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前沿拓展：

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數據采集系統是現代化信息技術產物，己經廣泛應用到各個生產性工業環境

中，數據是從傳感器和其他測試設備等模擬和數字被測單元中自動采集數據，然

后送入數據庫中對數據進行分析，減少用戶很多工作量，提高員工的工作效率。

現在傳統的數據采集系統都是采用有線傳輸方式來實現數據傳輸，它具有速度

快、可靠性高、工作穩定等優點，但是布線亂，檢修難。由此，無線數據采集技

術的出現，正好解決這一問題。

無線數據采集器是指支持無線數據傳輸的數據采集器，包括兩部分核心功

能：數據采集和無線數據傳輸的功能。其無線數據傳輸的網絡通常為WIFI、

Zigbee、藍牙、GPRS等；數據采集的內容通常為電阻信號，0~5V的電壓信號，

4~20mA的電流信號，脈沖信號等，這些信號主要分模擬信號和數字信號兩大類。

數據采集與無線傳輸兩大核心相結合，能夠省去線纜的安裝，具有安裝快，維護

簡便，擴容能力強等優點，可以廣泛應用于自動化工廠，智能家居，電力電網等

場合。

更重要的是無線數據采集技術已成為新的發展趨勢，可以解決以往傳統數據

采集中存在的問題，提高系統的適用性。生產設備管理系統數據采集技術向著一

個更加微型化、網絡化以及智能化的方向發展。

1.2國內外研究現狀

上世紀80年代，西方發達國家就實現了有線網絡連接終端數字傳感器，完

成數據的實時、連續和完整的數據采集，減少了工作人員的工作量，同時數據的

傳輸速度快、可靠性高，但是布線繁瑣，可移動性差，傳輸范圍有限。近年來，

隨著射頻芯片和無線通信技術的發展，綜合利用嵌入式系統和數字傳感器技術形

成新一代無線數據采集系統，自動組網完成數據的數字化采集。無線網絡遠程采

集有單獨構建的無線網和利用移動公司的GSM兩種。利用GSM網絡通信方式

是依托移動公司的GSM網，它的控制端必須有發短信或打電話功能，傳輸速度

相對較慢，實時性差。而利用構建的無線網，相比較ＧＳ通信方式，在工廠車間

的局域網范圍內，WIFI更合適。

在國外，美國NI是全球數據采集的領跑者，曾推出WIFI與以太網數據采集

設備（DAQ），可以將NI測試硬件（無線數據采集設備）和軟件平臺（LabView軟件）擴展到無線遠程監視應用，既不降低性能，又能減少提高靈活性、接線成

本，滿足對環境和機器狀態監測等應用的需要，以其用于USB、以太網或802.11WIFI的４通道通用測量設備NI9219為例，NI9219測量系統以24位分辨率和100S/s的速率測量４路通用通道，通過USB、以太網或802.11WIFI傳輸數據

至上位機，它能夠測量傳感器中的多種信號，如應變計、電阻溫度探測器（RTD）、

熱電偶、測壓元件和其他需要供電的傳感器。由于通道接受單獨選擇，４條通道

可以分別進行不同類型的測量。測量范圍隨測量類型而異，包括±60V最大電壓

范圍和±25mA最大電流范圍。在國內，深圳信立科技有限公司曾設計一款型

號為XL60智能采集裝置，是工業物聯網的信號采集節點，能同時采集和輸出模

擬量、開關量，有多種無線通訊方式和通信協議可供選擇，它的特點主要有：智

能終端(手機、平板)配置參數；模塊化設計，最多８個數量的AM、DM、CＭ

模塊任意組合；AI帶配電、隔離，16位AD轉換；配有２路RS485和１路RS232

通訊接口，用于讀取現場裝置數據；支持全網通NB-IOT（4G）、LTE（4G）、GPRS無線通訊方式，支持MQTT、SOAP、ModbusRTU、XLAN-6-UDP等通信協議；

