组成，3个LED分别为红、黄、绿灯并且串联一定阻值的电阻连入电路。蜂鸣器电路是由有源蜂鸣器一端串联一个电阻接5V电源，另一端连接9014三极管的c端三极管b端串联电阻引出另一端将与stm32c8t6核心处理器IO口连接，三极管的e端接地组成。单片机将系统的测量数值与预定值进行比对，若不合格则通过无线网发送信号到合格器上。合格器采用stm32主控对WiFi接受模块进行控制收集发送的信号，收到信号后通过stm32控制蜂鸣器发出报警声音。
2.2 系统的软件设计
系统软件框图主要包括WiFi通信程序、数据处理系统以及报警功能程序，以WiFi通信为数据传输且对数据进行处理，不合格的报警警告，如图6所示。 WiFi通信模块通过串口模块进行配置，在stm32开发环境下设计完成。如图7所示。
3 系统程序功能实现
利用keil编程软件搭建c语言环境对其stm32c8t6核心处理器进行编译控制。利用游标卡尺对所测钢管进行数据采集，将采集的数据由游标卡尺数据传输线将数据传至stm32c8t6核心处理器，stm32c8t6核心处理器通过串口进行数据读取。stm32c8t6核心处理器将数据通过Wifi无线模块将数据传至pc终端。stm32c8t6核心处理器将通过串口获取的数据进行对比，将对比的结果进行储存，并将比对结果发至PC端通过报警模块将错误数据进行报警。
数据对比，首先向stm32c8t6核心处理器输入一个标准数据并在编程软件下定义一个变量将其储存，通过串口传输协议将卡尺所测数据进行读取。通过报警模块上的按键对所采集数据对比进行开始，当按下按键时将所测数据与标准数据对比并储存在一个数组中，测不同5个点的数据依次按下按键对数据进行对比并储存在同一数组里。将数组里数求均值，将均值与标准值进行对比如果误差在允许范围内则通过报警模块进行闪绿灯和蜂鸣器响一下给测试者提示此产品合格。通过按下发送按键将测量数据通过WiFi无线模块发送至pc端。如果均值与标准值进行比较不在允许误差内则通过报警模块进行闪红灯和蜂鸣器响3下给测试者提示此产品不合格。
stm32c8t6核心处理器可以做到多通道数据接收实现一对多或多对一的无线数据传输，多个游标卡尺可以同时测量并将数据传至stm32c8t6核心处理器通过从不同通道对多个游标卡尺数据进行采集定义不同变量将其储存，可以进行不同标准值的设定并进行数据对比。
4 结语
该文实现了WiFi通信传输数据，实现了一对多或多对一的无线数据传输，完成了对整个无线数据采集系统调试运行工作。而且对数据进行分析，比对，研究制造无线数据采集系统合格器部分，将不合格产品自动报警，大大降低误判几率，大幅度提高了工作效率，方便后续测量人员测量检查。
参考文献
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