数据采集系统是现代化信息技术产物，己经广泛应用到各个生产性工业环境

中，数据是从传感器和其他测试设备等模拟和数字被测单元中自动采集数据，然

后送入数据库中对数据进行分析，减少用户很多工作量，提高员工的工作效率。

现在传统的数据采集系统都是采用有线传输方式来实现数据传输，它具有速度

快、可靠性高、工作稳定等优点，但是布线乱，检修难。由此，无线数据采集技

术的出现，正好解决这一问题。

无线数据采集器是指支持无线数据传输的数据采集器，包括两部分核心功

能：数据采集和无线数据传输的功能。其无线数据传输的网络通常为WIFI、

Zigbee、蓝牙、GPRS等；数据采集的内容通常为电阻信号，0~5V的电压信号，

4~20mA的电流信号，脉冲信号等，这些信号主要分模拟信号和数字信号两大类。

数据采集与无线传输两大核心相结合，能够省去线缆的安装，具有安装快，维护

简便，扩容能力强等优点，可以广泛应用于自动化工厂，智能家居，电力电网等

场合。

更重要的是无线数据采集技术已成为新的发展趋势，可以解决以往传统数据

采集中存在的问题，提高系统的适用性。生产设备管理系统数据采集技术向着一

个更加微型化、网络化以及智能化的方向发展。

1.2国内外研究现状

上世纪80年代，西方发达国家就实现了有线网络连接终端数字传感器，完

成数据的实时、连续和完整的数据采集，减少了工作人员的工作量，同时数据的

传输速度快、可靠性高，但是布线繁琐，可移动性差，传输范围有限。近年来，

随着射频芯片和无线通信技术的发展，综合利用嵌入式系统和数字传感器技术形

成新一代无线数据采集系统，自动组网完成数据的数字化采集。无线网络远程采

集有单独构建的无线网和利用移动公司的GSM两种。利用GSM网络通信方式

是依托移动公司的GSM网，它的控制端必须有发短信或打电话功能，传输速度

相对较慢，实时性差。而利用构建的无线网，相比较ＧＳ通信方式，在工厂车间

的局域网范围内，WIFI更合适。

在国外，美国NI是全球数据采集的领跑者，曾推出WIFI与以太网数据采集

设备（DAQ），可以将NI测试硬件（无线数据采集设备）和软件平台（LabView软件）扩展到无线远程监视应用，既不降低性能，又能减少提高灵活性、接线成

本，满足对环境和机器状态监测等应用的需要，以其用于USB、以太网或802.11WIFI的４通道通用测量设备NI9219为例，NI9219测量系统以24位分辨率和100S/s的速率测量４路通用通道，通过USB、以太网或802.11WIFI传输数据

至上位机，它能够测量传感器中的多种信号，如应变计、电阻温度探测器（RTD）、

热电偶、测压元件和其他需要供电的传感器。由于通道接受单独选择，４条通道

可以分别进行不同类型的测量。测量范围随测量类型而异，包括±60V最大电压

范围和±25mA最大电流范围。在国内，深圳信立科技有限公司曾设计一款型

号为XL60智能采集装置，是工业物联网的信号采集节点，能同时采集和输出模

拟量、开关量，有多种无线通讯方式和通信协议可供选择，它的特点主要有：智

能终端(手机、平板)配置参数；模块化设计，最多８个数量的AM、DM、CＭ

模块任意组合；AI带配电、隔离，16位AD转换；配有２路RS485和１路RS232

通讯接口，用于读取现场装置数据；支持全网通NB-IOT（4G）、LTE（4G）、GPRS无线通讯方式，支持MQTT、SOAP、ModbusRTU、XLAN-6-UDP等通信协议；