支持2.4GHz、433MHz無線通訊方式，支持ModbusRTU、XLAN-6-UDP等通信

協議；還支持GNSS（全球導航衛星系統）定位。隨著無線技術的發展，未來的

無線數據采集系統將能實現更加復雜的功能，滿足不同領域的多種需求。

1.3論文主要研究內容

本文所研宄的是基于WIFI無線網絡的車間工業參數管理系統設計與實現，

從結構上看主要有三大部分：（１）下位機無線數據采集器的電路系統實現對工

業參數采集；（２）無線通訊部分，實現數據采集器與上位機之間數據的無線傳

輸；（３）上位機監測界面設計，實現對各類工業參數的管理功能。具體章節內

容如下：

第一章介紹課題的相關背景與意義，以及國內外研宄現狀。

第二章為系統的方案，兩個方案對比，選擇自己所熟悉和擅長的，做出合理

的系統方案，實現多功能數據采集。

第三章是無線數據采集電路系統的設計與實現，主要內容包括：溫度信號測

量模塊，是以四線制PT100測溫為例；壓力信號測量模塊，是對壓力變送器和

差壓變送器輸出的數據進行采集；流量測量模塊，則是對各類流量計輸出的信號

進行采集，其中孔板流量計是結合差壓變送器使用；RS485通信接口模塊，是對

測量儀表的通信接口連接，方便數據傳輸；無線模塊，實現采集數據格式轉換，

將測量信號輸出的模擬量和數字量都轉換成WIFI中數據傳輸的字符串格式。

第四章為系統的軟件設計與實現，包括上位機和下位機的軟件設計。下位機

的軟件設計主要包括兩部分，一是無線數據采集器單一的溫濕度采集系統的程序

設計與實現，二是在單一溫濕度采集系統實現功能的基礎上擴展的功能，對溫度、

壓力、流量采集系統的程序設計與實現。這其中就包括各采集模塊、數碼管顯示

模塊、校正模塊、外部中斷按鍵模塊和無線串口模塊通過軟件編程實現各部分功

能。上位機軟件設計部分主要用LABVIEW實現用戶實時監測和管理的功能，除

了用戶注冊登錄功能，主要實現的兩部分功能，一個是單一的溫濕度監測界面，

包括數據當前值和曲線變化圖，以及報警顯示；另一個是溫度、壓力、流量監測

界面，還有單獨的參數配置界面和歷史數據瀏覽界面，實現更全面的參數管理功

能。

第五章為系統運行成果。包括對下位機硬件電路程序調試、無線網絡連接及

配置，上位機用戶監測界面程序成功運行等。

第六章對本論文進行總結，指出論文的特點，并為接下來的研宄指明方向。







第２章系統設計

2.1系統設計

本論文系統設計是運用基于ARM Cortex-Ｍ處理器的STM32系列32位

Hash微控制器和美國國家儀器公司（NI）開發的圖形化編程語言LABVIEW實

現，WIFI無線模塊是利用有人網絡科技研制的USR-WIFI２32-Ｔ模塊，實現數據

采集器與上位機之間的數據傳輸。數據采集器軟件驅動程序是利用ARM公司開

發的MDK集成開發工具，它有完善的C/C++開發環境。同時可以直接利用

STM32官方固件庫來完善項目程序。上位機LabView程序開發有強大的數據處

理能力，它是一個標準的數據采集和儀器控制軟件，包含各種工具包和函數庫，

能滿足GPIO、RS485協議的硬件及數據采集器通訊的功能，還內置了便于運用

TCP/IP軟件標準的庫函數，網絡連接簡便，同時提供各種數據分析與處理的應

用模塊，更適合無線數據采集系統的開發。

系統結構框圖如圖２-１所示。

圖２-１系統結構框圖

本系統中測量的測量物理對象主要包括溫度、濕度、壓力和流量，一種是用

傳感器直接采集，另外一種是采用測量儀表，通過RS485通訊接口采集。數據

采集器實現車間單一溫濕度信號采集和車間三大工業檢測參數信號采集，通過信

號調理電路將采集的數字量和模擬量輸出信號傳至單片機，WIFI無線網絡模塊

連接主芯片USART接口，將統一WIFI格式數據上傳至上位機用戶操作界面。

上位機監測軟件設計主要包括：軟件信號調理，如實現PT100測溫的正比

例函數關系，熱電偶溫度補償等功能；分析及控制，是指對監測模式的選擇，測

量參數上下限值設置等；數據存儲，是指利用Accsss數據庫存儲用戶信息和采

集數據（數值和時間），實現數據庫新建、插入、提取、刪除等功能；交互界面，

是指通過人員操作實現所需求的測量要求設置，如測量傳感器類型選擇等。

下位機負責數據采集，無線網絡布置，省去布線的繁瑣，也節約成本，同時

在上位機進行數據處理，加快數據傳輸速度，提高數據的可靠性。實現低功耗、

高速率工業參數采集系統設計，以便于應用在工業控制、手持設備、遠程監控等

各領域。

２.2無線通信方式

無線數據采集器與上位機之間的連接橋梁是無線網絡通訊技術，隨著無線網

絡技術的發展，各種無線通信技術應運而生，但是每個都有自己的優缺點，針對

不同類別進行分析如表２-１所示。



表２-１各種無線通信技術性能指標

類別

WIFI

藍牙

Zigbee

Z-Wave

EnOcean

無線標準

IEEE802.11

XEEE802.15.1

IEEE802.15.4

私有協議

ISO/IEC14543-3-10

工作頻率

2.4GHz

2.4GHz

2.4GHz 868MHz915MHz

868MHz 915MHz

868MHz 902MHz 925MHz 315MHz

無電池及維護

電源

充電電池，幾天

電池，n月-n年

電池，n月-n年

能量采集

最大傳輸速率

11-54Mbps

1Mbps

250kbps

9.6/40kbps

125kbps

傳輸距離

50m

<10m

10~75m

室內30m，室外100m

室內30m，室外300m

功耗

低

中

低

低

超低

互相干擾

較低

較低

中等

低

極低

應用領域

無線局域網

手機耳機

電器遠程遙控、醫療設備控制

高端私人住宅

樓宇自動化，工業控制

由上表可得，適合工廠車間遠距離傳輸的有WIFI、Zigbee和EnOCean，除

此之外還有GPRS通信技術。這幾個相比較：Zigbee網絡功耗較低，且集成度

和可靠性高，應用于大量節點的數據傳輸領域，但是若由Zigbee網絡自動組成

網絡，網絡中需要一個類似于路由器的集中節點來管理整個網絡，這樣會增加成

本，且安裝復雜，不能被我們的手機直接連接，必須要轉接；EnOCean超低功耗

無線通訊，能實現無數據線、無電源線、無電池的通訊系統，但是成本過高，未

來的市場發展空間會很大；GPRS是一種以GSM為基礎的數據傳輸技術，需要

SIM卡，傳輸速率能提升至56到114Kbps，雖然是遠距離無線數據傳輸的首選，

但是速度比較慢。本文設計的主要是針對三大檢測參數的管理和監測，考慮到數據傳輸速度快和傳輸距離遠，相比較采用WIFI網絡更合適，WIFI最大優點就是

傳輸速度相對較快，能夠無需網橋直接接入互聯網，而且能夠與手機進行通信，

有效距離長，無線電波的覆蓋范圍廣。

２．３本章小結

本章主要介紹：一是利用熟悉的編程工具對車間工業參數的管理系統進行設

計，實現對系統數據采集、處理、顯示、存儲和歷史數據瀏覽等；二是選擇WIFI

作為無線采集器的通信方式，與其他無線通信方式相比較，WIFI無線通信技術

能加快數據的傳輸速度，還能利用手機實現網絡連接與參數配置等，方便快捷。

第３章無線數據采集系統硬件設計與實現

本文中選用意法半導體的STM32系列低功耗處理器來實現無線數據采集器

的多功能采集和無線網絡傳輸等功能，考慮到價格、功耗以及穩定性等因素，選

擇了48引腳的STM32F103C8T6作為本系統的中央控制器的處理器。它是基于

Cortex-M3內核的ARM處理器，具有高性能、低成本、低功耗等的優點，工業

現場中主要監測溫度、壓力、流量三大檢測參數，它們存在的輸入信號類型有電

阻、電流、電壓、脈沖等，還有RS485數字通訊接口傳輸的信號，系統輸出信

號類型為WIFI通信數據。由此，本論文設計的無線數據采集電路系統除了實現

基本的溫濕度監測以外，還要實現的功能有：有溫度測量、壓力測量、流量測量

對應的補償電路和調理電路，以及設備RS485通信接口的連接電路；有按鍵模

塊、數碼管顯示模塊電路，實現相關參數配置和數據顯示等功能；利用WIFI無

線模塊實現下位機與上位機的實時數據傳輸功能。無線數據采集器硬件電路框圖

如圖３-１所示。

圖３-１無線數據采集器硬件電路框圖

硬件電路設計主要有單片機主控模塊、電源模塊、數據采集和處理模塊、數

碼管顯示模塊、按鍵模塊和無線模塊等。其中單片機模塊是控制的核心，對周圍

的器件進行控制，可以單獨對溫濕度傳感器采集的數據進行數據校正處理和去除

偏差大的采樣值處理；控制數碼管顯示電路，通過設置連接到單片機芯片上的數

據線SDA、時鐘信號線CLK和使能端信號線CS1的高低電平，控制數碼管對數

據的顯示操作；通過控制按鍵模塊進入數據線性校正和參數配置部分，在

AT24C02上寫數據擦除數據的操作也是通過連接到單片機的串行總線控制的；１

對于無線模塊，則是通過串口１進行數據傳送，nReload和nReset端進行重新加載數據和復位操作。無線數據采集器測量信號主要有電阻信號、電流信號、電壓信號、脈沖信號，以及來自設備RS485通信接口傳輸的模擬量或是數字量。對

此設計的數據處理電路框圖如圖３-２所示。



圖３-２無線數據采集器數據處理電路框圖

利用PT100進行測溫時，輸出的是電阻信號，需要將其接入0.5mA的恒流

源電路中，將電阻轉換成電壓值（毫伏級），再通過運算放大器進行放大，進入

微處理器處理；Ｋ型熱電偶測溫，需要考慮溫度補償，本系統中使用橋臂電阻和

計算機修正相結合的方式實現冷端溫度補償，其次熱電偶測溫輸出的電壓值最大

是毫伏級，需要接入放大電路處理；對于變送器之類測量的信號常見４~20mA或1~5V標準輸入輸出，需要進行電壓轉換，利用電阻分壓、減法器和電壓跟隨器，實現測得電壓在0~3.3Ｖ之間；脈沖頻率測量是利用光耦合器，電壓值大于０時導通，輸出正常波形；小于零時不導通，值為０。還有設備進行數據傳輸時利用RS485接口通信，連接驅動電路，輸出接入單片機的串口中。

3.1溫度信號測量

測溫的傳感器有熱電偶傳感器、熱電阻傳感器、熱敏電阻傳感器、集成溫度

傳感器和數字溫度傳感器。對于工業現場溫度的測量主要運用熱電偶和熱電阻，

還有溫度變送器，其他的溫度傳感器相對而言測溫范圍太窄，不適合工業現場測

量。比如熱電偶傳感器一般用于500℃以上的高溫測量，長期使用溫度上限可達

1300℃，短期可達1600℃，特殊材料制作的熱電偶測溫范圍在2000℃~3000℃

（鎢錸系熱電偶），但是需要進行冷端補償。熱電阻溫度傳感器的正常測溫范圍

為-200℃~850℃，優點就是測量精度高，無需冷端溫度補償，適合500℃以下的

低溫測量。而熱敏電阻測溫范圍在-100~300℃之間，一般適用于彩電消磁、各

種電器設備的過熱保護，以及用作溫度開關等；集成溫度傳感器測溫范圍一般在

-55~150℃之間，并不適合工業現場要求的大的測溫范圍。

3.1.1熱電偶

工業用熱電偶測溫伩表是將溫度信號直接轉換成毫伏級電壓信號，需要接入

無線數據采集器的信號放大模塊，將電壓值放大到

3.3Ｖ后才能進入相應采集模

塊，不需要供電電源。目前國際上公認的、已經標準化的熱電偶型號有Ｓ、Ｒ、

Ｂ、Ｋ、Ｎ、Ｅ、Ｊ、Ｔ，具體特性如表１所示。

表３-１熱電偶的分類及其測溫范圍的不同

￣

熱電偶類型

熱電偶分度號

熱電偶測溫范圍

根據溫度測量范圍及精度，選用相應分度號的熱電偶，Ｋ型熱電偶通常使用

范圍在500~1300℃，Ｎ型熱電偶在低溫-200~400℃下，非線性誤差較大，Ｊ型熱電偶通常適用范圍在０~750℃，Ｔ型熱電偶通常在-200~０℃下，使用的穩定性更好。

