基于μcos II的貯運(yùn)溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究*

許富景，馬鐵華，李新娥

（1.中北大學(xué) 儀器與科學(xué)動(dòng)態(tài)測試教育部實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051；2.中北大學(xué) 電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051）

基于μcos II的貯運(yùn)溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究*

許富景1，2，馬鐵華1，2，李新娥1，2

（1.中北大學(xué) 儀器與科學(xué)動(dòng)態(tài)測試教育部實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051；2.中北大學(xué) 電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051）

針對(duì)貯運(yùn)溫濕度監(jiān)測過程中，監(jiān)測設(shè)備體積大、功耗高、布線繁雜的難點(diǎn)，提出了一種基于μcos II的嵌入式低功耗貯運(yùn)溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)采用嵌入式設(shè)計(jì)，提出低功耗策略將系統(tǒng)最低功耗降至200 μA以下。系統(tǒng)以STM32F407作為中央處理器，以大容量SD卡作為存儲(chǔ)介質(zhì)，將系統(tǒng)體積降至60×80×20(mm3)以下，并運(yùn)用ANSYS對(duì)其結(jié)構(gòu)可靠性進(jìn)行了分析。以紅外通信方式作為數(shù)據(jù)讀取方式，解決了設(shè)備布線繁雜的難點(diǎn)?，F(xiàn)場試驗(yàn)表明，系統(tǒng)具有監(jiān)測精確、布設(shè)靈活、數(shù)據(jù)讀取便捷的特點(diǎn)。

貯運(yùn)監(jiān)測；μcos II；低功耗；ANSYS

0　引言

隨著現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展，許多領(lǐng)域?qū)囟群蜐穸葍蓚€(gè)環(huán)境參數(shù)的要求越來越高，這就對(duì)溫度和濕度參量的監(jiān)測技術(shù)提出更高的要求。博物館、圖書館等貴重物品的貯存，糧食、農(nóng)副產(chǎn)品的貯運(yùn)，石油、天然氣等能源物資的儲(chǔ)運(yùn)等等都需要合適的溫濕度環(huán)境[1-3]。這些應(yīng)用場合往往對(duì)監(jiān)測設(shè)備體積、監(jiān)測設(shè)備功耗和設(shè)備是否需要外部布線有較高的要求。目前，國內(nèi)該類技術(shù)仍較為欠缺，多數(shù)場合仍需人工操作進(jìn)行監(jiān)測，不能滿足貯運(yùn)過程對(duì)非接觸式遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測參數(shù)的要求。最近幾年隨著ZigBee技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了一部分利用 ZigBee實(shí)現(xiàn)的遠(yuǎn)程監(jiān)測技術(shù)。該類監(jiān)測設(shè)備雖然實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)測，然而監(jiān)測設(shè)備微型化、智能化、低功耗水平較差[4]，使得監(jiān)測設(shè)備難以達(dá)到長時(shí)間監(jiān)測的應(yīng)用需求。此外，這類監(jiān)測設(shè)備一般采用有線數(shù)據(jù)傳輸或者ZigBee傳輸方式，受到數(shù)據(jù)傳輸速率的影響，數(shù)據(jù)讀取誤碼率很高，且讀取很不便捷。

為了解決上述問題，本文研制了一種基于 μcos II的貯運(yùn)過程溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)通過嵌入式技術(shù)設(shè)計(jì)的應(yīng)用和低功耗監(jiān)測策略的制定降低系統(tǒng)功耗；通過大規(guī)模集成電路和溫濕度數(shù)字化集成傳感器的應(yīng)用降低系統(tǒng)體積；系統(tǒng)選用大容量SD卡作為存儲(chǔ)介質(zhì)，采用紅外無線方式讀取數(shù)據(jù)和對(duì)設(shè)備進(jìn)行配置。既實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測設(shè)備獨(dú)立遠(yuǎn)程監(jiān)測，同時(shí)又滿足了設(shè)備低功耗要求，大大提高了溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)的便攜性和通用性。

1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1系統(tǒng)組成設(shè)計(jì)

