CN103453985A

CN103453985A - 分布式无线光强测量仪

Info

Publication number: CN103453985A
Application number: CN2013103898958A
Authority: CN
Inventors: 卢超
Original assignee: Shaanxi University of Technology
Current assignee: Shaanxi University of Technology
Priority date: 2013-09-02
Filing date: 2013-09-02
Publication date: 2013-12-18
Anticipated expiration: 2033-09-02
Also published as: CN103453985B

Abstract

本发明公开了一种分布式无线光强测量仪，包括一个主机和多个从机，主机和从机之间无线通信，主机包括第一微控制器、按键模块、报警模块、显示模块、无线模块、USB接口和存储模块，按键模块、报警模块、显示模块、无线模块和存储模块均与第一微控制器相连，第一微控制器通过USB接口和PC机通信，从机包括第二微控制器、光强信号检测模块、电源模块、按键模块和无线模块，电源模块分别于无线模块、光强信号检测模块和第二微控制器电连接，无线模块、光强信号检测模块和按键模块均与第二微控制器相连，多个从机的硬件配置相同，分别放置在多片待测量区域。本发明采用分布式结构可以对多片区域同时进行测量，结构简单，使用方便。

Description

分布式无线光强测量仪

技术领域

本发明涉及一种光强测量仪，具体涉及一种分布式无线光强测量仪。

背景技术

光强是环境检测参数中的一个重要指标，传统的光强检测系统都是近距离测量，管理人员必须在现场读取数值，然后处理测量出当前的光强数值，灵活性差，测量的结果误差大，而且在读取和处理数值需要较多的时间，导致测量的效率非常低。

目前有一些企业在生产光强测量仪，例如德国的testo540照度计，其小巧，便携，拥有适合人眼光谱的传感器，具有读数锁定功能，便于读数，可以显示最大/最小值，但是价格在千元以上，而且属于单点测量，如果是一大片待测量区域，需要人工带着仪表逐个测量点进行测量和统计数据，费时费力。目前即使有多点光强测量系统，也多数采用有线的测量方式，需要实施网络布线工程，铺设电缆，大大增加了系统成本，降低了系统的灵活性、可维护性与可扩展性。

随着电子技术水平的大规模提高，当前对无线传感器网络的研究与开发已成为信息领域的一个热点，越来越多的国家和地区的研究机构和公司正加入到这方面的研究工作中来，如果设计中将分布式多点测量方式和无线通信相结合，针对传统光强测量仪实际使用中的不足之处，研究分布式无线光强测量仪，形成一个数据采集网络，以无线的方式分布在监测环境中，从根本上解决人工测量和大量布线的问题，实现数据接收、存储、显示、修改、查询及曲线绘制等功能，完成连续、长期、在线式测量，其结构简单、使用方便，具有小型化、可视性好等特点，同时采用无线方式，无需馈线连接，主机和从机可以随时移动，可扩展性好。

发明内容

为了解决现有技术存在的不足，本发明解决的技术问题是提供一种分布式无线光强测量仪。其技术方案为：

分布式无线光强测量仪，包括一个主机和多个从机，主机和从机之间无线通信，主机包括第一微控制器、按键模块、报警模块、显示模块、无线模块、USB接口和存储模块，按键模块、报警模块、显示模块、无线模块和存储模块均与第一微控制器相连，第一微控制器通过USB接口和PC机通信，从机包括第二微控制器、光强信号检测模块、电源模块、按键模块和无线模块，电源模块分别于无线模块、光强信号检测模块和第二微控制器电连接，无线模块、光强信号检测模块和按键模块均与第二微控制器相连，多个从机的硬件配置相同，分别放置在多片待测量区域。

作为优选，第一微控制器和第二微控制器均为单片机。

作为优选，光强信号检测模块为数字型光强度传感器。

作为优选，报警模块为语音报警器。

作为优选，存储模块为I²C总线的数据存储器EEPROM。

作为优选，显示模块为LCD显示屏。

作为优选，电源模块为锂离子电池。

作为优选，主机和从机中的无线模块相匹配且之间无线通讯。

本发明的有益效果：

采用分布式的结构可以对多片区域的光强度同时进行实时测量，其结构简单、使用方便、可视性好，同时采用无线方式，无需馈线连接，主机和多个从机可以随时移动，可扩展性好，主机通过USB接口连接PC机，利用PC机的分析软件对其进行实时监控、分析和处理，显示光强度曲线，当区域光强度异常时，发出报警信息，管理方便、操作简便、运行可靠。

