分布式無線光強測量儀的製作方法
2023-07-23 09:02:26
分布式無線光強測量儀的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種分布式無線光強測量儀，包括一個主機和多個從機，主機和從機之間無線通信，主機包括第一微控制器、按鍵模塊、報警模塊、顯示模塊、無線模塊、USB接口和存儲模塊，按鍵模塊、報警模塊、顯示模塊、無線模塊和存儲模塊均與第一微控制器相連，第一微控制器通過USB接口和PC機通信，從機包括第二微控制器、光強信號檢測模塊、電源模塊、按鍵模塊和無線模塊，電源模塊分別於無線模塊、光強信號檢測模塊和第二微控制器電連接，無線模塊、光強信號檢測模塊和按鍵模塊均與第二微控制器相連，多個從機的硬體配置相同，分別放置在多片待測量區域。本發明採用分布式結構可以對多片區域同時進行測量，結構簡單，使用方便。
【專利說明】分布式無線光強測量儀
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種光強測量儀，具體涉及一種分布式無線光強測量儀。
【背景技術】
[0002]光強是環境檢測參數中的一個重要指標，傳統的光強檢測系統都是近距離測量，管理人員必須在現場讀取數值，然後處理測量出當前的光強數值，靈活性差，測量的結果誤差大，而且在讀取和處理數值需要較多的時間，導致測量的效率非常低。
[0003]目前有一些企業在生產光強測量儀，例如德國的testo540照度計，其小巧，便攜，擁有適合人眼光譜的傳感器，具有讀數鎖定功能，便於讀數，可以顯示最大/最小值，但是價格在千元以上，而且屬於單點測量，如果是一大片待測量區域，需要人工帶著儀表逐個測量點進行測量和統計數據，費時費力。目前即使有多點光強測量系統，也多數採用有線的測量方式，需要實施網絡布線工程，鋪設電纜，大大增加了系統成本，降低了系統的靈活性、可維護性與可擴展性。
[0004]隨著電子技術水平的大規模提高，當前對無線傳感器網絡的研究與開發已成為信息領域的一個熱點，越來越多的國家和地區的研究機構和公司正加入到這方面的研究工作中來，如果設計中將分布式多點測量方式和無線通信相結合，針對傳統光強測量儀實際使用中的不足之處，研究分布式無線光強測量儀，形成一個數據採集網絡，以無線的方式分布在監測環境中，從根本上解決人工測量和大量布線的問題，實現數據接收、存儲、顯示、修改、查詢及曲線繪製等功能，完成連續、長期、在線式測量，其結構簡單、使用方便，具有小型化、可視性好等特點，同時採用無線方式，無需饋線連接，主機和從機可以隨時移動，可擴展性好。
【發明內容】
[0005]為了解決現有技術存在的不足，本發明解決的技術問題是提供一種分布式無線光強測量儀。其技術方案為:
分布式無線光強測量儀，包括一個主機和多個從機，主機和從機之間無線通信，主機包括第一微控制器、按鍵模塊、報警模塊、顯示模塊、無線模塊、USB接口和存儲模塊，按鍵模塊、報警模塊、顯示模塊、無線模塊和存儲模塊均與第一微控制器相連，第一微控制器通過USB接口和PC機通信，從機包括第二微控制器、光強信號檢測模塊、電源模塊、按鍵模塊和無線模塊，電源模塊分別於無線模塊、光強信號檢測模塊和第二微控制器電連接，無線模塊、光強信號檢測模塊和按鍵模塊均與第二微控制器相連，多個從機的硬體配置相同，分別放置在多片待測量區域。
[0006]作為優選,第一微控制器和第二微控制器均為單片機。
[0007]作為優選，光強信號檢測模塊為數字型光強度傳感器。
[0008]作為優選，報警模塊為語音報警器。
[0009]作為優選，存儲模塊為I2C總線的數據存儲器EEPR0M。[0010]作為優選,顯示模塊為IXD顯示屏。
[0011]作為優選，電源模塊為鋰離子電池。
[0012]作為優選，主機和從機中的無線模塊相匹配且之間無線通訊。
[0013]本發明的有益效果:
採用分布式的結構可以對多片區域的光強度同時進行實時測量，其結構簡單、使用方便、可視性好，同時採用無線方式，無需饋線連接，主機和多個從機可以隨時移動，可擴展性好，主機通過USB接口連接PC機，利用PC機的分析軟體對其進行實時監控、分析和處理，顯示光強度曲線，當區域光強度異常時，發出報警信息，管理方便、操作簡便、運行可靠。
