CN105405324A - 一种基于蓝牙的便携式多传感器多功能的物理实验系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于蓝牙的便携式多传感器多功能的物理实验系统，该系统包括：数据采集模块1、控制器模块2、蓝牙无线传输模块3、数据处理与存储模块4、便携式数据显示模块5、交互模块6、电源模块7；控制器模块2读取数据采集模块1采集的数据并进行处理；控制器模块2将处理后的数据通过蓝牙无线传输模块3分别发送给数据处理与存储模块4和便携式数据显示模块5；数据处理与存储模块4完成数据的接收、处理与存储功能；便携式数据显示模块5接收控制器模块2发来的数据并将其绘制成图。通过上述方式，本发明使用手机观察物理量变化规律，用蓝牙传递数据，增加了便携性，而且体积小、集成多种传感器、可方便及时地进行数据处理。

Description

一种基于蓝牙的便携式多传感器多功能的物理实验系统

技术领域：

本发明涉及一种物理实验系统，尤其涉及一种基于蓝牙的便携式多传感器多功能的物理实验系统。

背景技术：

物理是一门以实验为基础的学科，物理实验的目的是让学生直观、形象地观察物理现象，深入理解物理实验概念和规律。现有的基于传感器的物理实验设备一般同时只能连接1-2个传感器，因此不能同时进行多物理量的测量，能完成的实验题目有限，并且传感器集成度低，体积大，不具有便携性，不具备与手机通信的功能。

而在物理问题的探索中，常常需要随时随地、同时测量多个物理量，并及时快速地进行数据处理。因此，一种集成多传感器、便于携带、可方便及时地进行数据处理的物理实验系统具有广阔的应用前景，并将带来物理实验方法的变革。

发明内容：

本发明为了解决上述问题，提供一种基于蓝牙的便携式多传感器多功能的物理实验系统。该系统可选择使用手机或计算机进行数据显示。其中，使用手机观察物理量变化规律，增加了便携性，而且体积小、集成多种传感器、可方便及时地进行数据处理；使用计算机观察物理量变化规律，增加了数据处理和保存的功能，可以对数据进行永久保存和多重处理。

本发明为解决上述问题所采用的技术方案如下：

一种基于蓝牙的便携式多传感器多功能的物理实验系统，其特征在于包括：数据采集模块、控制器模块、蓝牙无线传输模块、数据处理与存储模块、便携式数据显示模块、交互模块、电源模块；所述电源模块、数据采集模块、交互模块均与控制器模块有连接；所述的数据处理与存储模块、便携式数据显示模块均与蓝牙无线传输模块有无线通信链路。

所述的数据采集模块，包括：三轴角速率传感器、三轴加速度传感器、三轴磁力计传感器、气压传感器、温度传感器、湿度传感器、烟雾传感器、光敏传感器；所述三轴角速率传感器、三轴加速度传感器、三轴磁力计传感器采用的是芯片MPU-9250；所述气压传感器采用的是芯片BMP180；所述光敏传感器采用的是5506光敏电阻；所述烟雾传感器采用的是MQ-2烟雾传感器；所述湿度传感器采用的是DHT11；所述温度传感器采用的是DS18B20；所述芯片MPU-9250和芯片BMP180集成在Grove-IMU10DOF多功能传感器模块上。

所述的数据处理与存储模块，包括：计算机模块、USBDONGLE模块；所述计算机模块通过LABVIEW软件控制USBDONGLE实现与蓝牙无线传输模块的配对，并完成数据的接收、处理与存储功能；所述USBDONGLE模块插在计算机模块的USB接口上。

所述的便携式数据显示模块，包括：手机模块；所述手机模块实现直观显示传感器的数据测量结果。

所述的交互模块，包括：按键和OLED显示屏；所述电源模块，采用CR2032纽扣电池供电；所述控制器模块，采用TI公司开发的CC2540单片机；所述蓝牙无线传输模块，采用蓝牙4.0技术。