附图说明：

图1为本发明系统总体结构框图；

图2为本发明所述主机的结构框图；

图3为本发明所述从机的结构框图；

图4为本发明所述光强信号检测模块连接电路；

图5为本发明所述无线模块连接电路；

图6为本发明所述显示模块连接电路；

图7为本发明所述主机中第一微控制器程序主流程图；

图8为本发明所述从机中第二微控制器程序主流程图；

图9为本发明所述PC机中软件主流程图；

图10为本发明所述PC机软件中光强实时采集显示界面图；

图11为本发明所述PC机软件中光强数据存储查询界面图。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例对本发明进一步详细地说明。

系统总体结构框图如图1所示：本发明包括一个主机和多个从机，主机和从机之间无线通信，主机包括第一微控制器、按键模块、报警模块、显示模块、无线模块、USB接口和存储模块，按键模块、报警模块、显示模块、无线模块和存储模块均与第一微控制器相连，第一微控制器通过USB接口和PC机通信，从机包括第二微控制器、光强信号检测模块、电源模块、按键模块和无线模块，电源模块分别于无线模块、光强信号检测模块和第二微控制器电连接，无线模块、光强信号检测模块和按键模块均与第二微控制器相连，多个从机的硬件配置相同，分别放置在多片待测量区域。第一微控制器和第二微控制器均为单片机。光强信号检测模块为数字型光强度传感器。报警模块为语音报警器。存储模块为I²C总线的数据存储器EEPROM。显示模块为LCD显示屏。电源模块为锂离子电池。主机和从机中的无线模块相匹配且之间无线通讯。

优选的是，所述第一微控制器和第二微控制器均选用STC89C52单片机，所述无线模块均选用NRF905芯片，所述存储模块选用I²C总线的EEPROM芯片AT24C64，所述光强信号检测模块选用内置16位模数转换器的数字型光强度传感器BH1750，所述显示模块选用LCD12864液晶显示器，所述报警模块选用语音报警芯片ISD1730。

所述的光强信号检测模块选用内置16位模数转换器的数字型光强度传感器BH1750，光强信号检测模块连接电路如图4所示。系统采用的测量模式为连续高分辨率模式2，即：在0.5lx分辨率下开始测量，测量时间一般为120ms，通过采集到BH1750内部AD发送过来的16为二进制数据，转化成数值后除于1.2即为采集到的光强值。BH1750的DVI端为I²C总线的参考电压端口，同时也是异步重置端口，在BH1750上电以后，DVI口必须提供大于1μs的低电平，否则ADDR，SDA，SCL不稳定。R3、C12选取典型值，为1KΩ和1μf。对于BH1750的ADDR地址选择口，从机只需要控制一个BH1750采集光强信号，所以直接将ADDR接地。由于BH1750与微控制器的电平不一样，为了使二者之间通信的电平兼容，在BH1750与微处理器之间设计电平转化电路，这样，BH1750与微控制器通信的时候，就不会因为电平的兼容性问题而导致数据错误，从而稳定传送所测量出实际的光强数据。因为SCL是单向通信，只需要处理器给时钟信号操作BH1750，而SDA为双向通信，需要处理器给BH1750发送指令和读取BH1750测量的光强数据，所以在设计电平转化电路的时候，SDA需要设置双向转化电路，SCL只需要设计单向转化电路。对于R8、R4、R6的选取，只要保证在电平转化时候提供稳定的电平，而且使传感器和处理器在工作时不会因为输入电流过大从而烧毁光强传感器，系统中R8、R4、R6均选取4.7kΩ。

所述无线模块采用NRF905射频收发器，无线模块连接电路如图5所示，系统采用3.3V供电，工作在433/868/915MHz三个ISM频道，NRF905收发器进行无线数据传输自动进行CRC校验和编码，功耗非常低，用在从机上易于实现节能。NRF905使用SPI总线接口与控制器进行数据交换、地址、输出功率和信道配置等。设计使用的控制器STC89C52没有SPI总线接口模块，所以将NRF905的引脚直接接在微控制器的I/O上，用I/O模拟SPI总线对NRF905模块进行配置和操作NRF905模块进行收发数据。