[0014]【專利附圖】
【附圖說明】:
圖1為本發明系統總體結構框圖；
圖2為本發明所述主機的結構框圖；
圖3為本發明所述從機的結構框圖；
圖4為本發明所述光強信號檢測模塊連接電路；
圖5為本發明所述無線模塊連接電路；
圖6為本發明所述顯示模塊連接電路；
圖7為本發明所述主機中第一微控制器程序主流程圖；
圖8為本發明所述從機中第二微控制器程序主流程圖；
圖9為本發明所述PC機中軟體主流程圖；
圖10為本發明所述PC機軟體中光強實時採集顯示界面圖；
圖11為本發明所述PC機軟體中光強數據存儲查詢界面圖。
[0015]【具體實施方式】:
下面結合附圖和實施例對本發明進一步詳細地說明。
[0016]系統總體結構框圖如圖1所示:本發明包括一個主機和多個從機,主機和從機之間無線通信，主機包括第一微控制器、按鍵模塊、報警模塊、顯示模塊、無線模塊、USB接口和存儲模塊，按鍵模塊、報警模塊、顯示模塊、無線模塊和存儲模塊均與第一微控制器相連，第一微控制器通過USB接口和PC機通信，從機包括第二微控制器、光強信號檢測模塊、電源模塊、按鍵模塊和無線模塊，電源模塊分別於無線模塊、光強信號檢測模塊和第二微控制器電連接，無線模塊、光強信號檢測模塊和按鍵模塊均與第二微控制器相連，多個從機的硬體配置相同，分別放置在多片待測量區域。第一微控制器和第二微控制器均為單片機。光強信號檢測模塊為數字型光強度傳感器。報警模塊為語音報警器。存儲模塊為I2C總線的數據存儲器EEPR0M。顯示模塊為IXD顯示屏。電源模塊為鋰離子電池。主機和從機中的無線模塊相匹配且之間無線通訊。
[0017]優選的是，所述第一微控制器和第二微控制器均選用STC89C52單片機，所述無線模塊均選用NRF905晶片，所述存儲模塊選用I2C總線的EEPROM晶片AT24C64，所述光強信號檢測模塊選用內置16位模數轉換器的數字型光強度傳感器BH1750，所述顯示模塊選用IXD12864液晶顯示器，所述報警模塊選用語音報警晶片ISD1730。
[0018]所述的光強信號檢測模塊選用內置16位模數轉換器的數字型光強度傳感器BH1750，光強信號檢測模塊連接電路如圖4所示。系統採用的測量模式為連續高解析度模式2，即:在0.51x解析度下開始測量，測量時間一般為120ms，通過採集到BH1750內部AD發送過來的16為二進位數據，轉化成數值後除於1.2即為採集到的光強值。BH1750的DVI端為I2C總線的參考電壓埠，同時也是異步重置埠，在BH1750上電以後，DVI 口必須提供大於I μ s的低電平，否則ADDR，SDA, SCL不穩定。R3、C12選取典型值，為1ΚΩ和I μ f。對於BH1750的ADDR地址選擇口，從機只需要控制一個BH1750採集光強信號，所以直接將ADDR接地。由於BH1750與微控制器的電平不一樣，為了使二者之間通信的電平兼容，在BH1750與微處理器之間設計電平轉化電路，這樣，BH1750與微控制器通信的時候，就不會因為電平的兼容性問題而導致數據錯誤，從而穩定傳送所測量出實際的光強數據。因為SCL是單向通信，只需要處理器給時鐘信號操作BH1750，而SDA為雙向通信，需要處理器給BH1750發送指令和讀取BH1750測量的光強數據，所以在設計電平轉化電路的時候，SDA需要設置雙向轉化電路，SCL只需要設計單向轉化電路。對於R8、R4、R6的選取，只要保證在電平轉化時候提供穩定的電平，而且使傳感器和處理器在工作時不會因為輸入電流過大從而燒毀光強傳感器，系統中R8、R4、R6均選取4.7k Ω。
[0019]所述無線模塊採用NRF905射頻收發器，無線模塊連接電路如圖5所示，系統採用
3.3V供電，工作在433/868/915MHz三個ISM頻道，NRF905收發器進行無線數據傳輸自動進行CRC校驗和編碼，功耗非常低，用在從機上易於實現節能。NRF905使用SPI總線接口與控制器進行數據交換、地址、輸出功率和信道配置等。設計使用的控制器STC89C52沒有SPI總線接口模塊，所以將NRF905的引腳直接接在微控制器的I/O上，用I/O模擬SPI總線對NRF905模塊進行配置和操作NRF905模塊進行收發數據。