一种基于蓝牙的便携式多传感器多功能的物理实验系统，其工作流程为：

(1)控制器模块分别初始化数据采集模块、蓝牙无线传输模块、交互模块；

(2)便携式数据显示模块打开手机模块蓝牙功能与蓝牙无线传输模块建立连接；

(3)数据处理与存储模块通过LABVIEW上位机软件控制USBDONGLE与蓝牙无线传输模块建立连接；

(4)控制器模块通过IIC总线分别读取数据采集模块中三轴角速率传感器、三轴加速度传感器、三轴磁力计传感器、气压传感器的数据；

(5)控制器模块通过读取IO口的状态分别读取光敏传感器、烟雾传感器数据；

(6)控制器模块通过ONE-WIRE总线分别读取湿度传感器、温度传感器数据；

(7)控制器模块将接收到的传感器数据进行处理后通过蓝牙无线传输模块发送给数据处理与存储模块；

(8)控制器模块将接收到的传感器数据进行处理后通过蓝牙无线传输模块发送给便携式数据显示模块；

(9)数据处理与存储模块通过LABVIEW上位机软件控制USBDONGLE接收蓝牙无线传输模块发来的传感器数据，然后对其进行处理、显示与存储；

(10)便携式数据显示模块通过手机APP接收蓝牙无线传输模块发来的传感器数据，并将其绘制成图。

本发明的有益效果在于，所述的一种基于蓝牙的便携式多传感器多功能的物理实验系统可以测量被测物体在某一时刻的三轴角速率值、三轴加速度值、三轴磁感应强度值，也可以测出该时刻被测物体所处环境的气压值、温度值、湿度值、明暗状态以及烟雾浓度是否超标情况。通过以上得到的数据可以计算出被测物体所处方向位置，还可以根据气压值计算出被测物体在此时刻所处的高度(基于海平面的高度)。此外，根据系统相对时间还可以分别计算三轴方向上的速度、角速度、位移、弧度；在数据测量期间，实验者可以通过便携式数据显示模块观察被测物的角加速度、加速度以及被测物所处环境的磁感应强度、气压、温度、湿度、明暗状态以及气体浓度是否超标情况；通过使用手机模块显示各物理量的变化情况，不仅增强了便携性，也可以让学生对抽象难理解的物理量有一个直观的感知。本发明采用蓝牙方式进行数据传输相比有线传输方式，更加便捷，操作更加方便；在无线传输的速率方面，本发明采用的是蓝牙4.0技术，其速率比ZIGBEE无线传输技术有明显的优势；在功耗方面，蓝牙4.0的功耗远远低于WIFI。相比较而言，适用于没有网络并且速度要求相对较高的无线数据传输环境。本发明体积小、集成多种传感器、便于携带、可方便及时地进行数据处理。

附图说明：

图1为一种基于蓝牙的便携式多传感器多功能的物理实验系统结构图。

具体实施方式：

一种基于蓝牙的便携式多传感器多功能的物理实验系统，其特征在于包括：数据采集模块1、控制器模块2、蓝牙无线传输模块3、数据处理与存储模块4、便携式数据显示模块5、交互模块6、电源模块7；所述电源模块7、数据采集模块1、交互模块6均与控制器模块2有连接；所述的数据处理与存储模块4、便携式数据显示模块5均与蓝牙无线传输模块3有无线通信链路。

所述数据采集模块1，包括：三轴角速率传感器、三轴加速度传感器、三轴磁力计传感器、气压传感器、温度传感器、湿度传感器、烟雾传感器、光敏传感器；所述三轴角速率传感器、三轴加速度传感器、三轴磁力计传感器采用的是芯片MPU-9250；所述气压传感器采用的是芯片BMP180；所述光敏传感器采用的是5506光敏电阻；所述烟雾传感器采用的是MQ-2烟雾传感器；所述湿度传感器采用的是DHT11；所述温度传感器采用的是DS18B20；所述芯片MPU-9250和芯片BMP180集成在Grove-IMU10DOF多功能传感器模块上。

