“一种无限分体式手持巡检仪” 项目研究报告

“一种无线分体式手持巡检仪”项目研究报告No.013北京理工大学信息与电子学院2013级李凌豪刘俊杰张昂宇目录1.课题背景与现状 (3)1.1.工业手持终端设备与智能工业 (3)1.2.巡检仪 (3)1.3.Arduino平台 (3)2.研究的目的和意义 (4)2.1.科技创新层面 (4)2.2.个人层面 (4)3.方案设计和计划 (4)3.1.方案设计 (4)3.1.1.创新点的提出 (4)3.1.2.成果设想 (4)3.1.3.平台选择 (5)3.2.计划及实施情况 (5)4.研究的主要内容 (6)4.1.设计及实现过程 (6)4.1.1.选题阶段 (6)4.1.2.硬件平台的选择 (6)4.1.3.硬件调试阶段 (6)4.1.4.编程及功能实现阶段 (6)4.1.5.改进阶段 (8)4.1.6.制作外壳阶段 (8)4.1.7.性能测试阶段 (9)4.2.算法及程序框图 (10)4.2.1.发射机 (10)4.2.2.接收机 (11)5.创新点和结论 (12)5.1.创新点 (12)5.2.成果实物及其性能 (12)5.3.可改进的地方 (12)6.成果的应用前景 (13)7.参考文献 (14)附录 (15)1.课题背景与现状1.1.工业手持终端设备与智能工业工业进入智能化时代。

随着物联网浪潮的来袭，物联网在工业中的应用越来越普遍，这也使工业愈发智能化。

具有环境感知能力的各类终端、基于泛在技术的计算模式、移动通信等不断融入到工业生产的各个环节，可大幅提高制造效率，改善产品质量，降低产品成本和资源消耗，将传统工业提升到智能工业的新阶段，形成新的智能化的制造体系。

工业手持终端设备的兴起。

工业手持终端设备因为具有无线通信和工业定制等特性，在智能工业这种浪潮里势必会在将来扮演越来越重要的角色，成为工业生产各个环节必不可少的一种设备。

工业生产智能化，势必会需要更加信息化、高效化的监控设备，传统的监控设备势必要经历革新来适应这种信息化。

我们的选题正是基于工业上“产品设备监控管理”的方面，探索利用类似于“工业PDA”的一种手持设备来对工业设备进行有效地监控管理。

1.2.巡检仪巡检仪作为一种经典的工业测控仪表，已经应用于各种工业过程参数的巡回检测、报警控制、变送输出、数据采集及通讯方面，并在这些领域起到了极大的作用。

我们的选题就是在经典巡检仪的基础上得到的。

我们的初期选题思路主要有两个方面：首先，将经典工业巡检仪与工业手持终端设备的设计理念相结合，将巡检仪设计成一种类似于手持终端的设备；其次，我们将研究方向定位为旋转机器，即只研究工作时的机械运动状态是旋转的较大型的工业设备，用无线通信的方式监控这些设备的参数。

由于经典的有线巡检仪的局限性，使它在测量旋转机器时会产生导线或电缆缠绕的状况，要避免这种状况，用无线通信方式是再好不过的了。

1.3.Arduino平台Arduino是一款便捷灵活、方便上手的开源电子原型平台，包含硬件部分（各种型号的Arduino板）和软件部分（Arduino IDE)，可用C语言进行编程。

它是由一个欧洲开发团队最早于2005年冬季开发，在问世后的短短十年中发展迅猛，在许多场合得到了广泛应用。

可以说是很年轻而且充满朝气的电子原型平台。

Arduino不仅仅是全球最流行的开源硬件，也是一个优秀的硬件开发平台，更是硬件开发的趋势。

这种平台的优势很明显。

其一，其具有极高的自由度、兼容性和可拓展性，兼容各种硬件传感器以及各式各样的电子元件，更可以跨平台。

Arduino IDE可以在Windows、Macintosh OSX、Linux三大主流操作系统上运行，而其他的大多数控制器只能在Windows 上开发。

其二，易上手，简单清晰。

Arduino IDE基于processing IDE开发。

对于初学者来说，极易掌握，同时有着足够的灵活性。

Arduino语言基于wiring语言开发，是对AVRGCC库的二次封装，不需要太多的单片机基础。

其三，开放性。

Arduino的硬件原理图、电路图、IDE软件及核心库文件都是开源的，在开源协议范围内里可以任意修改原始设计及相应代码。

这些优势也促使我们最终选择这种平台来实现我们的这次创新计划。

2.研究的目的和意义2.1.科技创新层面首先，我们认为目前工业上需要无线手持巡检仪来作为全新的产品设备监控管理设备。

这种手持巡检仪具有机动、灵活、便捷的特点，可以随时随地对生产车间的设备进行参数监测。

其次，由于旋转仪器自身的机械运动特点，使经典的有线巡检仪的局限性就暴露无遗。

有线巡检仪在测量旋转机器时会产生导线或电缆缠绕的状况，要避免这种状况，用无线通信方式是再好不过的了。

这就更促使我们退出一种无线分体式的新式巡检仪，将测量与显示分离，通过无线通信方式传输监控数据。

正是由于上述原因，使旋转仪器的瞬时旋转特性测量监控的研究更具意义，所以我们希望通过研究，设计并制作一种可以无线监控旋转仪器的温湿度以及旋转特性的手持移动终端设备。

2.2.个人层面知识技能方面，我们希望通过研究过程，深入了解“工业PDA”、巡检仪、Arduino等方面的知识，掌握Arduino编程的基本技巧、模块化硬件接口的基本常识以及基于Arduino搭建系统的能力，了解各种硬件模块的特性。