所述的显示模块的连接电路如图6所示。显示模块采用字符型液晶模块LCD12864，采用并行工作方式，数据传输使用STC89C52的P0口，由于P0 口是漏极开路输出，所以在连接的时候接上拉电阻，上拉电阻选取10kΩ排阻。RV2电位器主要是对显示对比度进行调节，接口中15引脚通过R11电阻连接5V电源，使LCD12864工作在并行方式下，该电阻选择典型值10kΩ。

系统软件采用模块化设计方法，整个系统的从机和主机的程序设计均采用C语言编写，而PC机软件设计利用NI公司的LABVIEW编写。系统的软件设计主要包括光强数据采集部分、NRF905无线数据发送、NRF905无线数据接收、接收数据处理显示以及上位机部分。

主机与从机节点的通信采用一对多的主从通信模式，共用同一物理信道，在同一时刻，假如多个从机节点同时向主机发送采集的光强数据，或者系统外的NRF905模块的干扰，数据包会发生冲突从而造成接到的数据错误或数据丢失，为了防止此现象发生，搭建一个无线通信协议，从而使系统工作稳定，无线通信的数据正确。实现的算法有地址轮询法和查询法，地址轮询法即在通信时先为每个从机分配一个唯一的通信地址，主机通过地址轮询方式访问从机并发送命令，从机在接收到主机发送的命令后再发送数据。这种方法常用在从机比较多或者通信环境外干扰比较大的情况下，缺点是主机也在参与发送数据会导致通信延时，采集的数据实时性不是很好。查询法是从机在发送数据之前，先检测一下数据载波信道是否空闲，如果空闲在将数据发送出去，这样就避免了数据发生对撞从而导致数据错误或者丢失，查询法一般用在通信环境干扰小，系统从机比较少的情况下。设计中同时采用这两种通信协议，通过外围的跳线帽来选择工作模式，这样可以根据不同的通信环境选择不同的工作方式，而且对于系统拓展多个从机，提供了稳定通信。

对于地址轮询方式，本装置主机每隔500ms给从机发送一次命令，该命令字符为‘t’，然后主机转入接收模式，等待从机发送过来光强数据，当500ms之内没接收到呼叫的从机发送过来的数据，转入呼叫下一个从机。从机接收到字符‘t’以后开始采集光强信号，然后给主机发送光强数据。

对于查询方式，NRF905的状态输出接口提供载波检测输出CD，当NRF905检测到和接收频率相同的载波时，载波检测CD被置高。这样，当从机节点在采集到光强数据后需要发送数据时，微控制器先检测NRF905的状态数据接口CD，在CD空闲时才把数据发送出去，这样，在同一时刻，只允许个从机节点处于发送状态，只有CD空闲时才能占用总线，防止数据冲突。

主机中第一微控制器程序主流程图如图7所示，主机通电后，首先初始化液晶和NRF905，然后配置串口寄存器，最后扫描系统工作模式以选择系统工作在主机地址轮询方式或查询方式下。程序的主要是核心是NRF905接收从机发生来的数据，当NRF905数据准备就绪DR信号通知主机传输完成，主机通过I/O模拟SPI总线与NRF905通信，将NRF905接收的数据读取数据缓存区，然后根据标志位判断是哪个从机节点发送过来的数据，并驱动液晶显示光强信息，最后通过串口通信模块将光强数据通过USB接口发送PC机。其中，主机地址轮询访问的工作模式下，定时时间500ms是利用定时器0进入中断计数实现的，具体为定时器0每50ms进入中断一次对num值的加1，当num的值为10时刚好是500ms。故系统访问完所有的从机所需要的时间是：从机数量n*500ms。