支持2.4GHz、433MHz无线通讯方式，支持ModbusRTU、XLAN-6-UDP等通信

协议；还支持GNSS（全球导航卫星系统）定位。随着无线技术的发展，未来的

无线数据采集系统将能实现更加复杂的功能，满足不同领域的多种需求。

1.3论文主要研究内容

本文所研宄的是基于WIFI无线网络的车间工业参数管理系统设计与实现，

从结构上看主要有三大部分：（１）下位机无线数据采集器的电路系统实现对工

业参数采集；（２）无线通讯部分，实现数据采集器与上位机之间数据的无线传

输；（３）上位机监测界面设计，实现对各类工业参数的管理功能。具体章节内

容如下：

第一章介绍课题的相关背景与意义，以及国内外研宄现状。

第二章为系统的方案，两个方案对比，选择自己所熟悉和擅长的，做出合理

的系统方案，实现多功能数据采集。

第三章是无线数据采集电路系统的设计与实现，主要内容包括：温度信号测

量模块，是以四线制PT100测温为例；压力信号测量模块，是对压力变送器和

差压变送器输出的数据进行采集；流量测量模块，则是对各类流量计输出的信号

进行采集，其中孔板流量计是结合差压变送器使用；RS485通信接口模块，是对

测量仪表的通信接口连接，方便数据传输；无线模块，实现采集数据格式转换，

将测量信号输出的模拟量和数字量都转换成WIFI中数据传输的字符串格式。

第四章为系统的软件设计与实现，包括上位机和下位机的软件设计。下位机

的软件设计主要包括两部分，一是无线数据采集器单一的温湿度采集系统的程序

设计与实现，二是在单一温湿度采集系统实现功能的基础上扩展的功能，对温度、

压力、流量采集系统的程序设计与实现。这其中就包括各采集模块、数码管显示

模块、校正模块、外部中断按键模块和无线串口模块通过软件编程实现各部分功

能。上位机软件设计部分主要用LABVIEW实现用户实时监测和管理的功能，除

了用户注册登录功能，主要实现的两部分功能，一个是单一的温湿度监测界面，

包括数据当前值和曲线变化图，以及报警显示；另一个是温度、压力、流量监测

界面，还有单独的参数配置界面和历史数据浏览界面，实现更全面的参数管理功

能。

第五章为系统运行成果。包括对下位机硬件电路程序调试、无线网络连接及

配置，上位机用户监测界面程序成功运行等。

第六章对本论文进行总结，指出论文的特点，并为接下来的研宄指明方向。







第２章系统设计

2.1系统设计

本论文系统设计是运用基于ARM Cortex-Ｍ处理器的STM32系列32位

Hash微控制器和美国国家仪器公司（NI）开发的图形化编程语言LABVIEW实

现，WIFI无线模块是利用有人网络科技研制的USR-WIFI２32-Ｔ模块，实现数据

采集器与上位机之间的数据传输。数据采集器软件驱动程序是利用ARM公司开

发的MDK集成开发工具，它有完善的C/C 开发环境。同时可以直接利用

STM32官方固件库来完善项目程序。上位机LabView程序开发有强大的数据处

理能力，它是一个标准的数据采集和仪器控制软件，包含各种工具包和函数库，

能满足GPIO、RS485协议的硬件及数据采集器通讯的功能，还内置了便于运用

TCP/IP软件标准的库函数，网络连接简便，同时提供各种数据分析与处理的应

用模块，更适合无线数据采集系统的开发。

系统结构框图如图２-１所示。

图２-１系统结构框图

本系统中测量的测量物理对象主要包括温度、湿度、压力和流量，一种是用

传感器直接采集，另外一种是采用测量仪表，通过RS485通讯接口采集。数据

采集器实现车间单一温湿度信号采集和车间三大工业检测参数信号采集，通过信

号调理电路将采集的数字量和模拟量输出信号传至单片机，WIFI无线网络模块

连接主芯片USART接口，将统一WIFI格式数据上传至上位机用户操作界面。

上位机监测软件设计主要包括：软件信号调理，如实现PT100测温的正比

例函数关系，热电偶温度补偿等功能；分析及控制，是指对监测模式的选择，测

量参数上下限值设置等；数据存储，是指利用Accsss数据库存储用户信息和采

集数据（数值和时间），实现数据库新建、插入、提取、删除等功能；交互界面，

是指通过人员操作实现所需求的测量要求设置，如测量传感器类型选择等。

下位机负责数据采集，无线网络布置，省去布线的繁琐，也节约成本，同时

在上位机进行数据处理，加快数据传输速度，提高数据的可靠性。实现低功耗、

高速率工业参数采集系统设计，以便于应用在工业控制、手持设备、远程监控等

各领域。

２.2无线通信方式

无线数据采集器与上位机之间的连接桥梁是无线网络通讯技术，随着无线网

络技术的发展，各种无线通信技术应运而生，但是每个都有自己的优缺点，针对

不同类别进行分析如表２-１所示。



表２-１各种无线通信技术性能指标

类别	WIFI	蓝牙	Zigbee	Z-Wave	EnOCean
无线标准	IEEE802.11	XEEE802.15.1	IEEE802.15.4	私有协议	ISO/IEC14543-3-10
工作频率	2.4GHz	2.4GHz	2.4GHz 868MHz915MHz	868MHz 915MHz	868MHz 902MHz 925MHz 315MHz
无电池及维护	电源	充电电池，几天	电池，n月-n年	电池，n月-n年	能量采集
最大传输速率	11-54Mbps	1Mbps	250kbps	9.6/40kbps	125kbps
传输距离	50m	<10m	10~75m	室内30m，室外100m	室内30m，室外300m
功耗	低	中	低	低	超低
互相干扰	较低	较低	中等	低	极低
应用领域	无线局域网	手机耳机	电器远程遥控、医疗设备控制	高端私人住宅	楼宇自动化，工业控制

由上表可得，适合工厂车间远距离传输的有WIFI、Zigbee和EnOCean，除

此之外还有GPRS通信技术。这几个相比较：Zigbee网络功耗较低，且集成度

和可靠性高，应用于大量节点的数据传输领域，但是若由Zigbee网络自动组成

网络，网络中需要一个类似于路由器的集中节点来管理整个网络，这样会增加成

本，且安装复杂，不能被我们的手机直接连接，必须要转接；EnOCean超低功耗

无线通讯，能实现无数据线、无电源线、无电池的通讯系统，但是成本过高，未

来的市场发展空间会很大；GPRS是一种以GSM为基础的数据传输技术，需要

SIM卡，传输速率能提升至56到114Kbps，虽然是远距离无线数据传输的首选，

但是速度比较慢。本文设计的主要是针对三大检测参数的管理和监测，考虑到数据传输速度快和传输距离远，相比较采用WIFI网络更合适，WIFI最大优点就是

传输速度相对较快，能够无需网桥直接接入互联网，而且能够与手机进行通信，

有效距离长，无线电波的覆盖范围广。

２．３本章小结

本章主要介绍：一是利用熟悉的编程工具对车间工业参数的管理系统进行设

计，实现对系统数据采集、处理、显示、存储和历史数据浏览等；二是选择WIFI

作为无线采集器的通信方式，与其他无线通信方式相比较，WIFI无线通信技术

能加快数据的传输速度，还能利用手机实现网络连接与参数配置等，方便快捷。

第３章无线数据采集系统硬件设计与实现

本文中选用意法半导体的STM32系列低功耗处理器来实现无线数据采集器

的多功能采集和无线网络传输等功能，考虑到价格、功耗以及稳定性等因素，选

择了48引脚的STM32F103C8T6作为本系统的中央控制器的处理器。它是基于

Cortex-M3内核的ARM处理器，具有高性能、低成本、低功耗等的优点，工业

现场中主要监测温度、压力、流量三大检测参数，它们存在的输入信号类型有电

阻、电流、电压、脉冲等，还有RS485数字通讯接口传输的信号，系统输出信

号类型为WIFI通信数据。由此，本论文设计的无线数据采集电路系统除了实现

基本的温湿度监测以外，还要实现的功能有：有温度测量、压力测量、流量测量

对应的补偿电路和调理电路，以及设备RS485通信接口的连接电路；有按键模

块、数码管显示模块电路，实现相关参数配置和数据显示等功能；利用WIFI无

线模块实现下位机与上位机的实时数据传输功能。无线数据采集器硬件电路框图

如图３-１所示。

图３-１无线数据采集器硬件电路框图

硬件电路设计主要有单片机主控模块、电源模块、数据采集和处理模块、数

码管显示模块、按键模块和无线模块等。其中单片机模块是控制的核心，对周围

的器件进行控制，可以单独对温湿度传感器采集的数据进行数据校正处理和去除

偏差大的采样值处理；控制数码管显示电路，通过设置连接到单片机芯片上的数

据线SDA、时钟信号线CLK和使能端信号线CS1的高低电平，控制数码管对数

据的显示操作；通过控制按键模块进入数据线性校正和参数配置部分，在

AT24C02上写数据擦除数据的操作也是通过连接到单片机的串行总线控制的；１

对于无线模块，则是通过串口１进行数据传送，nReload和nReset端进行重新加载数据和复位操作。无线数据采集器测量信号主要有电阻信号、电流信号、电压信号、脉冲信号，以及来自设备RS485通信接口传输的模拟量或是数字量。对

此设计的数据处理电路框图如图３-２所示。



图３-２无线数据采集器数据处理电路框图

利用PT100进行测温时，输出的是电阻信号，需要将其接入0.5mA的恒流

源电路中，将电阻转换成电压值（毫伏级），再通过运算放大器进行放大，进入

微处理器处理；Ｋ型热电偶测温，需要考虑温度补偿，本系统中使用桥臂电阻和

计算机修正相结合的方式实现冷端温度补偿，其次热电偶测温输出的电压值最大

是毫伏级，需要接入放大电路处理；对于变送器之类测量的信号常见４~20mA或1~5V标准输入输出，需要进行电压转换，利用电阻分压、减法器和电压跟随器，实现测得电压在0~3.3Ｖ之间；脉冲频率测量是利用光耦合器，电压值大于０时导通，输出正常波形；小于零时不导通，值为０。还有设备进行数据传输时利用RS485接口通信，连接驱动电路，输出接入单片机的串口中。

3.1温度信号测量

测温的传感器有热电偶传感器、热电阻传感器、热敏电阻传感器、集成温度

传感器和数字温度传感器。对于工业现场温度的测量主要运用热电偶和热电阻，

还有温度变送器，其他的温度传感器相对而言测温范围太窄，不适合工业现场测

量。比如热电偶传感器一般用于500℃以上的高温测量，长期使用温度上限可达

1300℃，短期可达1600℃，特殊材料制作的热电偶测温范围在2000℃~3000℃

（钨铼系热电偶），但是需要进行冷端补偿。热电阻温度传感器的正常测温范围

为-200℃~850℃，优点就是测量精度高，无需冷端温度补偿，适合500℃以下的

低温测量。而热敏电阻测温范围在-100~300℃之间，一般适用于彩电消磁、各

种电器设备的过热保护，以及用作温度开关等；集成温度传感器测温范围一般在

-55~150℃之间，并不适合工业现场要求的大的测温范围。

3.1.1热电偶

工业用热电偶测温伩表是将温度信号直接转换成毫伏级电压信号，需要接入

无线数据采集器的信号放大模块，将电压值放大到

3.3Ｖ后才能进入相应采集模

块，不需要供电电源。目前国际上公认的、已经标准化的热电偶型号有Ｓ、Ｒ、

Ｂ、Ｋ、Ｎ、Ｅ、Ｊ、Ｔ，具体特性如表１所示。

表３-１热电偶的分类及其测温范围的不同

￣

热电偶类型	热电偶分度号	热电偶测温范围

根据温度测量范围及精度，选用相应分度号的热电偶，Ｋ型热电偶通常使用

范围在500~1300℃，Ｎ型热电偶在低温-200~400℃下，非线性误差较大，Ｊ型热电偶通常适用范围在０~750℃，Ｔ型热电偶通常在-200~０℃下，使用的稳定性更好。