思维以及能力方面，我们希望通过这次研究，增强自学能力和搜集文献的能力，更重要的是希望增强我们的动手能力。

真正完成自学、理解、应用这一完整的研究过程，用学到的知识搭建出科技实物。

3.方案设计和计划3.1.方案设计3.1.1.创新点的提出基于传统有线巡检仪的局限性，我们确定了“无线”的设计方案，并将产品的监测对象确定为“旋转仪器”。

采用无线通信传输测量数据，并提出无线充电的设想。

基于多点测控的想法，我们确定了“分体式”的设计方案。

采用分体式，使测量端“附着”在待测仪器上，初步确定磁铁吸附的附着方式。

为追求机动灵活便捷的产品特点，结合工业“PDA”的设计理念，我们确定了“手持”的设计方案。

3.1.2.成果设想我们希望制作出一种“无线分体式手持”的新式巡检仪。

这种巡检仪的测量对象为“工作时的机械运动状态是旋转的较大型的工业设备”，可以监测这些工业设备的表面温度、表面空气相对湿度、转动周期和频率。

甚至，如果可能的话，加入无线充电模块。

具体工作状态设想，如图1所示。

图1.产品工作状态示意图3.1.3.平台选择在方案设计阶段，考虑到实际操作的难易程度，我们准备采用51单片机作为产品的硬件平台。

但是在研究的过程中，我们只是用51单片机平台实现了同一机器上的温度的测量及显示。

由于我们还未学数字电路等课程，不具备自己设计产品电路的能力，当需要实现无线通信和添加其他模块就困难了许多。

最后，我们选用了Arduino作为开发平台，用Arduino IDE来编写程序。

基于Arduino平台的兼容性高、自由度高、拓展性强、编程过程简洁易懂的特点,我们最终选用了Arduino平台，并采用模块化的硬件组件。

3.2.计划及实施情况我们的原计划如下：硬件设计制作3个月、软硬件调试3个月、样机测试3个月、设计修正3个月。

但是由于我们中途改变了平台，由51单片机改变为Arduino，故在中期检查后，我们又制定了新的时间计划。

在5月1日至7月1日期间，熟悉Arduino编程环境，基本掌握其编程语法，并采购调试相应的模块。

然后，在7月1日至8月10日期间，开始搭建硬件平台和进行程序编写。

实现所有基本参数的测量。

并进行测试。

最后，在8月10日至9月1日期间，制作产品外壳，改进程序算法，撰写结题报告。

我们按照后来制定的这个计划，按时完成了设计制作工作。

4.研究的主要内容4.1.设计及实现过程4.1.1.选题阶段在选题阶段，为了让我们拓宽思路，指导老师丁泽刚为我们介绍了专业设计生产“工业PDA”的思必拓科技公司。

随后我们到该公司参观。

在初步了解了“工业PDA”的现状和发展前景后，我们决定设计一款手持终端式的巡检仪。

为了在经典的巡检仪的基础上有所突破，我们最终设定了产品的三个特色属性：“无线”、“分体式”以及“手持”。

4.1.2.硬件平台的选择起初，我们选用了51单片机作为产品的硬件平台。

但是在研究的过程中，我们逐渐发现，由于我们还未学数字电路等课程，不具备自己设计产品电路的能力，因此我们陷入了瓶颈。

之后，我们经过商讨，决定采用模块化的硬件组件，从而弥补硬件开发能力的不足。

因此我们最终选用了Arduino作为硬件平台。

4.1.3.硬件调试阶段传感器和无线通信模块方面，我们采用了DHT11数字温湿度传感器、BMA220数字三轴加速度传感器、APC220无线数据传输模块、LCD12864液晶显示模块等模块。

采用模块化的硬件，调试工作是必不可少的。

每个模块都下载了必要的库文件或驱动。

其中，APC220的通信设置较为复杂，而且因为所用的Arduino IDE 1.6.4(Arduino的专用编译器）中的串口监视器与之不兼容，导致调试工作持续了三天，最终发现了问题并更换了Arduino IDE的版本，解决了问题，无线通信的测试成功了。

4.1.4.编程及功能实现阶段我们同样采用了“模块化”的过程实现各个功能。

第一步，我们编程实现了DHT11的温湿度监控，并利用USB串口通信将数据传给电脑，并在串口监视器中收到了应有的温湿度数据。

电脑接收到的数据如图2所示。

图2.串口接收温湿度数据结果第二步，我们实现了温湿度监控，并在LCD12864上显示温湿度数据（与DHT11在同一个Arduino板上）。

这之前，还研究了LCD12864的各种常用函数的用法和简单历程。

如图3所示。

图3.测量并显示温湿度数据结果第三步，我们实现了温湿度数据的无线传输及显示，由“发射机”测量并发射数据，“接收机”接收并显示。

这一步，主要涉及到了无线传输的问题，怎样设计发射和接收的规则是关键。

经过多次实验，我们采用了“发射机”每2000ms 发射一次数据，“接收机”每2000ms读取一次数据的通信方法，而且仅当接收缓冲区有数据时“接收机”才会读取。

由于发射的实际过程很短，接收的实际过程也很短，故而基本不会产生错误。

如图4所示。

图4.测量与显示分离后的温湿度测量第四步，增加转动周期和频率的测量。

首先，对BMA220三轴加速度传感器进行研究，编写程序测出了运动的加速度值。

我们采用了极大值判定的方式测量转动周期，及对加速度进行每100ms的采样（如果采样频率过高，则会出现一些锯齿状的干扰点，使一个周期内的极大值增多，从而导致测量误差过大；如果采样频率过低，则精确度不足），记录极大值点间的时间间隔即要测量的转动周期。

通过周期便可以将频率轻易求出。

第五步，整合第三步和第四步，实现温湿度及周期频率的测量、无线传输及显示功能。