基于物联网模块的混合动力车数据采集系统设计.pdf

第 35 卷 第 2 期2023 年 6 月河南工程学院学报(自然科学版)JOURNAL OF HENAN UNIVERSITY OF ENGINEERING(NATURAL SCIENCE EDITION)Vol.35,No.2Jun.2023 基于物联网模块的混合动力车数据采集系统设计 马宗正1,孙志强1,薛腾飞1,2,孟育博1,张家明1,田浩然1(1.河南工程学院 机械工程学院,河南 郑州 451191;2.中原工学院 机电学院,河南 郑州 451191)摘 要:为实现混合动力车运行过程中数据的采集,基于物联网 ESP8266 型 Wi-Fi 模块,以 STM32F103C8T6 型单片机作为基础控制器,通过对数据采集电路、数据传输程序及数据显示界面的设计,实现了基于 OneNET 物联网平台的数据信息存储与显示。经过实验验证,该系统能够实现数据的远程采集、云端存储,便于数据存储与读取。关键词:数据采集;物联网;混合动力车 中图分类号:TP274 文献标志码:A 文章编号:1674-330X(2023)02-0039-04Design of data acquisition system for hybrid vehicle based on Internet of ThingsMA Zongzheng1,SUN Zhiqiang1,XUE Tengfei1,2,MENG Yubo1,ZHANG Jiaming1,TIAN Haoran1(1.College of Mechanical Engineering,Henan University of Engineering,Zhengzhou 451191,China;2.School of Mechatronics Engineering,Zhongyuan University of Technology,Zhengzhou 451191,China)Abstract:In order to collect the hybrid vehicle operation data in real time,a data acquisition system based on the ESP8266 Wi-Fi module,Internet of Things is designed,whose main controller is STM32F103C8T6 single chip.And the network data transmission is realized based on OneNET IoTs platform by data acquisition circuit design,data transmission programming,and the data display inter-face design.According to the test,the designed system can reach the long-distance data transmission and cloud storage which can be stored and read easily.Keywords:data acquisition;Internet of Things;hybrid vehicle收稿日期:2022-04-10基金项目:河南工程学院大学生创新创业训练计划项目(202111517037)作者简介:马宗正(1981),男,山东济南人,教授,博士,主要研究方向为车辆节能减排技术。远程监测监控系统通过共享数据资源,可以帮助人们随时监测、调节车辆运行状态1。李连杰2在Spring Cloud Sleuth 的基础上开发了车联网系统,实现了车辆数据的采集、分发和存储。刘远仲等3基于OneNET 云平台和移动端控制系统,实现了车辆内部环境数据的采集和监测。吕亚聪等4通过使用微服务架构,实现了农机车辆运行状态的监控。何真承5基于 CAN 总线技术、4G 通信数据传输技术,完成了汽车在线故障诊断系统的开发,实现了相关数据的采集与存储。邵洋6利用射频识别和导航定位技术,开发了城市车辆管理系统,实现了车辆信息的采集。为实现混合动力车运行过程中数据的采集和存储,本研究设计了混合动力车远程数据采集系统。