云南师范大学商学院 施媛波

针对现有工业数据采集的交互性和可靠性差的问题，提出一种嵌入式实时数据采集和控制系统，并完成系统的软硬件实现。该系统以基于ARM11框架的Raspberry Pi为核心，将Web服务器应用程序移植到嵌入式ARM处理器中，利用基于ARM的嵌入式Web服务器开发在线交互式数据采集与控制系统。传感器采集的数据通过嵌入式Web服务器上传，远程客户端通过网络访问得到采集的数据，当数值超出预警值则启动继电器进行控制。测试结果表明，当系统服务器的接收到任何请求时，从传感器采集的数据会以网页的形式显示，说明了设计实现的嵌入式实时数据采集和控制系统的可行性与有效性。

在工业测量和控制领域，获得大量的实时现场参数是很有必要的。由于环境的复杂性，数据采集系统大多由工业计算机完成，但是工业计算机具有体积大、功耗大、可靠性差和安装不方便等问题。另外有专用的、可独立工作的数据采集系统，使用数字信号处理器和微控制器来完成，缺点是价格高，人机交互性差。

嵌入式处理器的快速发展有效地弥补了工业个人计算机（Industrial Personal Computer，IPC）的不足，尤其是ARM处理器，它不仅结合了其他采集系统的优点，克服了它的缺点，增加了一些新功能，进一步扩展其应用领域和适用范围，针对不同需求，具有极大的灵活性。ARM处理器通常是SOC芯片，相比传统控制器具有大量的片上外设和更强大的性能。目前已经有研究者对嵌入式数据采集系统进行了研究。

本文针对现有数据采集系统的问题，提出一种基于ARM11框架的Raspberry Pi的嵌入式实时数据采集和控制系统，远程客户端用户通过网络访问嵌入式Web服务器，从网页上得到传感器采集的数据，当数据超出预警值以后启动继电器进行控制。

1 系统硬件设计

1.1 Raspberry Pi

Raspberry Pi是一种嵌入式卡片电脑，由Raspberry Pi基金会在英国开发出来的，其主要目标是创建一个经济有效的平台，通过提供只需要SD卡的一体化电路板、监视器和输入设备来运行，是一种实用且价格合理的设备。Raspberry Pi没有只读内存，可以阻止用户刷新固件使Pi变成一个不可操作的板。Raspberry Pi另一个吸引人的因素是设备的功耗很小，因为它可以通过另一台计算机的通用串行总线USB端口或小型5v充电器供电。

Raspberry Pi接口较丰富，具有高清多媒体接口HDMI、通用串行总线USB和内部集成电路IIC等，可通过C/C++或者Python语言编写相应程序来实现不同的功能。图1给出了Raspberry Pi的接口与外设图。另外Raspberry Pi具有26个GPIO对外接口，通过GPIO可以实现控制工作和数据交互等功能，本文通过Python语言来控制其进行工作。

1.2 数据采集硬件设计

Raspberry Pi嵌入式数据采集系统所提嵌入式Raspberry Pi数据采集和控制系统硬件组成有：嵌入式Raspberry Pi、AT-mega16微控制器、传感器、继电器和路由器。

其中Raspberry Pi是系统的核心，具有实时仿真和嵌入式跟踪支持的性能。传感器如气压温度传感器，气体传感器和光敏传感器连接到Raspberry Pi，将采集到的数据通过Raspberry Pi上web服务器以网页的形式发送到客户端。

BMP085气压温度传感器，由压阻式传感器、模数转换器、带电可擦可编程只读存储器（Electrically Erasable Programmable read only memory，EEPROM）和串行I2C接口的控制单元组成。BMP085提供无补偿的压力值，测量范围为300～1100hPa，绝对精度为2.5hPa，噪音低至0.03hPa。同时，BMP085具有低至3uA的低功耗。传感器支持1.8至3.6V的电压，BMP085的额定工作温度范围为-550至+1500℃。BMP085与Raspberry Pi连接图如图1所示。

图1 BMP085管脚与Raspberry Pi GPIO对应连接图

数据采集系统中使用的气体传感器是MQ-6，它对丙烷、丁烷和液化石油气具有高灵敏度，也对天然气有反应，MQ-传感器可用于检测不同的可燃气体，尤其是甲烷，具有的优点是成本低，适合不同的可燃气体检测。MQ-6气体传感器的敏感材料是SnO2，当空气中存在可燃气体，MQ-6电导率随着可燃气体浓度的增加而增大，通过转化电路，输出与气体浓度相当的数据。MQ-6传感器与Raspberry Pi连接图如图2所示。

图2 MQ-6管脚与Raspberry Pi GPIO对应连接图

系统中采集光照强度使用的光感LDR传感器是BH1750，作为一种数字型光强传感器集成电路具有光灵敏度，该传感器具有一个由高电阻半导体制成的光敏电阻，该电阻根据落在其上的可见光的数量而变化。

2 软件设计

2.1 Web服务器

嵌入式Web服务器构建在Raspberry Pi上，选择轻量级Web服务器，降低内存消耗，提高运行速度。在构建Web服务器时使用的EWS（Exchange Web Service）协议是GoAhead，EWS的功能是实现客户端和服务器之间的信息交换。

嵌入式Web服务器用到的主要技术有HTTP协议和公共网关接口（Common Gateway Interface，CGI），在Web服务器工作时，CGI用来规定调用其他程序接口协议的标准，通过调用CGI实现Web浏览器交互。当Web服务器的信息（该信息由浏览器发送给服务器）达到CGI时将进行处理，把响应结果再反馈给Web服务器和浏览器，最终完成网页中表单数据的处理和查询。

图3 系统监视和控制过程

图4 浏览器显示采集到的数据

2.2 数据显示和控制

图3给出了如何采取监视和控制措施，系统软件是IDLE，使用嵌入式Python程序语言实现。

对于Raspberry Pi数据采集和显示过程，利用WiringPi 函数库对Raspberry Pi和传感器进行控制，利用编程语义对数据实现循环采集，并将数据传送到网页上。其中WiringPi是GPIO控制库函数，包含了GPIO控制命令，通过WiringPi可以对Raspberry Pi的GPIO管脚进行扩展，实现数据采集等模块。

3 结果与分析

基于Raspberry Pi的嵌入式数据采集和控制系统硬件实现，系统中客户端使用的电脑配置为：win7及以上操作系统，IE8及以上版本的Web浏览器，采用的测试地址为http://172.20.10.2/:8000。结果显示在网页上，如图4所示。它显示各种参数的状态，如温度、气体、压力和待监测位置的光强度以及通过该网页进行控制。

如果获取到的温度、压力、光照强度和其他浓度高于报警值，则启动继电器进行控制。

结论：本文设计了一个基于嵌入式Raspberry Pi的数据采集和监控系统，并给出了硬件和软件的实现方法，该系统可以使温度压力传感器、气体传感器和光强传感器采集的到数据，通过嵌入式Web服务器将采集数据上传，使得任何远程客户端通过一个网络访问得到从传感器获取的数据，系统中嵌入式Web服务是在Raspberry Pi上构建的。对设计系统进行测试，当嵌入式Web服务器接收到任何来自客户端的请求时，从传感器获取的数据将成功显示在网页上，说明本文设计的系统是可行，可以提高系统的可扩展性和灵活性，在工业测控领域具有广阔的应用前景。