基于物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的自行車多功能表設(shè)計(jì)

黃秋紅 王霄 張譯

摘 要： 為實(shí)時(shí)了解騎行者的騎行狀態(tài)，便于其調(diào)整騎行舉動(dòng)，設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的自行車多功能碼表。選用AT89C52作為主控芯片，結(jié)合傳感器技術(shù)、WiFi技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了包含計(jì)算騎行速度、單次里程、總里程、時(shí)間、所耗卡路里、檢測(cè)環(huán)境溫濕度等功能的自行車碼表設(shè)計(jì)。進(jìn)一步地，通過在LCD顯示屏及物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)顯示所得數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)騎行者的騎行狀態(tài)，以及時(shí)調(diào)整騎行舉動(dòng)。運(yùn)行結(jié)果顯示本次設(shè)計(jì)的多功能碼表具有使用方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，增加的卡路里消耗計(jì)算進(jìn)一步豐富了碼表功能。此外，此設(shè)計(jì)能合理地計(jì)算騎行數(shù)據(jù)并及時(shí)將數(shù)據(jù)傳送至物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，更加方便騎行者了解騎行實(shí)時(shí)信息。

關(guān)鍵詞： 單片機(jī)最小系統(tǒng); 卡路里消耗; 物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái); LCD液晶顯示; 霍爾傳感器; 溫濕度傳感器

文章編號(hào)： 2095-2163（2021）03-0052-05 中圖分類號(hào)：TP29 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

【Abstract】In order to know the status of the cyclists in real time and they can adjust their behavior， this paper proposes a design of bicycle multi-function meter based on the Internet of Things platform. Taking AT89C52 as the main control chip and with the help of sensor technology， WiFi technology， and the Internet of Things platform， this paper achieves the design of bicycle multi-function meter， which includes functions such as calculating riding speed， single mileage， total mileage， time， calories consumed， and detecting environmental temperature and humidity. Furthermore， the status of cyclists could be understood in real time so that they can timely adjust their behavior by displaying those data on LCD and the Internet of Things platform， respectively. The result shows that there are some advantages of convenient use， simple structure， and low price for the multi-function meter designed in this paper. The added capacity of acquiring the calories enriches its functions. Besides， it can reasonably obtain the riding data and transmit these data to the Internet of Things platform in time， making it easier for users to understand the real-time information while riding.

【Key words】 single chip minimum system; calories consumption; Internet of Things platform; LCD liquid crystal display; Hall sensor; temperature and humidity sensor

0 引 言

隨著人們生活質(zhì)量的不斷提高，自行車已經(jīng)不只是一種簡(jiǎn)單的交通方式了。在方便日常出行的同時(shí)，自行車已逐漸地演變成一種運(yùn)動(dòng)方式。而作為自行車最重要的輔助工具之一，自行車的碼表系統(tǒng)能盡可能準(zhǔn)確反映每位騎行者的狀況，方便騎手及時(shí)調(diào)整自己的騎行舉動(dòng)，也已然得到了迅速的發(fā)展及廣泛應(yīng)用。

碼表應(yīng)該在正常穩(wěn)定的基礎(chǔ)上盡可能多地顯示騎行者所需信息，方便騎行者調(diào)整自身。文獻(xiàn)[1]介紹了基于霍爾元件的自行車速度里程表的設(shè)計(jì)方法，以AT89C52單片機(jī)為主控芯片，自行車車輪實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)數(shù)的測(cè)量采用A3144E霍爾傳感器，來對(duì)自行車?yán)锍?、速度進(jìn)行測(cè)量，采用STC單片機(jī)內(nèi)部自帶EEPROM保證系統(tǒng)掉電不丟失里程信息，系統(tǒng)中加入時(shí)鐘芯片DS1302實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示時(shí)間日期，并將自行車的里程數(shù)、速度通過LCD1602加以實(shí)時(shí)顯示，但卻并未拓展出新功能。文獻(xiàn)[2]研發(fā)的速度與里程表設(shè)計(jì)以單片機(jī)和光電傳感器為核心，通過傳感器將不同車速轉(zhuǎn)變成的不同頻率的脈沖信號(hào)輸入到單片機(jī)進(jìn)行控制與計(jì)算，再采用LED模塊進(jìn)行顯示，使得電動(dòng)自行車的速度與里程數(shù)據(jù)能直觀地顯示給使用者。LED數(shù)碼管顯示比較清晰，但能源消費(fèi)更高，軟件編程更復(fù)雜，工作負(fù)荷也比較大。在計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展的大環(huán)境下，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也得到了飛快的進(jìn)步。文獻(xiàn)[3]對(duì)智能電表進(jìn)行了設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)顯示電氣量、用電量等信息的功能，且能夠通過WiFi傳輸用戶用電信息，方便用戶實(shí)時(shí)查詢。