[0020]所述的顯示模塊的連接電路如圖6所示。顯示模塊採用字符型液晶模塊IXD12864，採用並行工作方式，數據傳輸使用STC89C52的PO 口，由於PO 口是漏極開路輸出，所以在連接的時候接上拉電阻，上拉電阻選取IOkQ排阻。RV2電位器主要是對顯示對比度進行調節，接口中15引腳通過Rll電阻連接5V電源，使IXD12864工作在並行方式下，該電阻選擇典型值IOkQ。
[0021]系統軟體採用模塊化設計方法，整個系統的從機和主機的程序設計均採用C語言編寫，而PC機軟體設計利用NI公司的LABVIEW編寫。系統的軟體設計主要包括光強數據採集部分、NRF905無線數據發送、NRF905無線數據接收、接收數據處理顯示以及上位機部分。
[0022]主機與從機節點的通信採用一對多的主從通信模式，共用同一物理信道，在同一時刻，假如多個從機節點同時向主機發送採集的光強數據，或者系統外的NRF905模塊的幹擾，數據包會發生衝突從而造成接到的數據錯誤或數據丟失，為了防止此現象發生，搭建一個無線通信協議，從而使系統工作穩定，無線通信的數據正確。實現的算法有地址輪詢法和查詢法，地址輪詢法即在通信時先為每個從機分配一個唯一的通信地址，主機通過地址輪詢方式訪問從機並發送命令，從機在接收到主機發送的命令後再發送數據。這種方法常用在從機比較多或者通信環境外幹擾比較大的情況下，缺點是主機也在參與發送數據會導致通信延時，採集的數據實時性不是很好。查詢法是從機在發送數據之前，先檢測一下數據載波信道是否空閒，如果空閒在將數據發送出去，這樣就避免了數據發生對撞從而導致數據錯誤或者丟失，查詢法一般用在通信環境幹擾小，系統從機比較少的情況下。設計中同時採用這兩種通信協議，通過外圍的跳線帽來選擇工作模式，這樣可以根據不同的通信環境選擇不同的工作方式，而且對於系統拓展多個從機，提供了穩定通信。[0023]對於地址輪詢方式，本裝置主機每隔500ms給從機發送一次命令，該命令字符為『t』，然後主機轉入接收模式，等待從機發送過來光強數據，當500ms之內沒接收到呼叫的從機發送過來的數據，轉入呼叫下一個從機。從機接收到字符『t』以後開始採集光強信號，然後給主機發送光強數據。
[0024]對於查詢方式，NRF905的狀態輸出接口提供載波檢測輸出⑶，當NRF905檢測到和接收頻率相同的載波時，載波檢測CD被置高。這樣，當從機節點在採集到光強數據後需要發送數據時，微控制器先檢測NRF905的狀態數據接口 CD，在CD空閒時才把數據發送出去，這樣，在同一時刻，只允許個從機節點處於發送狀態，只有CD空閒時才能佔用總線，防止數據衝突。
[0025]主機中第一微控制器程序主流程圖如圖7所示，主機通電後，首先初始化液晶和NRF905，然後配置串口寄存器，最後掃描系統工作模式以選擇系統工作在主機地址輪詢方式或查詢方式下。程序的主要是核心是NRF905接收從機發生來的數據，當NRF905數據準備就緒DR信號通知主機傳輸完成，主機通過I/O模擬SPI總線與NRF905通信，將NRF905接收的數據讀取數據緩存區，然後根據標誌位判斷是哪個從機節點發送過來的數據，並驅動液晶顯示光強信息，最後通過串口通信模塊將光強數據通過USB接口發送PC機。其中，主機地址輪詢訪問的工作模式下，定時時間500ms是利用定時器O進入中斷計數實現的，具體為定時器O每50ms進入中斷一次對num值的加I,當num的值為10時剛好是500ms。故系統訪問完所有的從機所需要的時間是:從機數量n*500ms。
[0026]從機中第二微控制器程序主流程圖如圖8所示，設計中為了使各個從機節點不受節點之間發乾擾，每個從機和主機都設定自己獨立的地址，而在同一時刻，只允許一個從機送數據。從機開始執行程序後，首先通過掃描通過跳線帽所選擇的工作模式，以選擇主機輪詢訪問或查詢工作模式。在查詢工作方式下，從機每秒採集一次數據，利用微處理器的定時器中斷模塊，當計時滿I秒鐘的時候，微控制器採集一次光強傳感器BH1750的數據，然後將採集的數據和從機標號的標誌位打包處理髮送給NRF905無線發送。NRF905在發送光強數據之前，首先處於接收狀態，當檢測到載波信道空閒的時候就把數據發送出去。在主機呼叫方式下，從機首先處於接收狀態，當接收到主機發送過來的命令『t』時，開始允許傳感器採集光強數據，然後將採集的數據和從機標號的標誌位打包處理髮送給NRF905發送出去。從機在發送數據之前同樣檢測一樣載波信道是否空閒，確保主機發送完成進入接收狀態。此夕卜，在NRF905發送數據完成後，判斷系統工作模式是否改變，當發生改變的時候，系統跳轉到開始處開始執行。