热电偶传感器测温是利用的热电效应，直接测量的温度，将温度信号转换成

热电动势信号，再通过无线数据采集器将数据上传至上位机中热电偶测温的计算

公式或查表得到温度值。实际环境中，利用热电偶分度表来确定热电动势与温度

之间的关系。正常工作环境下，参考端的温度不为0℃，而热电偶分度表中的热

电势与温度值一一对应的前提是参考端温度为0℃，因此就需要对热电偶进行冷

端补偿，常采用的方法有冰水保温瓶方式（适用于科学实验室中）、计算修正法、

冷端自动补偿方式。冰水保温瓶方式一般用于科学实验室中，现场一般使用电加

热式恒温箱；计算修正法是严格根据中间温度定律进行补偿计算，适用于实验室

中，现场一般使用计算机软件；冷端自动补偿方式是利用不平衡电桥产生不平衡

电压作为补偿信号。本系统中使用冷端补偿电路和计算机修正法实现热电偶温度

补偿，具体方法如下：

（１）采用冷端补偿。冷端自动补偿电路图如下图３-３所示，桥臂电阻札由

电阻温度系数极大的铜丝制成，且选择正温度系数类型的电阻R1、R2、R3为

阻值相等的桥臂平衡电阻。

图３-３热电偶冷端自动补偿电路图

由回路电压定律可得：

ＥＡＢ（Ｔ，T0）＋Ｕcb-Ｕ。＝０（３-１）

随着参考端T0温度的增加，ＥＡＢ（Ｔ，T0）值减小，冷端补偿值增加，最终使U0不随T0的变化而变化，而是关于测量端T的单值函数。

（２）采用计算修正法。首先硬件电路中将热电偶的输出的测量端数值T通

过电压变换和模数转换得到的采样值D1传至微处理器，再使用热电阻测量参考

端温度T0，经过欧姆一电压变换和模数转换得到的采样值传至微处理器，再

利用中间温度定得出，示意图如图３-４所示。

图３-４热电偶中间测温原理图

由上图可得计算公式如下：

ＥＡＢ（Ｔ，0）=ＥＡＢ（Ｔ，T0）＋ＥＡＢ（Ｔ0，0）（３—２）

采样值获得的热电偶产生的热电动势ＥＡＢ（Ｔ，0），采样值D２获得冷端温度T0然后计算出ＥＡＢ（Ｔ，0），再查看计算机中储存的热电偶分度表，便可得到测量端的温度值T0。

热电偶测温输出的电压信号常见的是毫伏级电压值，易受干扰，需要桥臂电

阻进行冷端自动补偿之后，接入放大电路进行放大，再进行数据采集，或者直接通过变送器输出电流信号进行采集，再通过软件设计实现温度补偿。

3.1.2热电阻

热电阻温度传感器是将热电阻的阻值变化通过测量电桥转换成电压（毫伏

级）信号，送入仪表并显示测量温度。热电阻传感器内部三种接线方式有两线制、

三线制和四线制。两线制的线路电阻对测量影响大，用于测温精度不高的场合；

三线制需要利用补偿法来减小线路电阻和接触电阻引起的测量误差；四线制则可

以完全消除引线电阻对测量电阻的影响，用于高精度的温度检测，本系统中利用

四线制PT100测温。

工业中常用的金属测温的热电阻有铂热电阻和铜热电阻，铂热电阻具有稳定

性好、准确度高、性能可靠、测温范围宽等优点，但是需要用保护套管把电阻体

与有害气体隔离；而铜热电阻具有价格便宜，电阻值与温度几乎是线性关系的优

点，但是容易氧化，电阻率小，体积偏大。热电阻一般用于精度要求不高、低温

及没有腐蚀的介质中广泛应用在工业上和实验室中。具体技术性能如下表３-２所示。

表３-２常见热电阻的技术性能



由表中可得，铜电阻测温范围小，而铂电阻测温范围相对比较宽，系统中利

用四线制PT100进行测温，并进行相关计算。铂热电阻的温度特性公式表示如

下：

在-200~０℃之间，有

在０~850℃之间，有

以上两式中：Rt—t℃时的电阻值；

R0——0℃时的电阻值；

A、B、C——常数，对于工业用的铂电阻，A=３.9083Ｘ10-３℃-１，

B＝-５.775Ｘ10–７℃-２，C=-４.183Ｘ10-１２℃-４。

本文中利用四线制PT100测温，PT100是通过测量其电阻值得来，将铂电阻

接入恒流源电流，转换为电压值，在经过差分运放等调理电路输出需要采集的电

压值，接入AD采集通道进行数据传输。恒流源电路是由LM385-1.2（微功耗低

压基准二极管）、S9012（低电压、大电流、小信号的PNP型硅三极管）和一个

运放外加限流电阻（ＲＷ１）构成，PT100允许通过的电流范围是0.3~１mA，本设计为四线制PT100提供约为0.5mA的恒定电流。ＬM385Ａ是微功率二端带隙稳压二极管，运行电流范围是10μＡ到20mA，它具有非常低的动态阻抗（１Ω）良好的温度稳定性。

运算放大器采用德州仪器公司制造的TCL2252Ａ双路运算放大器，比现有

的CMOS运放有更好的输入失调电压和更低的功耗，以及更宽的共模输入电压。

TCL2251Ａ呈现高输入阻抗和低噪声，能很好适用于如电压的小信号输入的高阻

抗源中。具体测量电路图如下图３-５所示。

图３-５四线制PT100测温电路图

电路图中温度传感器PT100为四线制接线方式，r1、r2、r3、r4为PT100的

四个引线电阻，Ｕ3A、Ｕ4A组成电压跟随器，Ｕ6A组成减法器，其中￥＝电

压放大倍数分别为＃，引线电阻ｒｌ不在放大器输入端之内，压降Ｕｒｌ不输入运尺７

算放大器中，引线电阻ｒ４上的压降在经过电压跟随器和减法器之后，消除对输

出电压的影响，r2、r3分别位于Ｕ３Ａ、Ｕ４Ａ的同相输入端，该回路被认为没有电流，r2、r3上就没有压降，就不产生输出电压，从而消除引线误差的影响。

最终电阻信号转变为电压信号，输出送到CPU管脚PBＯ上进行AD模数转换，

然后利用软件发送至串口。由此输出电压值计算公式为：

根据公式３-８进一步得到温度计算公式为：

（３-６）

式中：Ｔ测量温度值，℃；

ＲＰＴ——PT100的电阻值，Ω；

Ｕ0——AD采集的电压值，Ｖ。

3.1.3温度变送器

本论文设计的无线数据采集器适用于两线制的温度变送器，它是以热电偶和

热电阻为基本测温元件，然后将其输出信号送到变送器模块中处理，转换成标准

电信号输出（4~20mA电流信号或１~5V电压信号）或能够以RS485通讯协议方式输出的设备，两线制一般是４~20mA的输出信号类型，利用电阻分压转换成１~5V，再经过减法器、电阻分压和电压跟随器转换成０~3.3Ｖ，另一端接电源正端即可：若是１-5V电压信号输出，则直接同样方法转换成０~3.3Ｖ。具体转换电路如图３-６所示。