因此，本次設(shè)計(jì)以AT89C52為主控芯片，實(shí)現(xiàn)了含計(jì)算騎行速度、單次里程、總里程、時(shí)間、所耗卡路里、檢測(cè)環(huán)境溫濕度等功能的自行車測(cè)量碼表設(shè)計(jì)。進(jìn)一步采用LCD顯示器顯示所得數(shù)據(jù)，借助WiFi技術(shù)及物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)騎行信息，以便用戶及時(shí)做出騎行調(diào)整。

1 系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)

通過對(duì)自行車多功能表設(shè)計(jì)的整體分析，本文以51單片機(jī)為處理核心，將數(shù)據(jù)發(fā)送到TLINK物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的云端儲(chǔ)存，并顯示騎行及環(huán)境信息。

利用霍爾傳感器和51定時(shí)/計(jì)數(shù)器計(jì)算騎行速度和里程，根據(jù)所得的騎行里程和時(shí)間可以計(jì)算出騎行所消耗的卡路里。同時(shí)，采用DHT.11數(shù)字式溫度傳感器實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫濕度測(cè)量。最后將所有結(jié)果通過LCD顯示屏顯示，數(shù)據(jù)也將發(fā)送至物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的云端存儲(chǔ)以及實(shí)時(shí)顯示，方便用戶實(shí)時(shí)觀看查詢，并做出及時(shí)的反饋與調(diào)整。

假設(shè)車輪環(huán)的周長(zhǎng)為L(zhǎng)，在車輪環(huán)上安裝m個(gè)永磁體，則測(cè)量里程值的最大誤差為L(zhǎng)/m。經(jīng)過總體分析，本次設(shè)計(jì)選擇m=1。當(dāng)車輪每次旋轉(zhuǎn)時(shí)，霍爾傳感器收集到脈沖信號(hào)，并將信號(hào)輸入單片機(jī)。傳感器獲取的每個(gè)脈沖信號(hào)都為系統(tǒng)提供一個(gè)計(jì)數(shù)中斷。每次中斷表示輪子轉(zhuǎn)了一圈，中斷次數(shù)n及周長(zhǎng)L的乘積，即為里程值s。根據(jù)計(jì)數(shù)器T1計(jì)算每次旋轉(zhuǎn)的時(shí)間t，結(jié)合s進(jìn)一步計(jì)算出瞬時(shí)速度v。里程、用戶的體重以及指數(shù)K（K=1.05）的乘積即為所消耗卡路里C。所需指標(biāo)及實(shí)現(xiàn)方法可分述如下：

（1）速度、里程數(shù)的脈沖信號(hào)：在車輪旋轉(zhuǎn)靠近霍爾傳感器時(shí)傳感器會(huì)發(fā)送一個(gè)脈沖信號(hào)到單片機(jī)。

（2）對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)：霍爾傳感器產(chǎn)生的脈沖信號(hào)由單片機(jī)T1計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。

（3）對(duì)數(shù)據(jù)的處理：由keil軟件編程獲得所需的值并用LCD顯示里程總數(shù)、即時(shí)速度、運(yùn)行時(shí)間、卡路里、環(huán)境溫濕度等。

（4）與物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)連接：用WiFi技術(shù)將所測(cè)量數(shù)據(jù)發(fā)送至物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的云端儲(chǔ)存，方便用戶實(shí)時(shí)觀看、查詢騎行狀況，以及時(shí)做出反饋與調(diào)整。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，碼表應(yīng)擁有顯示當(dāng)前速度、單次里程、消耗卡路里、循環(huán)時(shí)間、環(huán)境溫濕度、總里程和電子時(shí)鐘以及用WiFi技術(shù)把數(shù)據(jù)發(fā)送至云端儲(chǔ)存等功能。因此，本設(shè)計(jì)包含信號(hào)采集、信號(hào)處理、數(shù)據(jù)顯示、WiFi技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)、按鍵控制和時(shí)鐘處理等模塊。總體設(shè)計(jì)框架如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控芯片

AT89C52是低電壓、高性能的CMOS 8位單片機(jī)，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲(chǔ)單元。設(shè)計(jì)中是將通用的微處理器和Flash存儲(chǔ)器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫的Flash存儲(chǔ)器可有效地降低開發(fā)成本。單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2 傳感器及其測(cè)量系統(tǒng)