熱電偶傳感器測溫是利用的熱電效應，直接測量的溫度，將溫度信號轉換成

熱電動勢信號，再通過無線數據采集器將數據上傳至上位機中熱電偶測溫的計算

公式或查表得到溫度值。實際環境中，利用熱電偶分度表來確定熱電動勢與溫度

之間的關系。正常工作環境下，參考端的溫度不為0℃，而熱電偶分度表中的熱

電勢與溫度值一一對應的前提是參考端溫度為0℃，因此就需要對熱電偶進行冷

端補償，常采用的方法有冰水保溫瓶方式（適用于科學實驗室中）、計算修正法、

冷端自動補償方式。冰水保溫瓶方式一般用于科學實驗室中，現場一般使用電加

熱式恒溫箱；計算修正法是嚴格根據中間溫度定律進行補償計算，適用于實驗室

中，現場一般使用計算機軟件；冷端自動補償方式是利用不平衡電橋產生不平衡

電壓作為補償信號。本系統中使用冷端補償電路和計算機修正法實現熱電偶溫度

補償，具體方法如下：

（１）采用冷端補償。冷端自動補償電路圖如下圖３-３所示，橋臂電阻札由

電阻溫度系數極大的銅絲制成，且選擇正溫度系數類型的電阻R1、R2、R3為

阻值相等的橋臂平衡電阻。

圖３-３熱電偶冷端自動補償電路圖

由回路電壓定律可得：

ＥＡＢ（Ｔ，T0）＋Ｕcb-Ｕ。＝０（３-１）

隨著參考端T0溫度的增加，ＥＡＢ（Ｔ，T0）值減小，冷端補償值增加，最終使U0不隨T0的變化而變化，而是關于測量端T的單值函數。

（２）采用計算修正法。首先硬件電路中將熱電偶的輸出的測量端數值T通

過電壓變換和模數轉換得到的采樣值D1傳至微處理器，再使用熱電阻測量參考

端溫度T0，經過歐姆一電壓變換和模數轉換得到的采樣值傳至微處理器，再

利用中間溫度定得出，示意圖如圖３-４所示。

圖３-４熱電偶中間測溫原理圖

由上圖可得計算公式如下：

ＥＡＢ（Ｔ，0）=ＥＡＢ（Ｔ，T0）＋ＥＡＢ（Ｔ0，0）（３—２）

采樣值獲得的熱電偶產生的熱電動勢ＥＡＢ（Ｔ，0），采樣值D２獲得冷端溫度T0然后計算出ＥＡＢ（Ｔ，0），再查看計算機中儲存的熱電偶分度表，便可得到測量端的溫度值T0。

熱電偶測溫輸出的電壓信號常見的是毫伏級電壓值，易受干擾，需要橋臂電

阻進行冷端自動補償之后，接入放大電路進行放大，再進行數據采集，或者直接通過變送器輸出電流信號進行采集，再通過軟件設計實現溫度補償。

3.1.2熱電阻

熱電阻溫度傳感器是將熱電阻的阻值變化通過測量電橋轉換成電壓（毫伏

級）信號，送入儀表并顯示測量溫度。熱電阻傳感器內部三種接線方式有兩線制、

三線制和四線制。兩線制的線路電阻對測量影響大，用于測溫精度不高的場合；

三線制需要利用補償法來減小線路電阻和接觸電阻引起的測量誤差；四線制則可

以完全消除引線電阻對測量電阻的影響，用于高精度的溫度檢測，本系統中利用

四線制PT100測溫。

工業中常用的金屬測溫的熱電阻有鉑熱電阻和銅熱電阻，鉑熱電阻具有穩定

性好、準確度高、性能可靠、測溫范圍寬等優點，但是需要用保護套管把電阻體

與有害氣體隔離；而銅熱電阻具有價格便宜，電阻值與溫度幾乎是線性關系的優

點，但是容易氧化，電阻率小，體積偏大。熱電阻一般用于精度要求不高、低溫

及沒有腐蝕的介質中廣泛應用在工業上和實驗室中。具體技術性能如下表３-２所示。

表３-２常見熱電阻的技術性能



由表中可得，銅電阻測溫范圍小，而鉑電阻測溫范圍相對比較寬，系統中利

用四線制PT100進行測溫，并進行相關計算。鉑熱電阻的溫度特性公式表示如

下：

在-200~０℃之間，有

在０~850℃之間，有

以上兩式中：Rt—t℃時的電阻值；

R0——0℃時的電阻值；

A、B、C——常數，對于工業用的鉑電阻，A=３.9083Ｘ10-３℃-１，

B＝-５.775Ｘ10--７℃-２，C=-４.183Ｘ10-１２℃-４。

本文中利用四線制PT100測溫，PT100是通過測量其電阻值得來，將鉑電阻

接入恒流源電流，轉換為電壓值，在經過差分運放等調理電路輸出需要采集的電

壓值，接入AD采集通道進行數據傳輸。恒流源電路是由LM385-1.2（微功耗低

壓基準二極管）、S9012（低電壓、大電流、小信號的PNP型硅三極管）和一個

運放外加限流電阻（ＲＷ１）構成，PT100允許通過的電流范圍是0.3~１mA，本設計為四線制PT100提供約為0.5mA的恒定電流。ＬM385Ａ是微功率二端帶隙穩壓二極管，運行電流范圍是10μＡ到20mA，它具有非常低的動態阻抗（１Ω）良好的溫度穩定性。

運算放大器采用德州儀器公司制造的TCL2252Ａ雙路運算放大器，比現有

的CMOS運放有更好的輸入失調電壓和更低的功耗，以及更寬的共模輸入電壓。

TCL2251Ａ呈現高輸入阻抗和低噪聲，能很好適用于如電壓的小信號輸入的高阻

抗源中。具體測量電路圖如下圖３-５所示。

圖３-５四線制PT100測溫電路圖

電路圖中溫度傳感器PT100為四線制接線方式，r1、r2、r3、r4為PT100的

四個引線電阻，Ｕ3A、Ｕ4A組成電壓跟隨器，Ｕ6A組成減法器，其中￥＝電

壓放大倍數分別為＃，引線電阻ｒｌ不在放大器輸入端之內，壓降Ｕｒｌ不輸入運尺７

算放大器中，引線電阻ｒ４上的壓降在經過電壓跟隨器和減法器之后，消除對輸

出電壓的影響，r2、r3分別位于Ｕ３Ａ、Ｕ４Ａ的同相輸入端，該回路被認為沒有電流，r2、r3上就沒有壓降，就不產生輸出電壓，從而消除引線誤差的影響。

最終電阻信號轉變為電壓信號，輸出送到CPU管腳PBＯ上進行AD模數轉換，

然后利用軟件發送至串口。由此輸出電壓值計算公式為：

根據公式３-８進一步得到溫度計算公式為：

（３-６）

式中：Ｔ測量溫度值，℃；

ＲＰＴ——PT100的電阻值，Ω；

Ｕ0——AD采集的電壓值，Ｖ。

3.1.3溫度變送器

本論文設計的無線數據采集器適用于兩線制的溫度變送器，它是以熱電偶和

熱電阻為基本測溫元件，然后將其輸出信號送到變送器模塊中處理，轉換成標準

電信號輸出（4~20mA電流信號或１~5V電壓信號）或能夠以RS485通訊協議方式輸出的設備，兩線制一般是４~20mA的輸出信號類型，利用電阻分壓轉換成１~5V，再經過減法器、電阻分壓和電壓跟隨器轉換成０~3.3Ｖ，另一端接電源正端即可：若是１-5V電壓信號輸出，則直接同樣方法轉換成０~3.3Ｖ。具體轉換電路如圖３-６所示。