图３-６４~20mA至０~3.3Ｖ转换电路图

3.1.4集成温度传感器

集成温度传感器自带信号调理或校准电路，可测量温度模拟量和数字量，具

有高精度、高可靠性的优点，但是就是测温范围比较小，常见的集成温度传感器

具体分类如下表３-３所示。



表３-３常用集成温度传感器的主要技术指标表

由上表可知，集成温度传感器测温范围比较小，相对于热电偶传感器和热电阻传

感器而言，它用在工业现场比较少，本系统中未做分析。

3.1.5数字温度传感器

数字集成温度传感器（也称智能温度传感器），它内部包括温度传感器、

Ａ/Ｄ转换器、存储器（或寄存器）以及接口电路，被测量值以数据的形式输出，

其测量误差小、分辨率高、抗干扰能力强、能远距离传输、带串行总线接口等。

数字温度传感器广泛应用在工厂车间、智能楼宇等各种监测环境中。本文中无线

数据采集器可以实现无线温湿度监测，就是利用广州奥松电子有限公司的

AM2302数字温湿度传感器进行温湿度采集，具有超快响应、抗干扰能力强、性

价比极高、超小体积、超低能耗、信号传输距离远（可达20米以上）等优点。

数据传输采用单总线传输协议，数据交换与控制均有数据线完成，微处理器与传

感器是主从结构，只有当主机呼叫时，传感器才会应答。单总线通信时序如图

３-７所示。

图３-７单总线通信时序图

一次传送４０位数据，高位先出，温湿度分辨率都是16Bit，高位在前，传感器串出的温湿度值都是实际温湿度值的十倍。每次2S的采样周期，每次读取的温湿度数值是上一次测量的结果，欲获取实时数据，需要连续读取两次，实际程序设计中累计5s读取一次传感器数据，多次读取并间隔大于２ｓ可以获得更加准确的数据。

AM2302利用的单总线数据传输，DATA（SDA）接上拉电阻后与微处理器

的I/O端口PB6相连，SCK与PB７相连，测温原理图如图３-８所示。

图３-８AM2302测温原理图

3.2压力信号测量

压力仪信号测量主要采用电气式压力仪表，如压力传感器、压力变送器、差

压变送器等，具有小型化、精确度高、多点动态测量等优点，同时它输出的是电

量，便于直接信号远传，适合与计算机连接组成数据采集系统。除了电气式压力

仪表，其他类型的压力仪表一般都需要附加装置，如记录机构、电气变换装置、

控制元件等，才可以实现压力的记录、远传、自动控制等。本系统主要利用两线

制的压力变送器和差压变送器测量压力信号，它们主要的输出信号类型是

４~20mA。

3.2.1压力变送器

压力变送器是将压力值转换成标准化输出信号的仪表，它的输出信号与压力

值之间呈一定的连续的函数关系。通常情况下，压力和电压或者电流大小是线性

函数关系，公式如下：

（３—７）

式中：ｐ——被测压力值，PA；

i–压力变送器输出电流值，4-20mA；

Ｉmin——标准电流信号输出范围（４~20mA）的下限值４mA；

Ｉmax——标准电流信号输出范围（４~20mA）的上限值20mA；

AP——该压力计测压的上下限之差，PA。

压力变送器输出信号分为电动和气动两大类，电动主要为０~10mA和

4~20mA（或0~5V）的直流电信号；气动则是20~10０kPa的气体压九一般用于

就地测量。常见一般是电动压力变送器，它是以线制4~20mA的电流输出信号类

型为主，具有与抗干扰能力强、传输距离远等优点，安装时传感器与变送器应避

免电磁干扰。

有些压力传感器输出的信号是没有经过处理的，满量程输出一般只有几十毫

伏，就需要对其进行放大处理，与仪表量程的档位相适应，接入微处理器就可以

直接进行测量。单片机AD模数转换器转换范围是０至3.3Ｖ，压力变送器输出

电流范围在４~20mA之间，要转变为０~3.3Ｖ，首先将4~20mA利用分压电阻得

到1~5Ｖ，再利用减法器转变为０~4Ｖ，最后通过分组电压加一个跟随器即可。差压两侧输出值分别接入微处理器的PA７、PA６两侧进行AD模数转换，在通过软件进行差压计算传至微处理器串口端即可。由于变压器所测压力与电流呈一一对应关系，进而可以推出变压器相对应的压力值，具体电路图如图３-６所示。

３.2.2差压变送器

差压变送器是正压端与负压端之间的压力差，通过数据的转换、开方将测量

的压力值转换成４~20mA电流信号输出，若是低压端直接接大气压，则差压变送器可以当压力变送器使用。它有两个接口，测两个口之间的差压，而压力变送器则只有一个接口，测量表压或者绝对压力。差压变送器接线是分别接入CPU管脚Ｐ45和Ｐ46上，然后在软件程序中进行差压计算等处理。

3.3流量信号测量

常见流量计信号输出类型有脉冲信号输出和电流信号输出两类。脉冲信号输

出是三线制，三根线是“24Ｖ＋”（红色线）、“电源（白色线）、“脉冲”