该系统首先对相关传感器处理电路进行设计,使其能够基于 STM32 单片机进行数据采集与处理,然后将数据基于串口通信传递给物联网模块实现网络传输,最后将相关数据传入云端,在云端平台实现数据的读取与分析。1 1 系统总体结构混合动力车远程数据采集系统主要由数据采集、数据处理、数据传输和数据显示四部分组成。该采集系统主要实现节气门位置、速度及温湿度采集,并通过无线通信的方式将数据传输到物联网平台,实现数据河南工程学院学报(自然科学版)2023 年的监测与存储。系统原理图如图 1 所示。图 1 系统原理图Fig.1 System schematic 2 采集系统硬件设计采集系统硬件设计主要包括主控芯片选型、传感器处理电路设计、无线传输模块选型、数据存储模块选型等。2.1 主控芯片选型选择高性能、低功耗的 STM32F103C8T6 型主控芯片处理来自传感器的数据,其工作频率最高可达72 MHz,有充裕的 I/O 接口,方便用户连接外接设备,其 ADC 采集频率最大可达 14 MHz,完全满足控制系统数据采集的要求。2.2 传感器处理电路设计2.2.1 节气门开度数据处理电路一般节气门位置传感器内部为可变电阻,为便于数据采集,可以通过外加电源的形式将节气门的实际开度转化为电信号7。所选用的节气门位置传感器电阻为 2.56.8 k,外加电源电压为 5 V,从而将输出电压控制在 03.3 V,进而采用 STM32F103C8T6 型单片机内自带的 ADC 模块采集节气门位置传感器信号,将模拟信号变成数字信号。节气门位置传感器数据处理电路如图 2 所示。图 2 节气门位置传感器数据处理电路Fig.2 Throttle position sensor data processing circuitry2.2.2 温湿度采集系统设计温湿度数据采集模块采用 AHT10 传感器,采用IIC 通信方式,外部电源为 3.3 V。该传感器具有体积小、功耗低的优点,其电路如图 3 所示。其中,SCL 为IIC 通信模式时钟信号接口,SDA 为 IIC 通信模式数据信号接口,主控芯片可依次读回 6 bit 数据。温度和相对湿度的计算公式如下:T=(ST/1 048 576)150,(1)RH=(SRH/1 048 576)100%,(2)式(1)和式(2)中:T 表示温度,;ST 表示温度输出信号;RH 表示相对湿度,%;SRH 表示相对湿度信号。2.2.3 转速采集系统设计本设计使用 A3144 型霍尔传感器模块来获得速度参数。在车轮上布置一个磁块,传感器通过该磁块得到相应的信号,当传感器检测到磁感应强度变化时,会输出相应的模拟信号,模拟信号经过处理后输出 TTL高低电平,形成脉冲信号,以便单片机计数测速。转速信号处理电路8如图 4 所示。图 3 温湿度传感器电路Fig.3 Temperature and humidity sensor circuitry图 4 转速信号处理电路Fig.4 Speed signal process circuitry2.3 无线传输模块选型数据传输系统设计采用 ESP8266 型 Wi-Fi 模块,该模块可以通过串口通信的方式与 STM32F103C8T6 型04第 1 期马宗正,等:基于物联网模块的混合动力车数据采集系统设计单片机主控芯片进行数据传输,进而将数据传输至云端9,只需要在 STM32F103C8T6 型单片机端完成串口设置即可,包括波特率、数据位和校验位的设置。数据传输模块与单片机的连接电路如图 5 所示。对于 ESP8266 型 Wi-Fi 模块来说,只需要根据当前的网络情况,在 Wi-Fi 程序里修改路由器名称和密码,使系统的 Wi-Fi 模块可以连接到无线网即可10。2.4 数据存储模块选型混合动力车在日常的驾驶过程中,一般的工作时间为 12 h,需要采集的数据较多,而且需要在停止运行后数据不丢失,所以本系统采用 EEPROM 来存储数据。由于转速参数和节气门位置数据变化较快,故速度和节气门位置数据测量周期为 0.5 s,采集到的数据所占字节总和为 0.1 B,记录这些数据所需要的存储空间为 0.112060=720 B。温湿度的测量周期为 30 s,采集到的数据经过处理后所占字节为 0.3 B,记录这些数据所需要的存储空间为 0.3260=36 B。粗略计算得到每小时存储数据量为 0.73 KB,所以本设计选择 AT24C02 型 EEPROM,存储空间为 2 KB,数据读写遵循 IIC 协议11,其电路如图 6 所示。