圖３-６４~20mA至０~3.3Ｖ轉換電路圖

3.1.4集成溫度傳感器

集成溫度傳感器自帶信號調理或校準電路，可測量溫度模擬量和數字量，具

有高精度、高可靠性的優點，但是就是測溫范圍比較小，常見的集成溫度傳感器

具體分類如下表３-３所示。



表３-３常用集成溫度傳感器的主要技術指標表

由上表可知，集成溫度傳感器測溫范圍比較小，相對于熱電偶傳感器和熱電阻傳

感器而言，它用在工業現場比較少，本系統中未做分析。

3.1.5數字溫度傳感器

數字集成溫度傳感器（也稱智能溫度傳感器），它內部包括溫度傳感器、

Ａ/Ｄ轉換器、存儲器（或寄存器）以及接口電路，被測量值以數據的形式輸出，

其測量誤差小、分辨率高、抗干擾能力強、能遠距離傳輸、帶串行總線接口等。

數字溫度傳感器廣泛應用在工廠車間、智能樓宇等各種監測環境中。本文中無線

數據采集器可以實現無線溫濕度監測，就是利用廣州奧松電子有限公司的

AM2302數字溫濕度傳感器進行溫濕度采集，具有超快響應、抗干擾能力強、性

價比極高、超小體積、超低能耗、信號傳輸距離遠（可達20米以上）等優點。

數據傳輸采用單總線傳輸協議，數據交換與控制均有數據線完成，微處理器與傳

感器是主從結構，只有當主機呼叫時，傳感器才會應答。單總線通信時序如圖

３-７所示。

圖３-７單總線通信時序圖

一次傳送４０位數據，高位先出，溫濕度分辨率都是16Bit，高位在前，傳感器串出的溫濕度值都是實際溫濕度值的十倍。每次2S的采樣周期，每次讀取的溫濕度數值是上一次測量的結果，欲獲取實時數據，需要連續讀取兩次，實際程序設計中累計5s讀取一次傳感器數據，多次讀取并間隔大于２ｓ可以獲得更加準確的數據。

AM2302利用的單總線數據傳輸，DATA（SDA）接上拉電阻后與微處理器

的I/O端口PB6相連，SCK與PB７相連，測溫原理圖如圖３-８所示。

圖３-８AM2302測溫原理圖

3.2壓力信號測量

壓力儀信號測量主要采用電氣式壓力儀表，如壓力傳感器、壓力變送器、差

壓變送器等，具有小型化、精確度高、多點動態測量等優點，同時它輸出的是電

量，便于直接信號遠傳，適合與計算機連接組成數據采集系統。除了電氣式壓力

儀表，其他類型的壓力儀表一般都需要附加裝置，如記錄機構、電氣變換裝置、

控制元件等，才可以實現壓力的記錄、遠傳、自動控制等。本系統主要利用兩線

制的壓力變送器和差壓變送器測量壓力信號，它們主要的輸出信號類型是

４~20mA。

3.2.1壓力變送器

壓力變送器是將壓力值轉換成標準化輸出信號的儀表，它的輸出信號與壓力

值之間呈一定的連續的函數關系。通常情況下，壓力和電壓或者電流大小是線性

函數關系，公式如下：

（３—７）

式中：ｐ——被測壓力值，PA；

i--壓力變送器輸出電流值，4-20mA；

Ｉmin——標準電流信號輸出范圍（４~20mA）的下限值４mA；

Ｉmax——標準電流信號輸出范圍（４~20mA）的上限值20mA；

AP——該壓力計測壓的上下限之差，PA。

壓力變送器輸出信號分為電動和氣動兩大類，電動主要為０~10mA和

4~20mA（或0~5V）的直流電信號；氣動則是20~10０kPa的氣體壓九一般用于

就地測量。常見一般是電動壓力變送器，它是以線制4~20mA的電流輸出信號類

型為主，具有與抗干擾能力強、傳輸距離遠等優點，安裝時傳感器與變送器應避

免電磁干擾。

有些壓力傳感器輸出的信號是沒有經過處理的，滿量程輸出一般只有幾十毫

伏，就需要對其進行放大處理，與儀表量程的檔位相適應，接入微處理器就可以

直接進行測量。單片機AD模數轉換器轉換范圍是０至3.3Ｖ，壓力變送器輸出

電流范圍在４~20mA之間，要轉變為０~3.3Ｖ，首先將4~20mA利用分壓電阻得

到1~5Ｖ，再利用減法器轉變為０~4Ｖ，最后通過分組電壓加一個跟隨器即可。差壓兩側輸出值分別接入微處理器的PA７、PA６兩側進行AD模數轉換，在通過軟件進行差壓計算傳至微處理器串口端即可。由于變壓器所測壓力與電流呈一一對應關系，進而可以推出變壓器相對應的壓力值，具體電路圖如圖３-６所示。

３.2.2差壓變送器

差壓變送器是正壓端與負壓端之間的壓力差，通過數據的轉換、開方將測量

的壓力值轉換成４~20mA電流信號輸出，若是低壓端直接接大氣壓，則差壓變送器可以當壓力變送器使用。它有兩個接口，測兩個口之間的差壓，而壓力變送器則只有一個接口，測量表壓或者絕對壓力。差壓變送器接線是分別接入CPU管腳Ｐ45和Ｐ46上，然后在軟件程序中進行差壓計算等處理。

3.3流量信號測量

常見流量計信號輸出類型有脈沖信號輸出和電流信號輸出兩類。脈沖信號輸

出是三線制，三根線是“24Ｖ＋”（紅色線）、“電源（白色線）、“脈沖”