（黄色线），分别接在DC24Ｖ正端与负端，以及二次表脉冲输入端。电流信号

输出是两线制，一正一负，一端接DC24Ｖ正端，一端接二次仪表信号输入端。

流量测量仪表常用的通信接口是有RS485通信接口。

3.3.1孔板流量计

差压类节流装置流量传感器的测量原理是，当Ｉ处流体经过管道内的节流件

后局部收缩，II处流速增加，静压力降低，由此形成压差。压差大小主要与流量、

节流装置形式（如孔板、Ｖ形锥等）、管道内流体的密度和黏度等相关，原理图

如下图３-９所示。

图３-９节流差压式流量计测量原理图

若被测流体为不可压缩的理想流体，经过节流件时，不对外做功，本身也没

有任何变化，可以根据流体连续性方程和伯努利方程推出Ｉ-Ｉ和ＩＩ-ＩＩ处的压差，具体体积流量方程为：

（３-８）

式中：C一流出系数，实际应用中变化不大；

ε可膨胀性系数（测液体时ε＝１），实际应用中变化不大；

S0一一节流件开孔截面积（ｍ２）S0＝πＸｄ2/４；β=ｄ/D）为节流件直径比；

Ｄ管道直径（ｍｍ）；

ｄ节流件开孔直径（ｍｍ）；

Ｋ——流量装置的仪表系数；

ρ被测流体在Ｉ-Ｉ处的密度（ｋｇ/m3）；

AP——节流装置输出的差压（PA）。

差压类节流装置流量传感器以孔板流量计为例，孔板流量传感器是由差压变

送器和标准孔板等组合而成，ΔＰ主要用差压变送器来测量，差压变送器输出为

4~20mA，信号处理过程如图３-６所示，处理后的电压值在经过软件计算得到相

应的电流值，由公式３-８所得，流量计算中节流装置输出的差压需要开方计算，

压力值与电流是一一对应关系，由此差压变送器的电流输出也需要开方计算，流

量计与电流的关系公式如下：

（３-９）

式中：QV——当前被测流量值，M3/ｈ；

ＱＶｍｉｎ流量计量程下限值，M3/ｈ；

ＱVmax流量计量程上限值，M3/ｈ；

ｉ一一差压变送器当前输出电流值，mA；

Ｉmin一一标准电流信号输出范围（4~20mA）的下限值４mA；

Ｉmax标准电流信号输出范围（4~20mA）的上限值20mA；

3.3.2电磁流量计

电磁流量计只能用于测量导电液体体积流量，原理图如图３-10所示。

图３-10电磁流量计原理图

根据法拉利电磁感应定律，导电性液体垂直于磁场做切割磁力线运动时，在

其两端会产生感应电动势，公式如下：

Ｅ＝ＢＤｖ （３-10）

式中，Ｅ——感应电动势（Ｖ）；

Ｂ——磁感应强度（Ｔ）；

Ｄ——测量管内径（ｍ）；

ｖ平均流速（ｍ/ｓ）；

液体的体积流量为：

（３-１１）＇

由上式可知，在测量管内径和磁感应强度不变的情况下，液体流量与感应电

动势呈一一对应的线性关系，不受流体密度、黏度、温度、压力和电导率影响。

在正常情况下，电磁流量计输出电流信号为４~20mA或０~10mA，流量与电流输

出呈线性关系，公式如下：

（３-１２）

式中：ＱV当前被测流量值，M3/ｈ；

Ｑｖｍｉｎ流量计量程下限值，M3/ｈ；

Ｑｖmax流量计量程上限值，M3/ｈ；

ｉ一一差压变送器当前输出电流值，mA；

Ｉｍｉｎ电流信号输出范围的下限值，mA；

Ｉmax电流信号输出范围的上限值，mA；

3.3.3涡街流量计

涡街流量计（也称旋涡流量计），是在特定流动条件下，根据卡门涡街原理，

将流体动能转化为流体旋转、产生旋涡或震动，其频率与流量有确定的比例关系。

原理图如下图３-１１所示。

图３-１１涡街流量计原理图

卡门涡街稳定条件是指涡街两侧旋涡之间的距离h，单列两旋涡之间的距离

L，它两者之间需要满足如下式：

（３-１３）（３-１４）

在一定的雷诺尔数Ｒｅ范围内，稳定的卡门涡街及旋转脱落频率与流体流量

成正比，具体管道内体积流量为：

（３-１５）

式中：QV体积流量（M3/ｓ）；

f——旋涡的发生频率（Hz）；

Ｋ-流量计的仪表系数（脉冲数/M3）；

Ｄ-表体通经（ｍ）；

ｍ一旋涡发生体两侧弓形面积与管道横截面面积之比；

ｄ—旋涡发生体迎面宽度（ｍ）；

Ｓｒ-斯特劳哈尔数；

仪表系数在一定的雷诺数范围内，涡街流量计输出的脉冲频率信号，仅与旋

涡发生体及管道的形状尺寸等有关。

流量检测量要的就是频率或者脉冲信号检测，常见的流量计大多是以三线制

为主，本论文中无线数据采集器就可以实现对三线制流量计的频率或脉冲信号采

集，输入为方波涡街流量信号，输出送到CPU管脚上，利用其输入捕获模式进

行频率和周期的计算。电路图设计如图３-１２所示。

图３-１２频率/脉冲信号检测电路

３.４通信方案

采集智能仪表通常是采用通信接口采集仪表数据，采集器采集的数据上传是

采用WIFI与计算机通讯。本系统中主要利用的串行通信接口有RS485、I２C。工

业现场设备常见的通信接口就是RS485，RS232传输距离有限，实际距离也就

25米左右，数据的传输速率还低，最高波特率也就19200bps，而RS485实际传

输距离能达到3000米，而且数据最高传输速度能达到10Mbps。I２C通信接口是

用在温湿度传感器与临时存储器之间的数据传输过程。

3.4.1RS485通信接口

工业现场参数测量设备常采用RS485通信接口进行数字通讯信号的传输，

为了满足这一要求，设计该通信模块，采用MAX3485与RS485通信的低功耗收

发器，设备的数据通过RS485接口连接至采集器的某一串□，然后通过软件编

程传至WIFI模块，最终上传到上位机进行处理、显示和存储等。电路图设计如

图３-１３所不。

图３-１３RS485通信接口电路图

3.4.2 I２C通信接口

Ｉ２C通信接口主要用于温湿度采集过程中传送数据，它是两线式串行总线，

由串行数据线（SDA）和串行时钟（SCL）构成的串行总线，能接收和发送数据，

I2C总线数据传输的高速度在400Kbps以上，但是它需要有双向IO支持，而且要

是用上拉电阻，抗干扰能力较弱，如同AT24C02电路设计。STM32F103C8T6

自带Ｉ２C接口与AT24C02相连接，有二线串行接口进行双向数据传输，串行数

据线SDA连接单片机的PB８引脚，串行时钟线SCL连接单片机的PB９引脚。

在SDA引脚和SCL引脚各连接一个电阻，Ａ０~Ａ２地址线和GND地线都接地，

为了对AT24C02进行读/写操作，对ＷＰ引脚也接地。电源引脚经过一个电容再

接地即可，如下图３-１４所示。