所述数据处理与存储模块4，包括：计算机模块、USBDONGLE模块；所述计算机模块通过LABVIEW软件控制USBDONGLE实现与蓝牙无线传输模块3的配对，并完成数据的接收、处理与存储功能；所述USBDONGLE模块插在计算机模块的USB接口上。

所述便携式数据显示模块5，包括：手机模块；所述手机模块实现直观显示传感器的数据测量结果。

所述交互模块6，包括：按键和OLED显示屏；所述电源模块7，采用CR2032纽扣电池供电；所述控制器模块2，采用TI公司开发的CC2540单片机；所述蓝牙无线传输模块3，采用蓝牙4.0技术。

一种基于蓝牙的便携式多传感器多功能的物理实验系统，其工作流程为：

(1)控制器模块2分别初始化数据采集模块1、蓝牙无线传输模块3、交互模块6；

(2)便携式数据显示模块5打开手机模块蓝牙功能与蓝牙无线传输模块3建立连接；

(3)数据处理与存储模块4通过LABVIEW上位机软件控制USBDONGLE与蓝牙无线传输模块3建立连接；

(4)控制器模块2通过IIC总线分别读取数据采集模块1中三轴角速率传感器、三轴加速度传感器、三轴磁力计传感器、气压传感器的数据；

(5)控制器模块2通过读取IO口的状态分别读取光敏传感器、烟雾传感器数据；

(6)控制器模块2通过ONE-WIRE总线分别读取湿度传感器、温度传感器数据；

(7)控制器模块2将接收到的传感器数据进行处理后通过蓝牙无线传输模块3发送给数据处理与存储模块4；

(8)控制器模块2将接收到的传感器数据进行处理后通过蓝牙无线传输模块3发送给便携式数据显示模块5；

(9)数据处理与存储模块4通过LABVIEW上位机软件控制USBDONGLE接收蓝牙无线传输模块3发来的传感器数据，然后对其进行处理、显示与存储；

(10)便携式数据显示模块5通过手机APP接收蓝牙无线传输模块3发来的传感器数据，并将其绘制成图。

数据处理与存储模块4通过LABVIEW上位机软件读取传感器数据的工作流程如下：

(1)手动选取USBDONGLE所在COM端口，通过按LABVIEW上位机软件的“初始化”键，初始化USBDONGLE；

(2)手动按LABVIEW上位机软件的“扫描设备”键，可得到蓝牙无线传输模块3的MAC地址；

(3)手动按LABVIEW上位机软件的“连接设备”键，根据得到的MAC地址，将数据处理与存储模块4与蓝牙无线传输模块3配对连接；另外可按“断开连接”键，将配对好的设备断开连接；

(4)配对连接成功后，进行数据读取；

(5)按下想要显示的物理量按键(如“加速度传感器”、“角加速度传感器”、“磁力计传感器”、“压力传感器”、“温度传感器”、“湿度传感器”、“烟雾传感器”、“光敏传感器”)，进行波形显示；

(6)按下“数据保存”键，将得到的数据保存到EXCEL文件中；

(7)按下“退出”键，结束数据传输。

一种基于蓝牙的便携式多传感器多功能的物理实验系统，其便携式数据显示模块5通过手机APP读取传感器数据的工作流程如下：

(1)检测手机是否支持蓝牙，如果支持则请求用户打开手机的蓝牙功能；

(2)打开蓝牙后将自动进行扫描并将扫描到的结果显示在APP上，用户根据蓝牙名称选择与蓝牙无线传输模块3配对连接；

(3)连接成功后，用户根据需要选取加速度、角加速度、磁力、气压、光敏烟雾、湿度、温度中的一种进行数据显示；

(4)选择传感器后，将得到相应传感器的数据进行处理后以描点并连线绘图的形式显示在手机APP以时间为横轴，数据值大小为纵轴的数据显示区；其中三轴传感器使用三种颜色进行区分X、Y、Z方向上的值并显示在同一显示区内；不同传感器的数据显示在不同的显示区上；