（黃色線），分別接在DC24Ｖ正端與負端，以及二次表脈沖輸入端。電流信號

輸出是兩線制，一正一負，一端接DC24Ｖ正端，一端接二次儀表信號輸入端。

流量測量儀表常用的通信接口是有RS485通信接口。

3.3.1孔板流量計

差壓類節流裝置流量傳感器的測量原理是，當Ｉ處流體經過管道內的節流件

后局部收縮，II處流速增加，靜壓力降低，由此形成壓差。壓差大小主要與流量、

節流裝置形式（如孔板、Ｖ形錐等）、管道內流體的密度和黏度等相關，原理圖

如下圖３-９所示。

圖３-９節流差壓式流量計測量原理圖

若被測流體為不可壓縮的理想流體，經過節流件時，不對外做功，本身也沒

有任何變化，可以根據流體連續性方程和伯努利方程推出Ｉ-Ｉ和ＩＩ-ＩＩ處的壓差，具體體積流量方程為：

（３-８）

式中：C一流出系數，實際應用中變化不大；

ε可膨脹性系數（測液體時ε＝１），實際應用中變化不大；

S0一一節流件開孔截面積（ｍ２）S0＝πＸｄ2/４；β=ｄ/D）為節流件直徑比；

Ｄ管道直徑（ｍｍ）；

ｄ節流件開孔直徑（ｍｍ）；

Ｋ——流量裝置的儀表系數；

ρ被測流體在Ｉ-Ｉ處的密度（ｋｇ/m3）；

AP——節流裝置輸出的差壓（PA）。

差壓類節流裝置流量傳感器以孔板流量計為例，孔板流量傳感器是由差壓變

送器和標準孔板等組合而成，ΔＰ主要用差壓變送器來測量，差壓變送器輸出為

4~20mA，信號處理過程如圖３-６所示，處理后的電壓值在經過軟件計算得到相

應的電流值，由公式３-８所得，流量計算中節流裝置輸出的差壓需要開方計算，

壓力值與電流是一一對應關系，由此差壓變送器的電流輸出也需要開方計算，流

量計與電流的關系公式如下：

（３-９）

式中：QV——當前被測流量值，M3/ｈ；

ＱＶｍｉｎ流量計量程下限值，M3/ｈ；

ＱVmax流量計量程上限值，M3/ｈ；

ｉ一一差壓變送器當前輸出電流值，mA；

Ｉmin一一標準電流信號輸出范圍（4~20mA）的下限值４mA；

Ｉmax標準電流信號輸出范圍（4~20mA）的上限值20mA；

3.3.2電磁流量計

電磁流量計只能用于測量導電液體體積流量，原理圖如圖３-10所示。

圖３-10電磁流量計原理圖

根據法拉利電磁感應定律，導電性液體垂直于磁場做切割磁力線運動時，在

其兩端會產生感應電動勢，公式如下：

Ｅ＝ＢＤｖ （３-10）

式中，Ｅ——感應電動勢（Ｖ）；

Ｂ——磁感應強度（Ｔ）；

Ｄ——測量管內徑（ｍ）；

ｖ平均流速（ｍ/ｓ）；

液體的體積流量為：

（３-１１）＇

由上式可知，在測量管內徑和磁感應強度不變的情況下，液體流量與感應電

動勢呈一一對應的線性關系，不受流體密度、黏度、溫度、壓力和電導率影響。

在正常情況下，電磁流量計輸出電流信號為４~20mA或０~10mA，流量與電流輸

出呈線性關系，公式如下：

（３-１２）

式中：ＱV當前被測流量值，M3/ｈ；

Ｑｖｍｉｎ流量計量程下限值，M3/ｈ；

Ｑｖmax流量計量程上限值，M3/ｈ；

ｉ一一差壓變送器當前輸出電流值，mA；

Ｉｍｉｎ電流信號輸出范圍的下限值，mA；

Ｉmax電流信號輸出范圍的上限值，mA；

3.3.3渦街流量計

渦街流量計（也稱旋渦流量計），是在特定流動條件下，根據卡門渦街原理，

將流體動能轉化為流體旋轉、產生旋渦或震動，其頻率與流量有確定的比例關系。

原理圖如下圖３-１１所示。

圖３-１１渦街流量計原理圖

卡門渦街穩定條件是指渦街兩側旋渦之間的距離h，單列兩旋渦之間的距離

L，它兩者之間需要滿足如下式：

（３-１３）（３-１４）

在一定的雷諾爾數Ｒｅ范圍內，穩定的卡門渦街及旋轉脫落頻率與流體流量

成正比，具體管道內體積流量為：

（３-１５）

式中：QV體積流量（M3/ｓ）；

f——旋渦的發生頻率（Hz）；

Ｋ-流量計的儀表系數（脈沖數/M3）；

Ｄ-表體通經（ｍ）；

ｍ一旋渦發生體兩側弓形面積與管道橫截面面積之比；

ｄ—旋渦發生體迎面寬度（ｍ）；

Ｓｒ-斯特勞哈爾數；

儀表系數在一定的雷諾數范圍內，渦街流量計輸出的脈沖頻率信號，僅與旋

渦發生體及管道的形狀尺寸等有關。

流量檢測量要的就是頻率或者脈沖信號檢測，常見的流量計大多是以三線制

為主，本論文中無線數據采集器就可以實現對三線制流量計的頻率或脈沖信號采

集，輸入為方波渦街流量信號，輸出送到CPU管腳上，利用其輸入捕獲模式進

行頻率和周期的計算。電路圖設計如圖３-１２所示。

圖３-１２頻率/脈沖信號檢測電路

３.４通信方案

采集智能儀表通常是采用通信接口采集儀表數據，采集器采集的數據上傳是

采用WIFI與計算機通訊。本系統中主要利用的串行通信接口有RS485、I２C。工

業現場設備常見的通信接口就是RS485，RS232傳輸距離有限，實際距離也就

25米左右，數據的傳輸速率還低，最高波特率也就19200bps，而RS485實際傳

輸距離能達到3000米，而且數據最高傳輸速度能達到10Mbps。I２C通信接口是

用在溫濕度傳感器與臨時存儲器之間的數據傳輸過程。

3.4.1RS485通信接口

工業現場參數測量設備常采用RS485通信接口進行數字通訊信號的傳輸，

為了滿足這一要求，設計該通信模塊，采用MAX3485與RS485通信的低功耗收

發器，設備的數據通過RS485接口連接至采集器的某一串□，然后通過軟件編

程傳至WIFI模塊，最終上傳到上位機進行處理、顯示和存儲等。電路圖設計如

圖３-１３所不。

圖３-１３RS485通信接口電路圖

3.4.2 I２C通信接口

Ｉ２C通信接口主要用于溫濕度采集過程中傳送數據，它是兩線式串行總線，

由串行數據線（SDA）和串行時鐘（SCL）構成的串行總線，能接收和發送數據，

I2C總線數據傳輸的高速度在400Kbps以上，但是它需要有雙向IO支持，而且要

是用上拉電阻，抗干擾能力較弱，如同AT24C02電路設計。STM32F103C8T6

自帶Ｉ２C接口與AT24C02相連接，有二線串行接口進行雙向數據傳輸，串行數

據線SDA連接單片機的PB８引腳，串行時鐘線SCL連接單片機的PB９引腳。

在SDA引腳和SCL引腳各連接一個電阻，Ａ０~Ａ２地址線和GND地線都接地，

為了對AT24C02進行讀/寫操作，對ＷＰ引腳也接地。電源引腳經過一個電容再

接地即可，如下圖３-１４所示。