图３-１４PC通信接口电路图

Ｉ２C总线则属于内部总线。它是一种双向的两线制串行总线，采用同步通信

的方式。具有通信速率高、接线少、操作简单的优点。Ｉ２C接口支持７位或10

位寻址，可以使用DMA操作并支持ＳＭBus总线2.0版或者ＰＭBus总线。I2C

总线的时序图包含开始、应答和停止三种类型信号。时序图见下图３-15所示。

图３-１５Ｉ２C总线通信时序图

当SCL为高电平时，SDA由高电平跳变到低电平，表示开始传送数据；当

SCL为高电平时，SDA由低电平跳变到高电平，表示结束传送数据；接收数据

的PC在接收到８Bit数据后，向发送数据的Ｉ２C发出特定的低电平脉冲，表示己接收到数据。CPU向受控单元发出一个信号，等待受控单元发出应答信号，CPU

接收到应答信号后，根据实际情况对是否继续传递信号做出判断。

3.4.3无线网络通信

无线网络通信框架如图３-16所示，每个无线数据采集器都自带一个WIFI无

线模块，模块作为TCP server，手机或电脑作为TCP Client连接到TCP server，

一段时间左右，TCP连接会断开，出现不稳定的现象，由此可以将WIFI模块连

接到无线路由器中统一管理，实现数据快速稳定上传。



图３-16网络通信框架

3.5本章小结

本章主要介绍数据采集器系统硬件设计与实现，单一的温湿度信号检测系统

中，是利用AM2302数字温湿度传感器实现的；而在三大检测信号系统中，测

量温度信号使用四线制PT100，测量电阻信号。测量压力信号是利用压力变送器

测一端压力值即可；测量流量信号利用涡街流量计实现，测量的脉冲信号频率。

无线数据采集器通过USR-WIFI２32-ＴWIFI模块进行上下位机通信，实现将下位

机采集的信号数据格式统一转换成ＷｉＨ数据格式，传入上位机处理。

第４章系统软件设计与实现

系统软件设计包括上位机监测界面设计和下位机软件驱动程序设计。下位机

软件驱动程序设计是基于STM32Ｆ10３C微处理器和KeiluVision４软件为开发平

台的C语言编程，实现不同传感器或仪表之间的数据采集与同步上传；上位机

软件设计利用NI的LABVIEW图形化编程软件实现用户监测界面设计，完成数

据的读取、显示、处理及保存。其系统框图如下图４-１所示。

图４-１系统软件设计框图

车间工业参数管理系统主要涵盖三部分内容：数据采集处理和数据显示及存

储。其中数据采集处理主要包括：一是下位机中AD采集、按键中断、串口通信、

GPIO配置、数码管显示等程序设计，还包括单独温湿度监测中温湿度校正程序

设计；二是上位机中进行的温湿度显示与报警以及三大检测参数数据处理程序设

计，三大参数数据处理是指将网络传输的原始数据先排除随机误差的影响，再进

行对应的计算公式或是分度表得到参数值，将其分组管理与实时显示，同时有报

警显示。数据存储中包括用户登录信息、热电阻PT100分度表、Ｋ型热电偶分

度表，便于根据电阻值查找对应温度值，还可以将存储在数据库中数据进行编辑

和查看，并用曲线显示值变化。

4.1硬件驱动程序

本文硬件驱动程序设计主要包括AD采集模块、按键中断模块、数据存储模

块、RS485通信模块、WIFI模块等，在设计软件时为了保证数据读取的时效性，

必须采用软件实现抗干扰，部分采集数据写入存储器，还有WIFI模块字节传输

时间间隔设置等功能。为了无线数据采集器的多功能数据采集和无线传输的功

能，系统硬件驱动程序设计图如图４-２所示。

图４-２系统硬件驱动程序设计流程图

首先是系统初始化，采集器正常启动，默认的是进入单一温湿度检测模式，

可以设置温湿度上下限值和校正参数，设置完成后可以进行数据显示与上传；若

是选择三大参数检测模式，即温度、压力、流量监测模式，需要判断输入信号类

型，并进行相应的通道设置，然后对测量的参数进行量程设置，具体设置如图

４-３所示，上电后所有模块复位，默认的是温湿度监测，将“Ｓ”按键长按３s来可以更改监测模式，通过>、<按键切换工作模式，模式１是温湿度监

测，模式２是三大检测参数监测，单击“Ｓ”保存后才可以进入下一步参数上下

限值设置，“＜”、“＞”按键切换参数类型，“ ,-”按键改变上下限值大

小，设置完成后要点击保存。模式２还需要针对不同类型的参数进行数据传输方

式和输出信号类型的选择，利用>、<按键进行切换，正常工作情况下

默认的是传感器与无线采集器“GPIO”模式，可以更改为“RS485”通信接口模

式，并对其参数配置，如波特率等，保存后再通过“＜”、“＞”按键进行输出

信号类型切换，Ａ代表模拟信号类型，Ｂ代表数字量信号类型。

图４-３无线数据采集器参数配置流程图

4.1.1温湿度采集模块

有些工厂车间工业参数测量相对单一，例如纺织厂，只需要进行单一的温湿

度测量，温度测量范围相对比较小，精度要求不高，为满足类似环境，本文中无

线数据采集器设计了单独的温湿度测量模块，利用AM2302数字温度传感器来

实现对温湿度的采集，AM2302是单总线通信方式，有四个引脚，分别是ＶＤＤ、

SDA、ＮC和GND。AM2302上电后需要先等待２ｓ缓冲不稳定状态，且设备不

发送任何指令。然后测试环境温湿度，并记录温湿度值。AM2302的SDA数据

线接的上拉电阻保持高电平状态，处于输入状态，时刻检测外部信号。微处理器

的I/O初始设置输出低电平，保持拉低ｌms，然后设置为输入状态，释放总线，

AM2302发送响应信号（８０us低电平），接着输出８０us的高电平通知外设接收

数据。由数据总线SDA连续串行输出４０位数据，微处理器根据I/O电平变化接

收40位数据，输出低电平50us转为输入状态。处理器与传感器之间的单总线通









信数据读取的流程图如图４-４示。

图４-４单总线数据读取流程图

关于校正参数的设置，特别进行说明。校正计算公式为：

Ｙ=（1士aｘ0.001）Xｘ土bｘ0.1（４-１）

其中ｙ为校正后的显示值，ｘ为传感器读取值，ａ为上排数码管的右三位的

读取值，ｂ为下排数码管的右三位的读取值；数码管两排的第一位表示参数的正

负，“０”表示正，“１”表示负。例如当前显示温度为25.3℃，湿度为42.7％RH，欲校正为温度值为26.8℃，湿度值为40.4％ＲＨ；则温湿度的ａ值都为０,ｂ值分别为1.5，2.5，并且温度的ｂ值为正，湿度的ｂ值为负。