[0027]PC機中軟體主流程圖如圖9所示，上位機在程序開始的時候首先對串口和波特率信息設置，然後進入LABVIEW的VISA子程序，等待串口發送過來的數據，當接收到串口發送過來的數據，先判斷從機的標號，然後繪製該從機的動態曲線，最後將光強數據存入Access數據源中對應的光強表中。為了使程序在開始執行程序和進入等待串口發送數據的子程序中，都可以對資料庫進行查詢和清除資料庫，將查詢資料庫的模塊程序和清除資料庫的模塊程序放在程序入口中和等待串口發送數據的子程序中。
[0028]PC機軟體中光強實時採集顯示界面如圖10所示，光強數據存儲查詢界面如圖11所示，上位機模塊軟體採用LABVIEW軟體開發，採用圖形化G語言編程，通過下位機的串口通信模塊傳輸數據，讀取下位機串口通信發送過來的數據是利用VISA總線I/O模塊函數，採集到下位機發送過來的光強數據後，處理後通過LABVIEW提供的字符串轉化函數轉化成十進位的數據然後發送給曲線圖形函數進行列印顯示。
[0029]使用時，將多個從機分別放置在多片待測量區域中，多個從機通過數字型光強度傳感器將測量的光強數據送給微控制器，然後微控制器將測量的所有數據傳輸給無線模塊，再激發無線模塊將數據發送出去。主機上電後將無線模塊置於接收狀態，等待從機發送數據，當監測到從機有數據發送並且載波頻率與地址匹配後，主機無線模塊開始接收對應從機發送的光強數據，測量數據在上主機的液晶屏上顯示，同時接收到所有從機發送來的數據後處理成相應的測量結果存儲在存儲器中。存儲器用於對實時測量數據保存，可以通過USB接口傳送給PC機，在PC機上對所有測量數據進行分析、擬合歷史曲線和實時曲線等。按鍵模塊可設置各測量點光強的報警閾值，當某監測點數據超標時，系統將自動啟動報警模塊進行語音報警。
[0030]應當理解的是，對本領域普通技術人員來說，可以根據上述說明加以改進或變換，而所有這些改進和變換都應屬於本發明所附權利要求的保護範圍。
【權利要求】
1.分布式無線光強測量儀，包括一個主機和多個從機，主機和從機之間無線通信，主機包括第一微控制器、按鍵模塊、報警模塊、顯示模塊、無線模塊、USB接口和存儲模塊，按鍵模塊、報警模塊、顯示模塊、無線模塊和存儲模塊均與第一微控制器相連，第一微控制器通過USB接口和PC機通信，從機包括第二微控制器、光強信號檢測模塊、電源模塊、按鍵模塊和無線模塊，電源模塊分別於無線模塊、光強信號檢測模塊和第二微控制器電連接，無線模塊、光強信號檢測模塊和按鍵模塊均與第二微控制器相連，多個從機的硬體配置相同，分別放置在多片待測量區域。
2.根據權利要求1所述的分布式無線光強測量儀，其特徵在於:所述第一微控制器和第二微控制器均為單片機。
3.根據權利要求1所述的分布式無線光強測量儀，其特徵在於:所述光強信號檢測模塊為數字型光強度傳感器。
4.根據權利要求1所述的分布式無線光強測量儀，其特徵在於:所述報警模塊為語音報警器。
5.根據權利要求1所述的分布式無線光強測量儀，其特徵在於:所述存儲模塊為I2C總線的數據存儲器EEPROM。
6.根據權利要求1所述的分布式無線光強測量儀，其特徵在於:所述顯示模塊為LCD顯示屏。
7.根據權利要求1所述的分布式無線光強測量儀，其特徵在於:所述電源模塊為鋰離子電池。
8.根據權利要求1所述的分布式無線光強測量儀，其特徵在於:所述主機和從機中的無線模塊相匹配且之間無線通訊。
【文檔編號】G08C17/02GK103453985SQ201310389895
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年9月2日 優先權日:2013年9月2日
【發明者】盧超 申請人:陝西理工學院