圖３-１４PC通信接口電路圖

Ｉ２C總線則屬于內部總線。它是一種雙向的兩線制串行總線，采用同步通信

的方式。具有通信速率高、接線少、操作簡單的優點。Ｉ２C接口支持７位或10

位尋址，可以使用DMA操作并支持ＳＭBus總線2.0版或者ＰＭBus總線。I2C

總線的時序圖包含開始、應答和停止三種類型信號。時序圖見下圖３-15所示。

圖３-１５Ｉ２C總線通信時序圖

當SCL為高電平時，SDA由高電平跳變到低電平，表示開始傳送數據；當

SCL為高電平時，SDA由低電平跳變到高電平，表示結束傳送數據；接收數據

的PC在接收到８Bit數據后，向發送數據的Ｉ２C發出特定的低電平脈沖，表示己接收到數據。CPU向受控單元發出一個信號，等待受控單元發出應答信號，CPU

接收到應答信號后，根據實際情況對是否繼續傳遞信號做出判斷。

3.4.3無線網絡通信

無線網絡通信框架如圖３-16所示，每個無線數據采集器都自帶一個WIFI無

線模塊，模塊作為TCP server，手機或電腦作為TCP Client連接到TCP server，

一段時間左右，TCP連接會斷開，出現不穩定的現象，由此可以將WIFI模塊連

接到無線路由器中統一管理，實現數據快速穩定上傳。



圖３-16網絡通信框架

3.5本章小結

本章主要介紹數據采集器系統硬件設計與實現，單一的溫濕度信號檢測系統

中，是利用AM2302數字溫濕度傳感器實現的；而在三大檢測信號系統中，測

量溫度信號使用四線制PT100，測量電阻信號。測量壓力信號是利用壓力變送器

測一端壓力值即可；測量流量信號利用渦街流量計實現，測量的脈沖信號頻率。

無線數據采集器通過USR-WIFI２32-ＴWIFI模塊進行上下位機通信，實現將下位

機采集的信號數據格式統一轉換成ＷｉＨ數據格式，傳入上位機處理。

第４章系統軟件設計與實現

系統軟件設計包括上位機監測界面設計和下位機軟件驅動程序設計。下位機

軟件驅動程序設計是基于STM32Ｆ10３C微處理器和KeiluVision４軟件為開發平

臺的C語言編程，實現不同傳感器或儀表之間的數據采集與同步上傳；上位機

軟件設計利用NI的LABVIEW圖形化編程軟件實現用戶監測界面設計，完成數

據的讀取、顯示、處理及保存。其系統框圖如下圖４-１所示。

圖４-１系統軟件設計框圖

車間工業參數管理系統主要涵蓋三部分內容：數據采集處理和數據顯示及存

儲。其中數據采集處理主要包括：一是下位機中AD采集、按鍵中斷、串口通信、

GPIO配置、數碼管顯示等程序設計，還包括單獨溫濕度監測中溫濕度校正程序

設計；二是上位機中進行的溫濕度顯示與報警以及三大檢測參數數據處理程序設

計，三大參數數據處理是指將網絡傳輸的原始數據先排除隨機誤差的影響，再進

行對應的計算公式或是分度表得到參數值，將其分組管理與實時顯示，同時有報

警顯示。數據存儲中包括用戶登錄信息、熱電阻PT100分度表、Ｋ型熱電偶分

度表，便于根據電阻值查找對應溫度值，還可以將存儲在數據庫中數據進行編輯

和查看，并用曲線顯示值變化。

4.1硬件驅動程序

本文硬件驅動程序設計主要包括AD采集模塊、按鍵中斷模塊、數據存儲模

塊、RS485通信模塊、WIFI模塊等，在設計軟件時為了保證數據讀取的時效性，

必須采用軟件實現抗干擾，部分采集數據寫入存儲器，還有WIFI模塊字節傳輸

時間間隔設置等功能。為了無線數據采集器的多功能數據采集和無線傳輸的功

能，系統硬件驅動程序設計圖如圖４-２所示。

圖４-２系統硬件驅動程序設計流程圖

首先是系統初始化，采集器正常啟動，默認的是進入單一溫濕度檢測模式，

可以設置溫濕度上下限值和校正參數，設置完成后可以進行數據顯示與上傳；若

是選擇三大參數檢測模式，即溫度、壓力、流量監測模式，需要判斷輸入信號類

型，并進行相應的通道設置，然后對測量的參數進行量程設置，具體設置如圖

４-３所示，上電后所有模塊復位，默認的是溫濕度監測，將“Ｓ”按鍵長按３s來可以更改監測模式，通過>、<按鍵切換工作模式，模式１是溫濕度監

測，模式２是三大檢測參數監測，單擊“Ｓ”保存后才可以進入下一步參數上下

限值設置，“＜”、“＞”按鍵切換參數類型，“+,-”按鍵改變上下限值大

小，設置完成后要點擊保存。模式２還需要針對不同類型的參數進行數據傳輸方

式和輸出信號類型的選擇，利用>、<按鍵進行切換，正常工作情況下

默認的是傳感器與無線采集器“GPIO”模式，可以更改為“RS485”通信接口模

式，并對其參數配置，如波特率等，保存后再通過“＜”、“＞”按鍵進行輸出

信號類型切換，Ａ代表模擬信號類型，Ｂ代表數字量信號類型。

圖４-３無線數據采集器參數配置流程圖

4.1.1溫濕度采集模塊

有些工廠車間工業參數測量相對單一，例如紡織廠，只需要進行單一的溫濕

度測量，溫度測量范圍相對比較小，精度要求不高，為滿足類似環境，本文中無

線數據采集器設計了單獨的溫濕度測量模塊，利用AM2302數字溫度傳感器來

實現對溫濕度的采集，AM2302是單總線通信方式，有四個引腳，分別是ＶＤＤ、

SDA、ＮC和GND。AM2302上電后需要先等待２ｓ緩沖不穩定狀態，且設備不

發送任何指令。然后測試環境溫濕度，并記錄溫濕度值。AM2302的SDA數據

線接的上拉電阻保持高電平狀態，處于輸入狀態，時刻檢測外部信號。微處理器

的I/O初始設置輸出低電平，保持拉低ｌms，然后設置為輸入狀態，釋放總線，

AM2302發送響應信號（８０us低電平），接著輸出８０us的高電平通知外設接收

數據。由數據總線SDA連續串行輸出４０位數據，微處理器根據I/O電平變化接

收40位數據，輸出低電平50us轉為輸入狀態。處理器與傳感器之間的單總線通









信數據讀取的流程圖如圖４-４示。

圖４-４單總線數據讀取流程圖

關于校正參數的設置，特別進行說明。校正計算公式為：

Ｙ=（1士aｘ0.001）Xｘ土bｘ0.1（４-１）

其中ｙ為校正后的顯示值，ｘ為傳感器讀取值，ａ為上排數碼管的右三位的

讀取值，ｂ為下排數碼管的右三位的讀取值；數碼管兩排的第一位表示參數的正

負，“０”表示正，“１”表示負。例如當前顯示溫度為25.3℃，濕度為42.7％RH，欲校正為溫度值為26.8℃，濕度值為40.4％ＲＨ；則溫濕度的ａ值都為０,ｂ值分別為1.5，2.5，并且溫度的ｂ值為正，濕度的ｂ值為負。

