基于树莓派的无线物联网测试终端采集设计与实现

基于树莓派的无线物联网测试终端采集设计与实现

张帆

上海浦东职业技术学院  上海市  200136

摘要：数字化学习环境构建是教育数字化转型发展中基础与保障。为实现在学校实验室中多台测试仪器的管理和数据获得，通过对树莓派的功能研究和操作系统的自主开发，每个设备由2块树莓派分别构成硬件数据采集端和服务器端设计方案，由转接接口电路、采集卡等组成的数据采集端，定制开发搭建WEB服务器平台的服务器端。满足在同一个房间内通过WiFi组成局域网通信，实现数据采集实时监控和管理功能。

关键词：树莓派；数据采集；WiFi；服务器

一、引言

习近平总书记在党的二十大报告中提出：“教育是国之大计、党之大计。推进教育数字化，建设全民终身学习的学习型社会、学习型大国。”[1]数字经济已成为未来发展竞争的主战场，发展速度之快、辐射范围之广、影响程度之深前所未有，正在成为重组全球要素资源、重塑全球经济结构、改变全球竞争格局的关键力量[2]。

数字技术发展驱动变革人类社会，机遇与挑战共存已成为国际共识，数字化转型成为世界性主题，并深刻影响教育系统的发展[3]。在德国，培养学习者“多学科数字能力”（MDC）的支撑条件之一就是处理数字化硬件设备（HD）。在德国《数字化战略2025》导论开门见山地指出“基础设施是释放数字化转型潜力的前提”[4]。

因此，职业教育的数字转型是不容忽视的客观现实。根据调研发现，现在部分院校内仪器设备的操作和管理中，存在如下3类问题：①单台单设备运行；监控采用网线方式；电子测量设备使用者身份无法识别；实验设备损坏维修不及时等问题。②实验结果采用人工手动操作，电子测量结果无法进行统计；数据结果处理效率低等问题。③实验仪器设备的老化 引起学生实验时实际实验数值与理论值相差较大；实验室更新和扩充困难，造成教学负担重的等等问题。[5]

围绕当前教育领域中研究的2个焦点数字技术驱动和数据要素赋能。从上述问题出发，通过设计基于树莓派的无线物联网测试终端采集方案解决以上各类问题。

①使用树莓派作为处理的核心，和数据采集卡结合采集数据并进行处理和存储。通过与数据采集卡组合成测量仪器，实现对电压、电流、波形等电路参数的实时采集。

②利用WiFi网络，将采集到的数据实时上传给服务器进行分析和展示。

③采用浏览器/服务器模式，用户通过浏览器即可实现对测量数据的远程监控和分析。用户可以在有网络的地方通过浏览器实现对实验室测量数据监控。

④数据分析与展示，对上传的数据进行分析和处理，并以图表等形式进行展示，便于教师直观了解实验结果。

二、无线物联网测试终端采集系统整体方案设计思路

本方案分为操作人员使用操作界面（软件部分）、采集器、服务器三个部分组成，整体设计拓扑如图1所示。操作人员使用操作界面主要用于用户的使用访问，用于展示给用户数据转换好的信息，例如；电压、电流、波形等；采集器是使用树莓派和数据采集卡等硬件想结合，将采集卡测量的电信号，将测量数据发送给服务器。服务器是连接用户端和采集端的中间节点，将采集到的数据转换后存储在服务器里，方便用户操作与查看数据。

无线物联网测试服务器支持1至12台测试采集设备同时接入，由传输网关和采集卡构成的电路采集终端、电参量数据库服务器在同一网络内进行分布式部署。其中采集端负责对各测量点的多路信号采集卡（例如4路模拟量和4路数字量等），通过无线通讯WiFi将测量数据汇总至服务器，同时采集端也提供了多路信号输出供调测使用。服务器内置一块树莓派提供WiFi热点服务，连接其它1-12个采集端设备信号，使用UDP/IP通讯协议来获取传输测量数据。同时用户端内置基于H5与WebSocket技术的监控中心系统，提供一个独立的WEB服务，通过WiFi热点接入局域网后，使得电脑、平板或手机等终端设备登入访问链接并使用浏览器进行访问与操作。