為滿足貯運(yùn)過程設(shè)備安裝空間小、無法外部供電以及不能遠(yuǎn)程布線的要求，監(jiān)測系統(tǒng)需具備獨(dú)立工作、無線操作和數(shù)據(jù)讀取便捷的特點(diǎn)。基于μcos II的貯運(yùn)溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用示意圖如圖1所示，監(jiān)測系統(tǒng)完成貯運(yùn)環(huán)境溫濕度信息的采集與存儲(chǔ)，通過紅外通信方式將數(shù)據(jù)上傳于上位機(jī)，建立相應(yīng)數(shù)據(jù)庫對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)管理。

圖1　監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用示意圖

受到Flash數(shù)據(jù)讀取速度和傳輸方式的限制，本監(jiān)測系統(tǒng)采用 SD卡作為主存儲(chǔ)介質(zhì)而將 Flash存儲(chǔ)器作為備份存儲(chǔ)器，這樣既更便于監(jiān)測系統(tǒng)與上位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸，又增加了數(shù)據(jù)可靠性，監(jiān)測系統(tǒng)組成框圖如圖2所示。由于溫濕度環(huán)境參量一般變化緩慢，故正常情況下監(jiān)測系統(tǒng)按照1 min一次記錄溫濕度信息，當(dāng)環(huán)境參量異常時(shí)，如溫濕度參量發(fā)生突變或超出預(yù)設(shè)危險(xiǎn)閾值時(shí)，監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)出預(yù)警且進(jìn)入實(shí)時(shí)采樣模式，此時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)按照1 Hz(可通過紅外配置)采樣頻率采集環(huán)境信息。兩種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換通過自行研制的運(yùn)動(dòng)感知開關(guān)進(jìn)行切換。

圖2　系統(tǒng)組成框圖

傳感器的性能指標(biāo)直接影響著測試系統(tǒng)的體積和測試精度。為此，本文選取Sensirion公司研制的新一代溫濕度數(shù)字化傳感器SHT25，其集成體積只有3×3×1.1(mm3)，其中濕度傳感器為電容式相對(duì)濕度傳感器，溫度傳感器為能隙溫度傳感器，測量精度相對(duì)熱電偶溫度傳感器和干濕球濕度傳感器較高[5]。SHT25溫濕度傳感器采用 I2C通信接口與外界通信，其原理圖如圖3所示。

圖3　SHT25傳感器電路原理圖

1.2紅外設(shè)計(jì)

常用的短距離無線通信技術(shù)有藍(lán)牙、WiFi、紅外、ZigBee等等，但其中紅外通信技術(shù)的速率較快、功耗較低、誤碼率較低，這里采用紅外通信作為監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)讀取與上位機(jī)對(duì)監(jiān)測系統(tǒng)采樣頻率和工作狀態(tài)等參數(shù)進(jìn)行配置的方式，具體指標(biāo)參數(shù)如表1所示。紅外通信采用IrDA1.2標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)傳輸格式為3/16歸零碼格式，調(diào)制解調(diào)遵循圖4所示格式。

表1　紅外通信參數(shù)表

圖4　IrDA調(diào)制解調(diào)示意圖

1.3嵌入式設(shè)計(jì)

基于 μcos II的貯運(yùn)溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)的中央處理器采用STM32F407型號(hào)ARM。選用該型號(hào)ARM的主要目的即為嵌入式設(shè)計(jì)[6-7]。嵌入式系統(tǒng)支持多任務(wù)管理，實(shí)時(shí)性很強(qiáng)，有利于降低系統(tǒng)功耗和提升設(shè)備智能化水平。目前常用的嵌入式操作系統(tǒng)有 μcosII、Linux和 WinCE等，但 μcosII系統(tǒng)代碼量最小，最適合在自主式設(shè)備中移植，故本文采用 μcosII系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)一般由硬件層、驅(qū)動(dòng)層和應(yīng)用層組成[8]，基于μcosII的嵌入式開發(fā)框圖如圖5所示。應(yīng)用層程序中完成了傳感器數(shù)據(jù)的讀取與配置、SD卡的讀寫、紅外和 I2C接口通信，進(jìn)行了系統(tǒng)低功耗策略設(shè)計(jì)等。其流程圖如圖6所示。