溫濕度傳感器讀取數據先經過臨時存儲器AT24C02臨時存儲，再進行串口

至WIFI的傳輸。AT24C02有兩個引腳接入單片機，分別是串行時鐘信號SCL和

串行數據輸入/輸出SDA。初始化過程、啟動信號、停止信號和回應信號的操作

都是通過改變這兩端電平的高低實現的。還通過按鍵中斷實現對溫濕度值校正，

利用switch語句設置校驗指定位的數值大小。



4.1.2三大參數采集模塊

三大參數檢測程序中，首先就需要通過按鍵中斷選擇對應參數的信號類型，

不同信號類型數據處理的流程不同，比如模擬信號接入AD通道，還有一些數據

處理的軟件設計。脈沖數字信號測量運用定時器輸入捕獲。脈沖頻率測量流程圖

設計如圖４-５所示。

圖４-５脈沖頻率測量流程圖

本文中孔板流量計是結合差壓變送器進行測量，電流輸出要開方計算，而電

磁流量計的流量與電流呈線性關系，渦街流量計通過測量方波頻率來計算流量

值，在小流量時，脈沖頻率低，直接采集會有很大誤差，采用間接測量方法，即

通過測量相鄰脈沖之間的周期來計算頻率，但在脈沖頻率段大于75Hz時，采用

直接測量方法更好。

STM32的系統初始化程序主要包括配置系統時鐘、TIM2工作模式和計數器

時鐘頻率，設置USATT１、USART２的傳輸模式、波特率和DMA通道目標地址

與源地址、傳輸方向等進行設置。利用STM32的定時器TIM２的PWM輸入捕

獲模式對頻率或脈沖信號進行采集，設置通道１邊沿檢測（IC１）為上升沿捕獲，

TIM2_CNT為計數器的值，等一個上升沿出現，IC１進行捕獲。IC１的捕獲值映

射到TIM2_CCＲ１寄存器（16Bit）中，讀取計數值，等待下一次捕獲。測量低頻

信號時對ＴＭ的時鐘進行分頻處理，計數完成后再倍頻。數碼管顯示子程序主

要是進行數碼管驅動程序編寫，在主程序中調用數碼管的顯示函數即可。無線

WIFI通信子程序實現數據向上位機傳輸功能，通過STM32的DMA控制器實現

數據直接傳輸至USART１的數據寄存器中進行數據發送。

4.1.3串口與WIFI通信模塊

在軟件設計中，串口到網絡之間的流程圖如下圖４-６所示，要對WIFI接收

的最大字節數進行設置，然后是對GPIO端口、串口接收端和串口發送端的設置。

圖４-６主芯片串口與WIFI之間通信流程圖

對WIFI模塊串口初始化設置中，波特率設置為115200，速率為10k/s左右，

字長為八位，一個停止位，無奇偶校驗位，無硬件數據流控制，模式為收發模式。

初始化結束后再進行接收中斷配置，最后進入串口中斷服務子程序。實現串口到

WIFI數據包的雙向透明轉發，模塊內部完成協議轉換，串口一側串口數據透明

傳輸，WIFI網絡一側是TCP/IP數據包，可通過模塊內部的網頁或者串口使用

AT指令進行，一次設置永久保存。串口到網絡之間發送數據的流向是:下位機

主芯片串口-＞USR-WIFI-Ｔ模塊串口-＞模塊WIFI-＞計算機網絡；網絡到串口的數據流向則正好相反。

UART成幀機制分UART自由組幀模式和UART自動成幀模式這兩種。

UART自由組幀模式是指，模塊在接收UART過來的數據時，會不斷的檢查相鄰

２個字節的間隔時間。如果間隔時間大于某一值，則認為一幀結束，否則一直接

收數據直到大于1000字節。模塊判斷串口上一幀結束后，轉發到WIFI接口。默

認的２個字節間隔時間為250ms，即間嗝時間大于250ms時，一幀結束。UART

自動成幀模式是，串口上數據幀是定長的，通過開啟UART自動成幀功能

（enable），設置自動成幀觸發時間（time）及觸發楨長（len），自動成幀的觸

發時間取值范圍為25~10000ms，自動成幀觸發長度在８~1000Byte。模塊會把串

口上收到的數據自動組成幀，轉發到網絡上，達到最高的轉發效率。自動成幀功

能示意圖如下圖４-７所示。

圖４-７WIFI模塊自動成幀功能示意圖

該WIFI模塊沒有數據傳輸量的限制，可以一直傳輸，但是因為串口和網絡

數據傳輸速度不一樣，可能會出現數據擁堵現象，導致丟包，數據緩沖buffer

是1Ｋ，所以一次性發送的數據不超過１Ｋ。

本論文中對于無線數據采集器要采集的參數類別不確定是幾個，有可能是單

獨測溫度、壓力或者流量，也有可能是其中的兩個或者三個都參量，因此對于

UART成幀機制利用的是UART自由組幀模式。串口波特率設置為115200bps，

每ｉ個信號的參數值都固定設置大小為８個字節，當三個信號同時被采集時，則

最多傳輸24個字節為一頓，采集一次耗時約為0.2ms，由此設置延時為250ms。



4.2上位機監測程序

LABVIEW軟件采用圖形化編程語言，應用范圍廣、功能非常強大。相對于

C++/C語言、Java、VB語言而言，LABVIEW軟件的編寫不需要編寫復雜繁瑣

的代碼，對于編程人員的要求相對較低，而是用簡單直觀的圖形化方式實現了復

雜的功能，大大縮短了開發周期，上位機軟件設計總流程圖如圖４-８所示。

＾

圖４-８上位機軟件設計總流程圖

上位機實現功能設計：在LABVIEW編程環境中實現TCP通信、各類儀表屬

性配置、理論計算與查表、上下限值報警等，將各種參數進行分類管理，實現數

據處理和保存，保證結果準確度，同時將數據保存至數據庫，方便歷史數據查看

等。程序啟動開始，進入系統登錄界面，新用戶首先需要注冊用戶信息才能登陸

成功，然后選擇監測模式，一種是單獨溫濕度監測，另一種是三大檢測參數監測，

即溫度、壓力、流量。溫濕度監測量接進入監測界面，下位機程序設計中已經進

行過數據處理，網絡連接成功后，傳輸的就是溫濕度值，無需二次處理，而三大

檢測參數監測在下位機只是進行簡單模數轉換等數據傳輸，需要在上位機進行數

據處理，需要在連接網絡之前進行參數配置，選擇測量儀表類型，輸入對應上下

限值等，保存成功后才能進入連網環節，將傳輸的原始數據進行隨機誤差處理后，

通過事件結構將數據進行相應的計算或是查表得到溫度值、壓力值、流量值，并

進入報警顯示程序，若是數據超出正常范圍，則將數據顏色進行紅色顯示，然后

將數據進行保存，當要查看某一設備的歷史參數時，只需要點擊該設備即可進入

歷史數據查看界面，可以選擇數據庫中某一段時間的數據，進行表格和曲線顯示。

4.2.1網絡連接

上位機作為客戶端，根據下位機WIFI模塊的IP地址和端口號發出連接請求，

等待二者建立連接。TCP通信是以字節流數據包的方式接收數據，數據包既可以

是固定長度也可以是變長。WIFI模塊與上位機通信時，WIFI模塊設置為TCP

server，則上位機以TCP Client連接WIFI模塊的IP地址和端口。網絡連接運行

的軟件程序設計圖如下圖４-９所示。

圖４-９上位機網絡連接程序設計圖

每個ＷｉＨ模塊都有一個IP地址，端口號都是一樣的，進行TCP協議的數

據通信。打開TCP協議，寫入“READ”指令，設置讀取的字節數進行數據讀取，

最后輸出傳輸的數據（數據是字符串的格式），在進行相關誤差計算時利用“分

數/指數字符串至數值轉換”控件將字符串轉換成所需要的數值。

4.2.2數據處理

設計中TCP通信傳輸的是字符串數據，將字符串進行截取，分別放入溫度

初始值、壓力初始值、流量初始值三個數據中，這三類初始值是指下位機上傳的

原始數據，如電壓值、電流值或是頻率值等未經過公式計算的原始數據，要得到

實際的溫度值、壓力值和流量值就需要相應的公式計算或者分度表查詢。根據參

數設置界面的溫度、壓力、流量三大參數輸出信號類型和測量儀表類型來選擇計

算公式或分度表，利用事件結構進行選擇，然后將數據進行取平均、粗大誤差剔

除與替換等操作，削弱隨機誤差的影響，最后實時顯示在監測界面，并將數據保

存于Accsss數據庫中，便于歷史數據查看。數據處理的流程圖如圖４-10所示。



圖４-10數據處理流程圖

測量范圍是進行上位機參數相關設置，如濕度測量時有溫度限制。下位機硬

件驅動中己經實現對溫濕度的數據校正處理，只需通過WIFI上傳至上位機顯示、

存儲即可。同時增添了一個上下限報警提醒。當某一塊表出現問題，它對應編號

的表就會發出對應蜂鳴警報的次數以及按鈕閃爍。

本系統數據處理的誤差分析是在上位機利用LABVIEW編程軟件實現的，對

采集數據中存在的明顯不正確的數據利用粗大誤差剔除法進行查找和替換，進而

既提高準確度又消除錯誤數據的影響。將采集到的各類參數分組并數據格式轉換

后，對可疑數據剔除并替換，根據拉伊達準則，當測量值殘余誤差的絕對值大于

極限誤差（３δ）時，應將其剔除，并用該數據前一個數據元素替換。標準偏差公式為：

（４-２）

數據處理的程序設計是將1ｓ內采集的數據進行累加求和，再進行算術平均

計算，然后對單個數據進行粗大誤差處理，用前一個準確的數據進行替換，將處

理完的數據再次求平均得到最終值。

4.3本章小結

本章主要介紹系統無線數據采集器的硬件驅動程序設計和上位機用戶監測＇

程序設計，下位機實現溫度壓力流量數據同步采集，有模擬量AD采集，數字量

定時器輸入捕獲，RS485通信接口連接采集，串口進行讀取并發送，通過WIFI

模塊同步上傳至上位機進行數據處理、顯示及保存。

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第５章系統運行成果

5.1電路調試

圖５-１無線數據采集器成果圖

無線數據采集器成果圖如圖５-１所示，具體調試內容如下：

（１）硬件電路驅動程序代碼的燒寫是利用STM32ST-LINK Utility軟件工具

配套ST-LINK下載工具一起使用，直接下載KeiluVision４中生成的．hex文件代

碼，同時實現對代碼加密，類似J-LINK對應工具的功能。

（２）將硬件電路通過CP2102USB轉UART模塊接入計算機USB端口，

打開串口調試助手軟件，進行相應串口設置，串口波特率是115200bps/ｓ，數據位是８位，校驗位是None，停止位是１，流控是None。點擊開始運行，進行數據傳輸。驅動安裝注意COM端口號：COM１，防止與電腦本身虛擬串口重名。

（３）進行硬件電路板子檢查，一、電源部分電路設計問題是外部供電電源

線與四個二極管組成的橋式電路的連接位置錯誤，外部電源線應接在橋式電路對

角線，且分別位于兩個同向二極管之間；二、PT100測溫模塊繪制的供電＋5V的電路圖中的標識與電源模塊5V標識不統一，導致供電失敗，應將其統一為5V

標識；三、PT100測溫模塊恒流源電路中PNP型9012三極管集電極與發射極引

腳位置接反，互換即可。誤差存在一方面是真實值與標稱阻值之間有誤差，電阻

在標稱阻值的同時還會標出它的誤差范圍，貼片電阻統一是１％誤差范圍。

（４）四線制PT100接線電路調試。實驗利用10０Ω和200Ω模擬PT100鉑

電阻阻值變化，進行電路調試，根據圖３-４得出的理論計算公式與實際測得值比較得出串口采集的AD電壓值與理論值有一定的誤差，出現問題在于TCL2252

運算放大器芯片的供給電壓是5V，最大輸出電壓值約為3.8V，然后放大倍數調

整為２倍，則測得PT100的溫度范圍最大２20℃，對應電壓值2.2Ｖ左右，即電

路輸出電壓在０~３Ｖ左右，可能導致數據丟失。

（５）本設計利用實驗室的活塞式壓力真空計，表頭接壓力變送器，輸出信

號類型為４~20mA電流信號，供電電源為24ＶＤC，量程范圍為０~６00kPa，最大量程1MPa。由于實驗室設備用時已久，測量誤差相對而言比較大。

（６）進行儀表的安裝時，會出現WIFI模塊信號數據上傳中斷，WIFI復位

程序存在漏洞，分析的是硬件程序數碼管驅動初始化程序（dis.c中max7219

_init（void）函數）（exti_key_init.C中key_scan()）存在漏洞。在對采集器

聯網設置時，會出現重合，兩個或多個設備之間相互影響，導致人員分不清楚儀

表所對應的編號，在路由器對儀表IP地址進行分配，并做標記。

5.2通信連接

無線數據采集器上WIFI模塊配置模式為STA，即無線站點，是一個無線網

絡終端，多個無線終端通過無線路由器相互連接，以單個路由器為一個車間的無

線網絡中心，組成一個車間的無線網絡環境。

5.2.１路由器配置

本設計中首先是將樂光A330路由器通電，有兩個無線通道，WirelessAPI

和WirelessAP２，登入路由器網頁界面，無線路由器插入電源適配器通電即可，

計算機連接無線WirelessAPI，輸入無線密碼：666666666，完成連接，進行屬性

設置：Internet協議版本４屬性設置使用以下IP地址即：192.168.188.10０，子網掩碼：255.255.255.０，點擊確定。可使用IE瀏覽器訪問：http://192.168.188.253.彈出登錄畫面，默認登錄用戶名：admin，密碼admin。進行AP模式（默認）設