图1无线物联网测试终端采集系统整体系统图

三、无线物联网测试终端采集系统硬件设计

（一）采集器

采集器主要由主控制器树莓派、接口协议转换器、多路输入数据采集器等组成，除此之外还包括信号输出、供电及面板接插口、液晶显示等外围组件。系统硬件连接图如图2所示，采集器设备实物如图3所示。

图2 无线物联网测试终端采集系统硬件连接图

图3 无线物联网测试终端采集器设备实物图

1.本方案选用了2块树莓派4b作为无线物联网的核心主控制器。与嵌入式微控制器（常见的51单片机和STM32）相比，树莓派就是一块带有Linux系统的便携式计算机，其操作系统运行可以完成更复杂的任务管理与调度。[6]树莓派还可以通过GPIO引脚支持I2C、SPI、UART、1-Wire等通信协议，内嵌板载了2.4/5 GHz 802.11b/g/n/ac无线网卡使得树莓派可以搭建小型的网络服务器，这些都是本次方案选择树莓派4b此硬件的主要原因。

树莓派由英国慈善组织“树莓派基金会”开发，尺寸仅有信用卡大小的一个小型电脑。树莓派连接电视、显示器、键盘鼠标等设备当一台正常Linux电脑使用，可看作是一个低功耗的嵌入式微型计算机，其电路实物和板载接口如图4所示。

图4 树莓派4b主要功能

2.数据采集(DAQ)是指从传感器和其它待测设备等模拟和数字被测单元中自动采非电量或者电量信号，送到树莓派中进行分析，处理。数据采集系统是结合基于计算机或者其他专用测试平台的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自定义的测量系统。[7]

在选型过程中，充分考虑性价比要求的前提下，选择了性价比较高的国产某公司的成品数据采集器，其中有4路输入模拟量采集精度12位ADC，另有4路输入数字量测量精度3‰+3个字，通过远传通信技术（RS485）把数据传到树莓派中进行处理。其它基本性能参数如下表1所示。

表1 数据采集器性能参数

3.接口协议转换器

树莓派本身并不直接支持RS485接口通信，但通过使用转换芯片如SP3485，可以很容易地实现UART（通常称为TTL电平串口）到RS485的转换。这样的转换使得树莓派能够通过RS485接口与各种数据采集器或其他设备进行通信。SP3485是+3.3V系列兼容树莓派的3.3V逻辑电平，低功耗半双工SP3485芯片通过DE（驱动器使能）和RE（接收器使能）引脚来控制发送和接收模式，完全满足RS-485和RS-422串行协议的要求。接口协议转换连接硬件框图如图5所示。

图5 接口协议转换连接硬件框图

4.液晶显示器

本方案中在数据采集端安装10字*2行的带中文字库的液晶显示器，其主要作用显示预设的提示文字或操作流程SOP（标准操作程序），使操作人员能够清晰地了解当前的操作步骤和注意事项。通过人机交互按键，操作人员可以与系统进行实时互动。本方案可以按下按键来确认操作步骤、选择不同的操作选项或请求帮助信息。这种交互性可以减少操作错误，并提高检测操作人员的效率和自信心。

（二）服务器

虽然树莓派不是为服务器为生，但是凭借其自身不高的价格和相对完整的硬件配置，也广泛应用在服务器领域。究其优势有几个：①树莓派相对较小的体积，容纳了相对全面的硬件模块，比如CPU，集显，WiFi等；②低发热低能耗适合长期运行，适合小型服务器；③基于较通用的ARM64架构，相对较全面的软件生态。