温湿度传感器读取数据先经过临时存储器AT24C02临时存储，再进行串口

至WIFI的传输。AT24C02有两个引脚接入单片机，分别是串行时钟信号SCL和

串行数据输入/输出SDA。初始化过程、启动信号、停止信号和回应信号的操作

都是通过改变这两端电平的高低实现的。还通过按键中断实现对温湿度值校正，

利用switch语句设置校验指定位的数值大小。



4.1.2三大参数采集模块

三大参数检测程序中，首先就需要通过按键中断选择对应参数的信号类型，

不同信号类型数据处理的流程不同，比如模拟信号接入AD通道，还有一些数据

处理的软件设计。脉冲数字信号测量运用定时器输入捕获。脉冲频率测量流程图

设计如图４-５所示。

图４-５脉冲频率测量流程图

本文中孔板流量计是结合差压变送器进行测量，电流输出要开方计算，而电

磁流量计的流量与电流呈线性关系，涡街流量计通过测量方波频率来计算流量

值，在小流量时，脉冲频率低，直接采集会有很大误差，采用间接测量方法，即

通过测量相邻脉冲之间的周期来计算频率，但在脉冲频率段大于75Hz时，采用

直接测量方法更好。

STM32的系统初始化程序主要包括配置系统时钟、TIM2工作模式和计数器

时钟频率，设置USATT１、USART２的传输模式、波特率和DMA通道目标地址

与源地址、传输方向等进行设置。利用STM32的定时器TIM２的PWM输入捕

获模式对频率或脉冲信号进行采集，设置通道１边沿检测（IC１）为上升沿捕获，

TIM2_CNT为计数器的值，等一个上升沿出现，IC１进行捕获。IC１的捕获值映

射到TIM2_CCＲ１寄存器（16Bit）中，读取计数值，等待下一次捕获。测量低频

信号时对ＴＭ的时钟进行分频处理，计数完成后再倍频。数码管显示子程序主

要是进行数码管驱动程序编写，在主程序中调用数码管的显示函数即可。无线

WIFI通信子程序实现数据向上位机传输功能，通过STM32的DMA控制器实现

数据直接传输至USART１的数据寄存器中进行数据发送。

4.1.3串口与WIFI通信模块

在软件设计中，串口到网络之间的流程图如下图４-６所示，要对WIFI接收

的最大字节数进行设置，然后是对GPIO端口、串口接收端和串口发送端的设置。

图４-６主芯片串口与WIFI之间通信流程图

对WIFI模块串口初始化设置中，波特率设置为115200，速率为10k/s左右，

字长为八位，一个停止位，无奇偶校验位，无硬件数据流控制，模式为收发模式。

初始化结束后再进行接收中断配置，最后进入串口中断服务子程序。实现串口到

WIFI数据包的双向透明转发，模块内部完成协议转换，串口一侧串口数据透明

传输，WIFI网络一侧是TCP/IP数据包，可通过模块内部的网页或者串口使用

AT指令进行，一次设置永久保存。串口到网络之间发送数据的流向是:下位机

主芯片串口-＞USR-WIFI-Ｔ模块串口-＞模块WIFI-＞计算机网络；网络到串口的数据流向则正好相反。

UART成帧机制分UART自由组帧模式和UART自动成帧模式这两种。

UART自由组帧模式是指，模块在接收UART过来的数据时，会不断的检查相邻

２个字节的间隔时间。如果间隔时间大于某一值，则认为一帧结束，否则一直接

收数据直到大于1000字节。模块判断串口上一帧结束后，转发到WIFI接口。默

认的２个字节间隔时间为250ms，即间嗝时间大于250ms时，一帧结束。UART

自动成帧模式是，串口上数据帧是定长的，通过开启UART自动成帧功能

（enable），设置自动成帧触发时间（time）及触发桢长（len），自动成帧的触

发时间取值范围为25~10000ms，自动成帧触发长度在８~1000Byte。模块会把串

口上收到的数据自动组成帧，转发到网络上，达到最高的转发效率。自动成帧功

能示意图如下图４-７所示。

图４-７WIFI模块自动成帧功能示意图

该WIFI模块没有数据传输量的限制，可以一直传输，但是因为串口和网络

数据传输速度不一样，可能会出现数据拥堵现象，导致丢包，数据缓冲buffer

是1Ｋ，所以一次性发送的数据不超过１Ｋ。

本论文中对于无线数据采集器要采集的参数类别不确定是几个，有可能是单

独测温度、压力或者流量，也有可能是其中的两个或者三个都参量，因此对于

UART成帧机制利用的是UART自由组帧模式。串口波特率设置为115200bps，

每ｉ个信号的参数值都固定设置大小为８个字节，当三个信号同时被采集时，则

最多传输24个字节为一顿，采集一次耗时约为0.2ms，由此设置延时为250ms。



4.2上位机监测程序

LABVIEW软件采用图形化编程语言，应用范围广、功能非常强大。相对于

C /C语言、Java、VB语言而言，LABVIEW软件的编写不需要编写复杂繁琐

的代码，对于编程人员的要求相对较低，而是用简单直观的图形化方式实现了复

杂的功能，大大缩短了开发周期，上位机软件设计总流程图如图４-８所示。

＾

图４-８上位机软件设计总流程图

上位机实现功能设计：在LABVIEW编程环境中实现TCP通信、各类仪表属

性配置、理论计算与查表、上下限值报警等，将各种参数进行分类管理，实现数

据处理和保存，保证结果准确度，同时将数据保存至数据库，方便历史数据查看

等。程序启动开始，进入系统登录界面，新用户首先需要注册用户信息才能登陆

成功，然后选择监测模式，一种是单独温湿度监测，另一种是三大检测参数监测，

即温度、压力、流量。温湿度监测量接进入监测界面，下位机程序设计中已经进

行过数据处理，网络连接成功后，传输的就是温湿度值，无需二次处理，而三大

检测参数监测在下位机只是进行简单模数转换等数据传输，需要在上位机进行数

据处理，需要在连接网络之前进行参数配置，选择测量仪表类型，输入对应上下

限值等，保存成功后才能进入连网环节，将传输的原始数据进行随机误差处理后，

通过事件结构将数据进行相应的计算或是查表得到温度值、压力值、流量值，并

进入报警显示程序，若是数据超出正常范围，则将数据颜色进行红色显示，然后

将数据进行保存，当要查看某一设备的历史参数时，只需要点击该设备即可进入

历史数据查看界面，可以选择数据库中某一段时间的数据，进行表格和曲线显示。

4.2.1网络连接

上位机作为客户端，根据下位机WIFI模块的IP地址和端口号发出连接请求，

等待二者建立连接。TCP通信是以字节流数据包的方式接收数据，数据包既可以

是固定长度也可以是变长。WIFI模块与上位机通信时，WIFI模块设置为TCP

server，则上位机以TCP Client连接WIFI模块的IP地址和端口。网络连接运行

的软件程序设计图如下图４-９所示。

图４-９上位机网络连接程序设计图

每个ＷｉＨ模块都有一个IP地址，端口号都是一样的，进行TCP协议的数

据通信。打开TCP协议，写入“READ”指令，设置读取的字节数进行数据读取，

最后输出传输的数据（数据是字符串的格式），在进行相关误差计算时利用“分

数/指数字符串至数值转换”控件将字符串转换成所需要的数值。

4.2.2数据处理

设计中TCP通信传输的是字符串数据，将字符串进行截取，分别放入温度

初始值、压力初始值、流量初始值三个数据中，这三类初始值是指下位机上传的

原始数据，如电压值、电流值或是频率值等未经过公式计算的原始数据，要得到

实际的温度值、压力值和流量值就需要相应的公式计算或者分度表查询。根据参

数设置界面的温度、压力、流量三大参数输出信号类型和测量仪表类型来选择计

算公式或分度表，利用事件结构进行选择，然后将数据进行取平均、粗大误差剔

除与替换等操作，削弱随机误差的影响，最后实时显示在监测界面，并将数据保

存于Accsss数据库中，便于历史数据查看。数据处理的流程图如图４-10所示。



图４-10数据处理流程图

测量范围是进行上位机参数相关设置，如湿度测量时有温度限制。下位机硬

件驱动中己经实现对温湿度的数据校正处理，只需通过WIFI上传至上位机显示、

存储即可。同时增添了一个上下限报警提醒。当某一块表出现问题，它对应编号

的表就会发出对应蜂鸣警报的次数以及按钮闪烁。

本系统数据处理的误差分析是在上位机利用LABVIEW编程软件实现的，对

采集数据中存在的明显不正确的数据利用粗大误差剔除法进行查找和替换，进而

既提高准确度又消除错误数据的影响。将采集到的各类参数分组并数据格式转换

后，对可疑数据剔除并替换，根据拉伊达准则，当测量值残余误差的绝对值大于

极限误差（３δ）时，应将其剔除，并用该数据前一个数据元素替换。标准偏差公式为：

（４-２）

数据处理的程序设计是将1ｓ内采集的数据进行累加求和，再进行算术平均

计算，然后对单个数据进行粗大误差处理，用前一个准确的数据进行替换，将处

理完的数据再次求平均得到最终值。

4.3本章小结

本章主要介绍系统无线数据采集器的硬件驱动程序设计和上位机用户监测＇

程序设计，下位机实现温度压力流量数据同步采集，有模拟量AD采集，数字量

定时器输入捕获，RS485通信接口连接采集，串口进行读取并发送，通过WIFI

模块同步上传至上位机进行数据处理、显示及保存。







第５章系统运行成果

5.1电路调试

图５-１无线数据采集器成果图

无线数据采集器成果图如图５-１所示，具体调试内容如下：

（１）硬件电路驱动程序代码的烧写是利用STM32ST-LINK Utility软件工具

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

码，同时实现对代码加密，类似J-LINK对应工具的功能。

（２）将硬件电路通过CP2102USB转UART模块接入计算机USB端口，

打开串口调试助手软件，进行相应串口设置，串口波特率是115200bps/ｓ，数据位是８位，校验位是None，停止位是１，流控是None。点击开始运行，进行数据传输。驱动安装注意COM端口号：COM１，防止与电脑本身虛拟串口重名。

（３）进行硬件电路板子检查，一、电源部分电路设计问题是外部供电电源

线与四个二极管组成的桥式电路的连接位置错误，外部电源线应接在桥式电路对

角线，且分别位于两个同向二极管之间；二、PT100测温模块绘制的供电＋5V的电路图中的标识与电源模块5V标识不统一，导致供电失败，应将其统一为5V

标识；三、PT100测温模块恒流源电路中PNP型9012三极管集电极与发射极引

脚位置接反，互换即可。误差存在一方面是真实值与标称阻值之间有误差，电阻

在标称阻值的同时还会标出它的误差范围，贴片电阻统一是１％误差范围。

（４）四线制PT100接线电路调试。实验利用10０Ω和200Ω模拟PT100铂

电阻阻值变化，进行电路调试，根据图３-４得出的理论计算公式与实际测得值比较得出串口采集的AD电压值与理论值有一定的误差，出现问题在于TCL2252

运算放大器芯片的供给电压是5V，最大输出电压值约为3.8V，然后放大倍数调

整为２倍，则测得PT100的温度范围最大２20℃，对应电压值2.2Ｖ左右，即电

路输出电压在０~３Ｖ左右，可能导致数据丢失。

（５）本设计利用实验室的活塞式压力真空计，表头接压力变送器，输出信

号类型为４~20mA电流信号，供电电源为24ＶＤC，量程范围为０~６00kPa，最大量程1MPa。由于实验室设备用时已久，测量误差相对而言比较大。

（６）进行仪表的安装时，会出现WIFI模块信号数据上传中断，WIFI复位

程序存在漏洞，分析的是硬件程序数码管驱动初始化程序（dis.c中max7219

_init（void）函数）（exti_key_init.C中key_scan()）存在漏洞。在对采集器

联网设置时，会出现重合，两个或多个设备之间相互影响，导致人员分不清楚仪

表所对应的编号，在路由器对仪表IP地址进行分配，并做标记。

5.2通信连接

无线数据采集器上WIFI模块配置模式为STA，即无线站点，是一个无线网

络终端，多个无线终端通过无线路由器相互连接，以单个路由器为一个车间的无

线网络中心，组成一个车间的无线网络环境。

5.2.１路由器配置

本设计中首先是将乐光A330路由器通电，有两个无线通道，WirelessAPI

和WirelessAP２，登入路由器网页界面，无线路由器插入电源适配器通电即可，

计算机连接无线WirelessAPI，输入无线密码：666666666，完成连接，进行属性

设置：Internet协议版本４属性设置使用以下IP地址即：192.168.188.10０，子网掩码：255.255.255.０，点击确定。可使用IE浏览器访问：http://192.168.188.253.弹出登录画面，默认登录用户名：admin，密码admin。进行AP模式（默认）设