2.2.1 信號(hào)的獲取

霍爾傳感器是基于霍爾效應(yīng)的磁傳感器，具有結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、體積小、重量輕、壽命長(zhǎng)、安裝簡(jiǎn)單、耗電量低、高頻、耐振動(dòng)、不怕灰塵、油、水蒸氣、煙霧污染或腐蝕等諸多優(yōu)點(diǎn)，可以用來檢測(cè)磁場(chǎng)及其變化，可以在與磁場(chǎng)相關(guān)的各種場(chǎng)合使用。

借助霍爾傳感器進(jìn)行速度測(cè)定原理如圖3所示?；魻杺鞲衅鞅还潭ㄔ谲囕喼Ъ苌?，車輪輻條上固定小磁鐵。當(dāng)小磁鐵隨著車輪旋轉(zhuǎn)靠近霍爾傳感器約4～5 mm時(shí)，傳感器就會(huì)輸出脈沖信號(hào)到單片機(jī)。這樣，測(cè)量速度需要的信號(hào)就被轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的脈沖信號(hào)，并通過單片機(jī)處理獲得速度信息。

2個(gè)脈沖間距就是自行車轉(zhuǎn)動(dòng)一圈車輪生成的長(zhǎng)度，如式（1）所示：

其中，S表示車輪轉(zhuǎn)動(dòng)一圈生成的長(zhǎng)度;PI表示圓周率;D表示車輪直徑。

因此，在測(cè)量中輸入輪胎的實(shí)際直徑即可正確地獲得自行車的速度S/T、行駛里程S*（N-1）。其中，T是2個(gè)脈沖之間的時(shí)間間隔，N是驅(qū)動(dòng)中產(chǎn)生的脈沖的數(shù)目。

2.2.2 環(huán)境溫濕度測(cè)量

本次設(shè)計(jì)中環(huán)境的溫濕度測(cè)量采用DHT.11數(shù)字溫濕度傳感器。該傳感器與單片機(jī)的通信十分簡(jiǎn)潔方便，無需外接時(shí)鐘信號(hào)。此外，DHT.11能同時(shí)對(duì)相對(duì)濕度和溫度進(jìn)行測(cè)量，并以數(shù)字信號(hào)輸出，從而減少用戶對(duì)信號(hào)的預(yù)處理負(fù)擔(dān)且其獨(dú)特的單總線數(shù)據(jù)傳輸線協(xié)議使得讀取傳感器更加便捷，工作電壓幾乎與AT89C52的電壓相同，而且功耗較低。其簡(jiǎn)要的性能參數(shù)見表1。

從表1可以看出，該傳感器測(cè)量范圍較小，但對(duì)實(shí)驗(yàn)或民用已經(jīng)足夠了，DHT.11硬件連接如圖4所示。

2.3 按鍵控制部分

系統(tǒng)按鍵設(shè)計(jì)如圖5所示。本設(shè)計(jì)中需要1個(gè)復(fù)位獨(dú)立開關(guān)按鍵以及手動(dòng)調(diào)節(jié)控制部分的5個(gè)獨(dú)立開關(guān)按鍵。按鍵A：時(shí)鐘設(shè)置時(shí)確認(rèn)更改“時(shí)”，直徑設(shè)置時(shí)確認(rèn)更改“十位”，體重設(shè)置時(shí)確認(rèn)更改“十位”;按鍵B：時(shí)鐘設(shè)置時(shí)確認(rèn)更改“分”的十位，直徑設(shè)置時(shí)確認(rèn)更改“個(gè)位”，體重設(shè)置時(shí)確認(rèn)更改“個(gè)位”;按鍵C：時(shí)鐘設(shè)置時(shí)確認(rèn)更改“分”的個(gè)位;按鍵OK：確認(rèn)更改系統(tǒng)設(shè)置;按鍵Menu：正常工作時(shí)確認(rèn)更改顯示的模式，在總里程、速度、時(shí)間、騎行時(shí)間、消耗卡路里、環(huán)境溫濕度等進(jìn)行切換。