因此，选择服务器的硬件时同样采用树莓派4b。通过在其系统软件层面搭建WiFi热点、WEB服务等实现监控中心应用。服务端配置自主开发设计软件，保存各采集端设备的数据并建立WEB服务，输出数据至监控客户端，B/S架构下基于HTML5的响应式网站能够自动适应屏幕大小，实现PC、平板电脑、手机等各种客户端设备进行检测结果数据浏览。

四、无线物联网测试终端采集系统软件设计

（一）数据采集端

本方案采集端的操作系统为基于LinuxDebian的定制树莓派OS软件，在树莓派自带的Linux系统中运行SHELL脚本、PHP技术等。

1.连接至WiFi热点

通过配置Linux系统自带的wpa_supplicant组件来实现开机自动连接指定的WiFi热点（监控端），wpa_supplicant是一个连接、配置WiFi的工具，主要包含wpa_supplicant与wpa_cli两个程序。

其中，wpa_supplicant是服务端，wpa_cli是客户端，可以通过wpa_cli来进行WiFi的配置与连接，创建一个脚本来灵活的构建配置启动wpa_supplicant并连接到指定的WiFi热点，通过发送命令给wpa_supplicant，调动驱动来对WiFi芯片操作。最后配置使用update-rc.d命令将脚本添加到开机启动项中，确保在开机时自动运行脚本。

2.数据采集程序流程

确保已安装并启用了php-dio和php-swoole扩展。开机启动一个PHP常驻程序，来实现对采集器的实时数据获取，并由UDP/IP协议通过WiFi连接发送至监控端，监控端程序流程如图6所示。硬件通讯方面采用php-dio扩展模块sendUARTCommand($command)发送命令到数据采集器，实现对UART的高性能操作。使用php-swoole的定时器功能来定时发送命令，在任务定时器1及UDP客户端功能来接收或发送数据，数据采集程序流程框图7所示。

-通过UART向数据采集器A发送读取数据命令。

-等待并接收数据采集器A的响应。如果达到指定数据长度，则跳出循环；否则，继续发送命令。

-通过UART向数据采集器B发送读取数据命令。

-等待并接收数据采集器B的响应。如果达到指定数据长度，则跳出循环；否则，继续发送命令。

-使用php-swoole的定时器功能来重复上述流程。

图6 监控端程序流程图        图7 数据采集程序流程图

（二）数据服务器端

对数据加密使用128位的AES（Advanced Encryption Standard）算法，加密后的数据通过dup发送至监控端，当收到数据后首先对数据进行解密，然后进行校验。如果数据没有没有异常，则对数据进行更新并在shm（shared memory）内进行缓存；如果出现异常，并且异常计数达到64或更多，那么重新启动程序，并退出当前程序。

监控端的软件系统同样运行在树莓派OS中，采用了SHELL、PHP、HTML5、WebSocket等技术，分为采集服务、数据输出服务、前端交互页面等。

1.WiFi无线热点配置

本方案使用树莓派4b还板载了2.4/5 GHz，802.11b/g/n/ac无线网卡等设备，为了便于给其他需要无线接入联网的设备提供WiFi无线热点，使用软件hostapd来实现无线接入热点(AP)。安装hostapd和dnsmasq，通过sudo nano/etc/hostapd/hostapd.conf配置hostapd，通过sudo nano/etc/dnsmasq.conf配置dnsmasq，可以根据需要更改DNS和DHCP功能。最后，编辑网络接口的配置文件，保存并关闭文件，重启dhcpcd服务。此时，树莓派已经变成了一个WiFi热点。可以使用其他设备搜索并连接到这个热点，并应该能够获取IP地址并通过热点上网。

2.数据采集解密校验服务

采集服务负责收集各个采集端所测量得出的信号数据。由PHP编写，并采用php-swoole扩展模块，开机后启动一个UDP服务器，监听相关的端口，并保存所获取到的数据。

在程序过程中，使用任务锁存机制，如果当前有任务正在执行，则退出程序，实现方式为文件锁，同时linux下一个利用内存虚拟出来的一个目录，使用dev/shm共享内存加快操作速度。数据采集解密校验程序流程框图如图8所示。