置，点击无线覆盖，再点击应用。将无线模块IP地址接入WirelessAP２通道，

修改局域网IP地址：点击高级设置＞网络设置＞局域网设置，IP地址静态设置，开启DHCP服务器设置，添加局域网（IP/MAC）地址，即静态绑定。实现

每个仪表都对应一个IP地址，运行结果中两个温湿度监测仪表的IP地址分别设

置为192.168.188.４和192.168.188.５。设置界面如图５-３所示。

图５-３无线数据釆集器WIFI模块IP地址设置

5.2.2WIFI模块配置

对USR-WIFI２32-Ｔ模块的参数设定可以通过网页配置和串口配置两种。本

系统采用网页配置的方式。第一次使用该模块时，需要对其进行一些配置，如对

串口采集的波特率、字长、停止位、奇偶检验位的设置，组网方式为STA方式

的设置，连接路由器的设置等。给该模块上电后，首先打开电脑或手机的无线网，

搜索到该芯片USR-WIFI２32-Ｔ并连接，连接成功后在IE浏览器地址栏输入

http://10.10.100.254讲入设置页面。

一共有快速设置、系统信息、STA设置、AP设置、网络设置、串口设置、

账号管理、软件升级、重启和恢复出厂十个页面管理。本系统首先是快速设置中

搜索需要连接的路由器WirelessAP２，然后进入“STA设置”、“串口设置”和

“网络设置”三个管理页面进行相关设置。网页打开如下图５-４所示。

＇

图５-４WIFI模块配置界面

５.３运行成果

5.3.1登录界面

初次登录系统，登录界面如图５-５所示。首先需要注册用户信息，若是没有

注册过的用户信息，点击登录会出现一个对话框显示“信息输入错误，请重新登

录”，用户信息注册主要包括：姓名、性别、年龄、职称、联系方式等，重新输

入个人信息，用户名是指姓名，密码是指联系方式，登陆成功会出现“选择监测

界面”复选框，选择需要查看的监测界面，一个是温湿度监测界面，一个是三大

检测参数监测界面，选中某一个就会进入相应的监测程序中，如图５-６所示。

图５-５用户登录界面

图５-６用户登陆成功检测界面选择

５.3.2数据监测成果

（１）单一温湿度监测所实现的操作界面如图５-７所示，左侧显示的是实时

温湿度值，参与测试的表３和表４分别显示实时温湿度值，表3为21.7℃、47.3％，表4为21.8℃、47.0％。点击该表编号即可进入该表历史数据查看等功能。中间

是实时温湿度值随时间变化得曲线图，右侧可以设置温湿度上下限阈值，利用报

警指示灯进行报警显示，程序中还实现带有蜂鸣声报瞥提醒功能。

图５-７温湿度监测界面

（２）三大参数监测跟温湿度监测不同地方在于它需要进行参数配置，如图

５-９所示,以便于满足不同类型传感器测量需求，比如温度测量有热电偶、热电

阻以及由它俩单独组成的温度变送器，它们都有自己的电阻一温度分度表，一一

对应得出相应温度值，直接查表即可；压力测量就是电流一压强分度表；而流量

计则相对比较复杂，不同类型的流量计需要考虑的影响参数不同，孔板流量计需

要压力值和Ｋ值，由电流值得到压力值，Ｋ值可以通过流量计Ｋ值表查询，在

经过相关计算公式得到流量值，电磁流量计需要考虑磁感应强度、测量管内径Ｋ

值等。首先设置温度信号测量选用四线制PT100测温，温度上下限值设置为

-200~850℃，压力信号测量是选用压力变送器，电流输出默认为4~20mA，量程

上下限范围为０~６00kPa，；流量信号测量采用祸街流量计，输出１MHz频率的

脉冲信号，量程上下限值范围为０~500M3/ｈ,Ｋ值默认为８00０脉冲/m3。

图５-８参数设置界面

温度、压力、流量监测界面如图５-９所示，界面左上角可以选择所需要查看

的车间号，右上角显示当前时间，每个车间默认的是设置10个无线数据采集器，

可以根据现场设备的需要进行増减。可以同时显示温度、压强、流量，也可以单

独显示，互不影响。监测结果如图５-９所示，表１显示温度值为25.0℃，压力值为0.225MPa，流量值为125.0M3/ｈ。

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图５-９三大检测参数监测界面

历史数据浏览界面如图５-10所示，设置需要查看的时间段，仪表号，点击

开始查询按钮，即可在界面左侧的表格中显示该时间段内存储的数据，并且界面

右侧的波形图默认显示的是该时间段内温度值随时间的曲线变化图，同时在下拉

列表中切换压强或者流量参数类型，观察其值随时间的曲线变化图。点击“退出，

回主页”按钮，可以返回到图５-９所示的监测界面。

图５-10历史数据浏览界面

5.4本章小结

本章主要介绍系统调试与成果结果，调试中会遇到各种问题，通过检查原理

图、查阅资料、程序调试等解决问题；成果展示包涵用户登录界面显示、参数配

置、数据监测界面显示和历史数据浏览等。

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第６章总结与展望

6.1总结

本次课题实现基于WIFI无线网络的车间工业参数管理系统设计，解决了传

统的传统采集系统不足之处，利用WIFI无线网络技术实现车间无布线操作，检

修便捷，同时可以对多个设备数据同步监测。本系统设计采用模块化的思想，设

计原理简单、操作方便、功耗低、性价比高，实用性强。本文完成的主要工作如

下：

（１）使用Altium Designer10软件完成了下位机的硬件电路的原理图设计

和PCＢ封装图的设计。原理图设计中包括STM32的最小系统模块、单一温湿度

采集模块、三大检测参数采集模块、数码管显示模块、无线模块、按键模块。数

据采集器实物图如图６-１所示。

图６-１无线数据采集器实物图

（２）运用LABVIEW编程语言完成了上位机监测界面的设计。监测界面简

单清晰，对数据的显示有多种表现形式，添加的超值报警功能可以更好的对系统

进行监测。还实现了对历史数据的保存，方便随时查看。

（３）完成了通信部分的设置，利用WIFI无线网络，成功实现下位机和上位

机的连接，加快数据远距离传输速度。

６.２展望

由于本论文完成时间仓促，个人能力有限和实验条件限制，整个系统实现基

本的参数管理功能，建立了一个整体框架，便以后模块扩展，经过实际调试与理

论分析，还有很大改善空间，具体如下：

（１）本设计采用的主芯片只有两路AD转换器，同时还缺少ＤＡ数模转换

模块，需要设计相应AD/ＤＡ扩展板；只设计了一路RS485通讯接口，对于三大

参数监测可能同时需要RS485接口就会不足，所以需要无线数据采集器的电路

板还需要进一步改进，以便于满足更多通道信号采集需求。硬件电路设计只是实

现基本的数据采集和传输功能，其中的隔离和保护的防千扰电路设计有待进一步

完善。采集器设计中还可以加入ＧＰＳ定位，确定无线数据采集器位于车间的具

体位置，实现更加有效的监测和管理。

（２）上位机中程序功能设计比较简单，实现误差处理、数据显示和保存，

对于无线数据采集器测量参数的误差分析有待完善，以便测量结果更加准确。

（３）本设计测试环境利用实验室现有设备搭建的，并进行简单的测试，与

实际工业现场有一定差距，系统的干扰会更复杂，具体测试结果不太明确。在以

后的研宄工作中需要进一步拓展采集器功能，提高精度、可靠性和稳，定度等，以更好地适应工厂车间工业参数采集多样化的需求。