2.4 輸出顯示模塊

顯示模塊設(shè)計(jì)如圖6所示。顯示模塊主要顯示里程、速度、消耗卡路里、環(huán)境溫濕度等信息。LCD顯示器非常節(jié)能，輻射指標(biāo)較低，沒有幾何上的失真，其可視區(qū)域更大，畫質(zhì)更高，更精細(xì)。1602采用了標(biāo)準(zhǔn)的16腳接口。由圖6可知，VSS接電源地;VDD接5 V的電源正極;RS為寄存器的選擇，高電平1時(shí)選擇的是數(shù)據(jù)寄存器、低電平0時(shí)選擇的是指令寄存器;RW是讀寫信號(hào)線，高電平1時(shí)是進(jìn)行讀操作，低電平0時(shí)進(jìn)行寫操作;E（或EN）端可作為數(shù)據(jù)使能端;D0～D7是8位雙向數(shù)據(jù)端。

2.5 WiFi模塊

WiFi模塊屬于物聯(lián)網(wǎng)傳輸層，符合WiFi無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式模塊，內(nèi)置無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議IEEE802.11a.b.g.n.ac協(xié)議棧以及TCP/IP協(xié)議棧，可將串口或TTL電平轉(zhuǎn)為符合WiFi無線網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式模塊。WiFi設(shè)計(jì)模塊如圖7所示，設(shè)計(jì)中選用ESP8266芯片，WiFi芯片連接時(shí)VCC引腳接電源，GND接地，UTXD接單片機(jī)的RXD，URXD接單片機(jī)的TXD，將采集到的數(shù)據(jù)傳送至WiFi模塊，再由WiFi模塊將數(shù)據(jù)傳送至云端進(jìn)行儲(chǔ)存。

3 軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程中，軟件設(shè)計(jì)需要與硬件設(shè)計(jì)緊密結(jié)合。軟件部分主要通過模塊化的設(shè)計(jì)方式完成，即按照系統(tǒng)以及其硬件要求將系統(tǒng)的功能劃分成一個(gè)個(gè)單獨(dú)的功能模塊，再根據(jù)這些功能模塊分別編寫程序的一個(gè)過程。因此，系統(tǒng)的整體功能以及各模塊的具體功能均更加明確，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)問題時(shí)可以根據(jù)功能設(shè)定找出問題的原因，進(jìn)而更快地解決問題。

軟件主程序流程如圖8所示。由圖8可知，先初始化LCD以及ESP8266，程序進(jìn)入一個(gè)有歡迎字樣的界面;接著，單片機(jī)從DS1302時(shí)鐘芯片中讀取車輪累積行駛的總里程數(shù)據(jù)，同時(shí)，設(shè)定時(shí)鐘和轉(zhuǎn)動(dòng)車輪的直徑以及體重。然后，接通系統(tǒng)中斷程序，單片機(jī)開始用定時(shí)器進(jìn)行計(jì)時(shí)。調(diào)用顯示子程序即可切換顯示不同騎行信息，若繼續(xù)使用碼表，則更新騎行信息，繼續(xù)顯示，否則結(jié)束碼表的使用。

4 物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)

TLINK物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)基本涵蓋了所有工業(yè)行業(yè)所需通訊協(xié)議，支持接入的傳感器種類基本涵蓋工業(yè)應(yīng)用的所有場(chǎng)景，與單片機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸比較簡(jiǎn)單，可行性高，將單片機(jī)處理的數(shù)據(jù)通過WiFi模塊上傳至物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)即可。登錄TLINK平臺(tái)后即可創(chuàng)建設(shè)備并定義其上傳協(xié)議，定義好所創(chuàng)建設(shè)備協(xié)議后就可以連接到設(shè)備。圖9是物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)連接設(shè)備后數(shù)據(jù)上傳界面，該界面便于騎行者了解自己的騎行數(shù)據(jù)，進(jìn)而對(duì)自己的騎行狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整。

云組態(tài)界面如圖10所示，通過添加云組態(tài)方便用戶直觀地看到數(shù)據(jù)變化。云組態(tài)搭建場(chǎng)景提供豐富的工業(yè)場(chǎng)景素材，拖拽組件，點(diǎn)擊快捷發(fā)布，即可創(chuàng)建個(gè)性化、場(chǎng)景化的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控中心畫面，可分享多人，同時(shí)管理查看。

5 結(jié)束語(yǔ)

本次設(shè)計(jì)基于keil軟件平臺(tái)，借助物聯(lián)網(wǎng)建立遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，加入運(yùn)動(dòng)消耗卡路里的計(jì)算與顯示，實(shí)現(xiàn)了包括騎行速度、單次里程、總里程、卡路里、環(huán)境溫濕度以及時(shí)間顯示等功能的碼表設(shè)計(jì)。對(duì)傳感器采集到的數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明本次設(shè)計(jì)基本達(dá)到預(yù)期要求。

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