置，點擊無線覆蓋，再點擊應用。將無線模塊IP地址接入WirelessAP２通道，

修改局域網IP地址：點擊高級設置＞網絡設置＞局域網設置，IP地址靜態設置，開啟DHCP服務器設置，添加局域網（IP/MAC）地址，即靜態綁定。實現

每個儀表都對應一個IP地址，運行結果中兩個溫濕度監測儀表的IP地址分別設

置為192.168.188.４和192.168.188.５。設置界面如圖５-３所示。

圖５-３無線數據釆集器WIFI模塊IP地址設置

5.2.2WIFI模塊配置

對USR-WIFI２32-Ｔ模塊的參數設定可以通過網頁配置和串口配置兩種。本

系統采用網頁配置的方式。第一次使用該模塊時，需要對其進行一些配置，如對

串口采集的波特率、字長、停止位、奇偶檢驗位的設置，組網方式為STA方式

的設置，連接路由器的設置等。給該模塊上電后，首先打開電腦或手機的無線網，

搜索到該芯片USR-WIFI２32-Ｔ并連接，連接成功后在IE瀏覽器地址欄輸入

http://10.10.100.254講入設置頁面。

一共有快速設置、系統信息、STA設置、AP設置、網絡設置、串口設置、

賬號管理、軟件升級、重啟和恢復出廠十個頁面管理。本系統首先是快速設置中

搜索需要連接的路由器WirelessAP２，然后進入“STA設置”、“串口設置”和

“網絡設置”三個管理頁面進行相關設置。網頁打開如下圖５-４所示。

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圖５-４WIFI模塊配置界面

５.３運行成果5.3.1登錄界面

初次登錄系統，登錄界面如圖５-５所示。首先需要注冊用戶信息，若是沒有

注冊過的用戶信息，點擊登錄會出現一個對話框顯示“信息輸入錯誤，請重新登

錄”，用戶信息注冊主要包括：姓名、性別、年齡、職稱、聯系方式等，重新輸

入個人信息，用戶名是指姓名，密碼是指聯系方式，登陸成功會出現“選擇監測

界面”復選框，選擇需要查看的監測界面，一個是溫濕度監測界面，一個是三大

檢測參數監測界面，選中某一個就會進入相應的監測程序中，如圖５-６所示。

圖５-５用戶登錄界面

圖５-６用戶登陸成功檢測界面選擇

５.3.2數據監測成果

（１）單一溫濕度監測所實現的操作界面如圖５-７所示，左側顯示的是實時

溫濕度值，參與測試的表３和表４分別顯示實時溫濕度值，表3為21.7℃、47.3％，表4為21.8℃、47.0％。點擊該表編號即可進入該表歷史數據查看等功能。中間

是實時溫濕度值隨時間變化得曲線圖，右側可以設置溫濕度上下限閾值，利用報

警指示燈進行報警顯示，程序中還實現帶有蜂鳴聲報瞥提醒功能。

圖５-７溫濕度監測界面

（２）三大參數監測跟溫濕度監測不同地方在于它需要進行參數配置，如圖

５-９所示,以便于滿足不同類型傳感器測量需求，比如溫度測量有熱電偶、熱電

阻以及由它倆單獨組成的溫度變送器，它們都有自己的電阻一溫度分度表，一一

對應得出相應溫度值，直接查表即可；壓力測量就是電流一壓強分度表；而流量

計則相對比較復雜，不同類型的流量計需要考慮的影響參數不同，孔板流量計需

要壓力值和Ｋ值，由電流值得到壓力值，Ｋ值可以通過流量計Ｋ值表查詢，在

經過相關計算公式得到流量值，電磁流量計需要考慮磁感應強度、測量管內徑Ｋ

值等。首先設置溫度信號測量選用四線制PT100測溫，溫度上下限值設置為

-200~850℃，壓力信號測量是選用壓力變送器，電流輸出默認為4~20mA，量程

上下限范圍為０~６00kPa，；流量信號測量采用禍街流量計，輸出１MHz頻率的

脈沖信號，量程上下限值范圍為０~500M3/ｈ,Ｋ值默認為８00０脈沖/m3。

圖５-８參數設置界面

溫度、壓力、流量監測界面如圖５-９所示，界面左上角可以選擇所需要查看

的車間號，右上角顯示當前時間，每個車間默認的是設置10個無線數據采集器，

可以根據現場設備的需要進行増減。可以同時顯示溫度、壓強、流量，也可以單

獨顯示，互不影響。監測結果如圖５-９所示，表１顯示溫度值為25.0℃，壓力值為0.225MPa，流量值為125.0M3/ｈ。

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圖５-９三大檢測參數監測界面

歷史數據瀏覽界面如圖５-10所示，設置需要查看的時間段，儀表號，點擊

開始查詢按鈕，即可在界面左側的表格中顯示該時間段內存儲的數據，并且界面

右側的波形圖默認顯示的是該時間段內溫度值隨時間的曲線變化圖，同時在下拉

列表中切換壓強或者流量參數類型，觀察其值隨時間的曲線變化圖。點擊“退出，

回主頁”按鈕，可以返回到圖５-９所示的監測界面。

圖５-10歷史數據瀏覽界面

5.4本章小結

本章主要介紹系統調試與成果結果，調試中會遇到各種問題，通過檢查原理

圖、查閱資料、程序調試等解決問題；成果展示包涵用戶登錄界面顯示、參數配

置、數據監測界面顯示和歷史數據瀏覽等。

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第６章總結與展望

6.1總結

本次課題實現基于WIFI無線網絡的車間工業參數管理系統設計，解決了傳

統的傳統采集系統不足之處，利用WIFI無線網絡技術實現車間無布線操作，檢

修便捷，同時可以對多個設備數據同步監測。本系統設計采用模塊化的思想，設

計原理簡單、操作方便、功耗低、性價比高，實用性強。本文完成的主要工作如

下：

（１）使用Altium Designer10軟件完成了下位機的硬件電路的原理圖設計

和PCＢ封裝圖的設計。原理圖設計中包括STM32的最小系統模塊、單一溫濕度

采集模塊、三大檢測參數采集模塊、數碼管顯示模塊、無線模塊、按鍵模塊。數

據采集器實物圖如圖６-１所示。

圖６-１無線數據采集器實物圖

（２）運用LABVIEW編程語言完成了上位機監測界面的設計。監測界面簡

單清晰，對數據的顯示有多種表現形式，添加的超值報警功能可以更好的對系統

進行監測。還實現了對歷史數據的保存，方便隨時查看。

（３）完成了通信部分的設置，利用WIFI無線網絡，成功實現下位機和上位

機的連接，加快數據遠距離傳輸速度。

６.２展望

由于本論文完成時間倉促，個人能力有限和實驗條件限制，整個系統實現基

本的參數管理功能，建立了一個整體框架，便以后模塊擴展，經過實際調試與理

論分析，還有很大改善空間，具體如下：

（１）本設計采用的主芯片只有兩路AD轉換器，同時還缺少ＤＡ數模轉換

模塊，需要設計相應AD/ＤＡ擴展板；只設計了一路RS485通訊接口，對于三大

參數監測可能同時需要RS485接口就會不足，所以需要無線數據采集器的電路

板還需要進一步改進，以便于滿足更多通道信號采集需求。硬件電路設計只是實

現基本的數據采集和傳輸功能，其中的隔離和保護的防千擾電路設計有待進一步

完善。采集器設計中還可以加入ＧＰＳ定位，確定無線數據采集器位于車間的具

體位置，實現更加有效的監測和管理。

（２）上位機中程序功能設計比較簡單，實現誤差處理、數據顯示和保存，

對于無線數據采集器測量參數的誤差分析有待完善，以便測量結果更加準確。

（３）本設計測試環境利用實驗室現有設備搭建的，并進行簡單的測試，與

實際工業現場有一定差距，系統的干擾會更復雜，具體測試結果不太明確。在以

后的研宄工作中需要進一步拓展采集器功能，提高精度、可靠性和穩，定度等，以更好地適應工廠車間工業參數采集多樣化的需求。

拓展知識：