图 5 Wi-Fi 数据传输电路Fig.5 Wi-Fi data transmission circuitry图 6 AT24C02 型 EEPROM 电路Fig.6 AT24C02 EEPROM circuitry图 7 数据采集系统流程Fig.7 Flow chart of data acquisition system3 数据采集系统软件设计系统通电后,对各个模块进行初始化,包括串口通信初始化、Wi-Fi 通信初始化、MQTT 参数设置及各传感器初始化。初始化操作完成之后,系统与无线网络连接,无线网络接入成功后,Wi-Fi 模块通过 MQTT通信协议每隔 1 s 上传一次传感器采集的数据至OneNET 物联网云平台供用户查看和监测。数据采集系统流程如图 7 所示。4 4 数据显示界面设计 为了更加清晰地观察并分析混合动力车在运行时的状态,本研究基于 OneNET 物联网平台开发了数据显示界面。在 OneNET 物联网平台上搭建一个控制台,在控制台的首页选择数据传输协议(如 MQTT 协议),在 MQTT 协议下填写产品信息和技术参数后,就可以添加本系统采集的车内温湿度、发动机转速、节气门位置等数据,实现相关数据的实时显示,见图 8。需要说明的是,基于 OneNET 物联网平台的数据名称无法以中文形式显示,这是该系统的一个缺陷。14河南工程学院学报(自然科学版)2023 年5 5 实验测试在设计完成后,将该系统安装在混合动力车上进行实验,实验时车速分别保持在 10 km/h、20 km/h 和30 km/h。为了体现节气门开度的变化,将电池电量控制在 10%以下,电机所需要的电能全部来自发动机。图 9 为采集到的不同车速条件下发动机节气门开度数据,为便于分析,使用的数据时间间隔为 1 s。图 8 上位机显示界面Fig.8 Host computer interface图 9 发动机节气门开度数据Fig.9 Engine throttle opening data由图 9 可知,当车辆的车速增加时,节气门开度增加,当车速由 10 km/h 增至 30 km/h 时,节气门开度约由 20%增至 43%。这表明随着发动机负荷的增加,节气门开度随之增加。但同时也发现,采集到的数据存在一定波动,这与车辆行驶过程中车辆有振动且节气门开度会有小幅波动有关。实际测试表明,该系统能够实现数据的远距离传输,并且能够方便地利用云端存储与读取。6 6 结论为实现对混合动力车数据的远程采集,本研究基于单片机及物联网模块开发了数据采集系统,经过实际测试可知,该系统可以实现数据的远程采集与显示,主要结论如下:(1)基于物联网模块,可以较为方便地实现数据的实时传输,并通过云平台进行相关数据的存储。(2)基于物联网模块的数据采集系统,电路设计简单,成本比较低,可大量推广。(3)该系统的不足之处在于它是基于 OneNET 平台开发的,相关数据名称的显示为英文。参考文献:1 蔡创.嵌入式 web 服务器的远程数据采集系统研究J.微型电脑应用,2020,36(7):137-139.2 李连杰.基于微服务的车联网车辆数据采集与分发系统D.上海:上海交通大学,2018.3 刘远仲,张海波,杨嘉,等.一种基于物联网技术的车辆内部环境监测报警系统设计J.宜宾学院学报,2020,20(12):31-36.4 吕亚聪,刘子辰,张玉成.基于微服务架构的农机车辆监控系统设计J.通信技术,2019,52(2):504-511.5 何真承.基于 4G 网络和 CAN 总线的车辆在线故障诊断系统设计与实现D.重庆:重庆大学,2019.6 邵洋.基于物联网数据采集技术的城市车辆智能管理系统设计J.中国新通信,2013,15(24):125-126.7 何基都.汽车发动机电子节气门控制系统研究D.柳州:广西工学院,2010.8 祖一康,徐妙婧.基于单片机的直流电机转速测量与控制系统设计J.黄冈师范学院学报,2014,34(3):50-53.9 蒋力耀,崔勇,张耀阳.基于 STM32F103C8T6 型 F103ZET6 单片机的地铁站环境监测系统设计J.电子测试,2021(9):33-34,17.10 翁嘉民,冯建勤,陶春鸣.单片机应用开发技术M.北京:中国电力出版社,2010.11 马宗正,邵凤翔,杨安杰,等.全液压推土模拟机实训台黑匣子系统开发J.现代制造工程,2015(4):125-129,124.24