(5)实验结束后，退出APP，停止数据读取并自动断开蓝牙连接。

Claims (6)

1.一种基于蓝牙的便携式多传感器多功能的物理实验系统，其特征在于包括：数据采集模块、控制器模块、蓝牙无线传输模块、数据处理与存储模块、便携式数据显示模块、交互模块、电源模块；所述电源模块、数据采集模块、交互模块均与控制器模块有连接；所述的数据处理与存储模块、便携式数据显示模块均与蓝牙无线传输模块有无线通信链路。

2.根据权利要求1所述一种基于蓝牙的便携式多传感器多功能的物理实验系统中的数据采集模块，其特征在于，包括：三轴角速率传感器、三轴加速度传感器、三轴磁力计传感器、气压传感器、温度传感器、湿度传感器、烟雾传感器、光敏传感器；所述三轴角速率传感器、三轴加速度传感器、三轴磁力计传感器采用的是芯片MPU-9250；所述气压传感器采用的是芯片BMP180；所述光敏传感器采用的是5506光敏电阻；所述烟雾传感器采用的是MQ-2烟雾传感器；所述湿度传感器采用的是DHT11；所述温度传感器采用的是DS18B20；所述芯片MPU-9250和芯片BMP180集成在Grove-IMU10DOF多功能传感器模块上。

3.根据权利要求1所述一种基于蓝牙的便携式多传感器多功能的物理实验系统中的数据处理与存储模块，其特征在于，包括：计算机模块、USBDONGLE模块；所述计算机模块通过LABVIEW软件控制USBDONGLE实现与蓝牙无线传输模块的配对，并完成数据的接收、处理与存储功能；所述USBDONGLE模块插在计算机模块的USB接口上。

4.根据权利要求1所述一种基于蓝牙的便携式多传感器多功能的物理实验系统中的便携式数据显示模块，其特征在于，包括：手机模块；所述手机模块实现直观显示传感器的数据测量结果。

5.根据权利要求1所述一种基于蓝牙的便携式多传感器多功能的物理实验系统中的交互模块，其特征在于，包括：按键和OLED显示屏；所述电源模块，其特征在于，采用CR2032纽扣电池供电；所述控制器模块，其特征在于，采用TI公司开发的CC2540单片机；所述蓝牙无线传输模块，其特征在于，采用蓝牙4.0技术。

6.根据权利要求1所述一种基于蓝牙的便携式多传感器多功能的物理实验系统，其特征在于，其工作流程为：

(1)控制器模块分别初始化数据采集模块、蓝牙无线传输模块、交互模块；

(2)便携式数据显示模块打开手机模块蓝牙功能与蓝牙无线传输模块建立连接；

(3)数据处理与存储模块通过LABVIEW上位机软件控制USBDONGLE与蓝牙无线传输模块建立连接；

(4)控制器模块通过IIC总线分别读取数据采集模块中三轴角速率传感器、三轴加速度传感器、三轴磁力计传感器、气压传感器的数据；

(5)控制器模块通过读取IO口的状态分别读取光敏传感器、烟雾传感器数据；

(6)控制器模块通过ONE-WIRE总线分别读取湿度传感器、温度传感器数据；

(7)控制器模块将接收到的传感器数据进行处理后通过蓝牙无线传输模块发送给数据处理与存储模块；

(8)控制器模块将接收到的传感器数据进行处理后通过蓝牙无线传输模块发送给便携式数据显示模块；

(9)数据处理与存储模块通过LABVIEW上位机软件控制USBDONGLE接收蓝牙无线传输模块发来的传感器数据，然后对其进行处理、显示与存储；

(10)便携式数据显示模块通过手机APP接收蓝牙无线传输模块发来的传感器数据，并将其绘制成图。