从机中第二微控制器程序主流程图如图8所示，设计中为了使各个从机节点不受节点之间发干扰，每个从机和主机都设定自己独立的地址，而在同一时刻，只允许一个从机送数据。从机开始执行程序后，首先通过扫描通过跳线帽所选择的工作模式，以选择主机轮询访问或查询工作模式。在查询工作方式下，从机每秒采集一次数据，利用微处理器的定时器中断模块，当计时满1秒钟的时候，微控制器采集一次光强传感器BH1750的数据，然后将采集的数据和从机标号的标志位打包处理发送给NRF905无线发送。NRF905在发送光强数据之前，首先处于接收状态，当检测到载波信道空闲的时候就把数据发送出去。在主机呼叫方式下，从机首先处于接收状态，当接收到主机发送过来的命令‘t’时，开始允许传感器采集光强数据，然后将采集的数据和从机标号的标志位打包处理发送给NRF905发送出去。从机在发送数据之前同样检测一样载波信道是否空闲，确保主机发送完成进入接收状态。此外，在NRF905发送数据完成后，判断系统工作模式是否改变，当发生改变的时候，系统跳转到开始处开始执行。

PC机中软件主流程图如图9所示，上位机在程序开始的时候首先对串口和波特率信息设置，然后进入LABVIEW的VISA子程序，等待串口发送过来的数据，当接收到串口发送过来的数据，先判断从机的标号，然后绘制该从机的动态曲线，最后将光强数据存入Access数据源中对应的光强表中。为了使程序在开始执行程序和进入等待串口发送数据的子程序中，都可以对数据库进行查询和清除数据库，将查询数据库的模块程序和清除数据库的模块程序放在程序入口中和等待串口发送数据的子程序中。

PC机软件中光强实时采集显示界面如图10所示，光强数据存储查询界面如图11所示，上位机模块软件采用LABVIEW软件开发，采用图形化G语言编程，通过下位机的串口通信模块传输数据，读取下位机串口通信发送过来的数据是利用VISA总线I/O模块函数，采集到下位机发送过来的光强数据后，处理后通过LABVIEW提供的字符串转化函数转化成十进制的数据然后发送给曲线图形函数进行打印显示。

使用时，将多个从机分别放置在多片待测量区域中，多个从机通过数字型光强度传感器将测量的光强数据送给微控制器，然后微控制器将测量的所有数据传输给无线模块，再激发无线模块将数据发送出去。主机上电后将无线模块置于接收状态，等待从机发送数据，当监测到从机有数据发送并且载波频率与地址匹配后，主机无线模块开始接收对应从机发送的光强数据，测量数据在上主机的液晶屏上显示，同时接收到所有从机发送来的数据后处理成相应的测量结果存储在存储器中。存储器用于对实时测量数据保存，可以通过USB接口传送给PC机，在PC机上对所有测量数据进行分析、拟合历史曲线和实时曲线等。按键模块可设置各测量点光强的报警阈值，当某监测点数据超标时，系统将自动启动报警模块进行语音报警。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims

1.分布式无线光强测量仪，包括一个主机和多个从机，主机和从机之间无线通信，主机包括第一微控制器、按键模块、报警模块、显示模块、无线模块、USB接口和存储模块，按键模块、报警模块、显示模块、无线模块和存储模块均与第一微控制器相连，第一微控制器通过USB接口和PC机通信，从机包括第二微控制器、光强信号检测模块、电源模块、按键模块和无线模块，电源模块分别于无线模块、光强信号检测模块和第二微控制器电连接，无线模块、光强信号检测模块和按键模块均与第二微控制器相连，多个从机的硬件配置相同，分别放置在多片待测量区域。

2.根据权利要求1所述的分布式无线光强测量仪，其特征在于：所述第一微控制器和第二微控制器均为单片机。

3.根据权利要求1所述的分布式无线光强测量仪，其特征在于：所述光强信号检测模块为数字型光强度传感器。

4.根据权利要求1所述的分布式无线光强测量仪，其特征在于：所述报警模块为语音报警器。

5.根据权利要求1所述的分布式无线光强测量仪，其特征在于：所述存储模块为I²C总线的数据存储器EEPROM。

6.根据权利要求1所述的分布式无线光强测量仪，其特征在于：所述显示模块为LCD显示屏。

7.根据权利要求1所述的分布式无线光强测量仪，其特征在于：所述电源模块为锂离子电池。

8.根据权利要求1所述的分布式无线光强测量仪，其特征在于：所述主机和从机中的无线模块相匹配且之间无线通讯。