图8数据采集解密校验程序流程图     图9数据采集解密校验程序流程框图

3.数据采集输出服务

同样由PHP及其扩展模块php-swoole编写的程序，来启动一个WebSocket服务，当用户端（浏览器）请求操作时，进行数据输出或执行其它指令，数据输出服务主要程序框图如图9所示。

4.前端交互界面

基于HTML5技术编写的前端展示页面，兼容主要的计算机和其它移动端设备流程。监控中心提供了1-12个采集端设备的实时数据观测，包含了测量所得数值及波形图，可切换同时展示的设备数量（1个/4个/12个），还可以针对每个采集端的每个模拟量，输入通道设置预警阈值，依据设定的告警阈值，对信息进行分析判定是否发出报警，监控中心的交互界面如图10所示。

图10 监控中心的交互界面

（1）数据采集用户端操作

操作流程：打开主机（及其它采集端）的电源开关，等待大致1分钟左右。→打开浏览器并访问监控中心地址：http://192.168.179.XXX→系统启动完毕，登录学生用户和密码后，即可进入监控中心页面→点击右上角布局按钮可以切换设备展示数量（1个/4个/12个）→点击设备展示区域左上角按钮可以切换设备→点击设置预警按钮可进行报警配置→在输入按钮编辑测量液晶显示器内容。点击监控中心页面右上角的用户按钮，可查看当前账号信息或登出系统。

（2）测量操作界面

根据图11可以看到用户端设计总共分为四个部分：用户管理，设备管理，参数配置功能，测量操作界面。其中管理员有权使用所有的项目并且能对系统进行管理，而学生用户有设备管理，设备检索，远程监控的权限。学生在上课过程中，只能访问上课所使用的仪器设备，而不能访问其他同学的设备。[5]

五、无线物联网测试终端的优势表现

无线物联网测试终端通过WiFi无线网络进行数据采集和传输带来了许多优势，使得我们能够轻松地摆脱线缆的束缚，从而在各种环境中更方便地采集和传输数据。

由于无需铺设电缆或进行复杂的布线工作，因此WiFi数据传输系统的安装时间大大缩短。通过使用WiFi技术，用户设备可以无线连接到服务器，无需使用物理线缆。这使得设备布局更加灵活，减少了布线的麻烦和成本。

无线网络系统通常比有线网络更容易维护。如果出现故障，无需检查物理连接，而只需检查无线信号和设置。现代的WiFi技术提供了稳定和可靠的数据传输性能，适用于各种应用和环境。

随着测试需求的增长，无线网络可以轻松地扩展和升级，以满足更高的数据传输需求。由于减少了布线和维护成本，因此WiFi数据采集系统通常比传统的有线系统更经济高效。

通过无线网络，数据可以实时传输到PC或服务器，提高了数据处理的效率和实时性。与传统的手工采集设备相比，无线数据采集终端采用了先进的技术，提供了更高的自动化程度和数据处理能力。

六、结束语

随着工业生产中无线数据采集终端的日益普及，其在实验室电子测量领域的应用也逐渐受到关注。传统的实验室数据采集方式往往受到线缆、距离和实时性的限制，而无线数据采集技术可以很好地解决这些问题。本文提出了一种基于树莓派、WiFi和B/S结构的无线数据采集终端设计方案，并详细阐述了其在实验室电子测量中的应用

通过充分利用物联网技术，该系统实现了对实验数据的实时采集、上传和分析，提高了实验效率和管理水平。未来，随着技术的不断进步和应用需求的不断提高，相信无线数据采集终端将在更多领域发挥重要作用。系统有利于学校进行科学、规范、安全的管理，提升了学校实验室管理技术和水平。

自2022年2月起，该无线物联网测试终端采集设备已在我校实验室管理中进行了部署和测试。经过实践验证，该系统运行稳定、高效，测试设备达到预期设计效果。学生使用情况良好，教师实验管理水平得到明显提升。

参考文献

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