圖5　基于μcosII的嵌入式開發(fā)框圖

圖6　應(yīng)用程序流程圖

2　系統(tǒng)可靠性分析

監(jiān)測系統(tǒng)通過大規(guī)模集成電路的使用、溫濕度數(shù)字化傳感器的集成以及低功耗策略的制定三個(gè)方面減小體積，最終將監(jiān)測系統(tǒng)體積控制在 60×80×20(mm3)以內(nèi)。系統(tǒng)殼體材料選用材質(zhì)較輕的鋁合金材料，因?yàn)楸O(jiān)測系統(tǒng)體積較小、殼體較薄，且要具有較高的可靠性和一定的抗沖擊性能。利用ANSYS有限元分析法對(duì)殼體抗沖擊性能進(jìn)行靜態(tài)分析。選取單元類型為 SOLID45，則建模結(jié)果如圖7所示[9]。分析可知，20 000 g加速度載荷對(duì)于貯運(yùn)過程監(jiān)測系統(tǒng)所處環(huán)境應(yīng)是極限加速度值，此時(shí)利用ANSYS靜態(tài)分析仿真監(jiān)測系統(tǒng)形變結(jié)果。分別在監(jiān)測系統(tǒng) X、Y、Z方向施加20 000 g加速度載荷，則其靜態(tài)形變量分別如圖8、圖9、圖10所示。仿真結(jié)果顯示，在 20 000 g加速度載荷作用下，監(jiān)測系統(tǒng)殼體最大形變量為 0.03 mm，遠(yuǎn)小于殼體厚度，不會(huì)對(duì)系統(tǒng)本身造成損傷，結(jié)構(gòu)可靠性較高。

圖7　貯運(yùn)溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)建模結(jié)果

圖8　X方向20 000 g載荷作用下系統(tǒng)形變結(jié)果

圖9　Y方向20 000 g載荷作用下系統(tǒng)形變結(jié)果

圖10　Z方向200 00 g載荷作用下系統(tǒng)形變結(jié)果

3　系統(tǒng)測試

為綜合驗(yàn)證貯運(yùn)環(huán)境參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)功能，選取某小型倉庫進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)在監(jiān)測對(duì)象包裝箱上布設(shè)環(huán)境參數(shù)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)。環(huán)境參數(shù)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)在貯存狀態(tài)下每天采集一次環(huán)境參數(shù)，而運(yùn)輸過程則按照1 kHz采樣頻率進(jìn)行采集。貯運(yùn)環(huán)境溫度監(jiān)測結(jié)果如圖11所示，貯運(yùn)濕度監(jiān)測結(jié)果如圖12所示。

圖11　貯運(yùn)環(huán)境溫度監(jiān)測結(jié)果

圖12　貯運(yùn)環(huán)境濕度監(jiān)測結(jié)果

與標(biāo)準(zhǔn)溫度、濕度傳感器對(duì)貯運(yùn)環(huán)境測量結(jié)果對(duì)比，環(huán)境參數(shù)智能監(jiān)測節(jié)點(diǎn)測量誤差如表2所示。由表2可知，溫度測量誤差小于0.8%，濕度測量誤差小于1%。

表2　環(huán)境參數(shù)監(jiān)測誤差

4　結(jié)論

針對(duì)目前貯運(yùn)溫濕度監(jiān)測領(lǐng)域中，監(jiān)測設(shè)備體積大、功耗高、布線繁雜的難點(diǎn)，本文提出一種基于 μcos II的貯運(yùn)溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)以STM32F407作為中央處理器提出低功耗策略，將系統(tǒng)最低功耗降至200 μA以下。系統(tǒng)通過大規(guī)模集成電路的應(yīng)用，以SD卡作為存儲(chǔ)介質(zhì)，將系統(tǒng)體積降至 60×80×20(mm3)以下，并對(duì)結(jié)構(gòu)可靠性進(jìn)行了ANSYS仿真。系統(tǒng)以紅外通信方式作為數(shù)據(jù)讀取方式，解決了設(shè)備布線繁雜的難點(diǎn)?，F(xiàn)場試驗(yàn)表明，該監(jiān)測系統(tǒng)溫度測量誤差小于0.8%，濕度測量誤差小于1.0%，系統(tǒng)布設(shè)靈活、數(shù)據(jù)讀取方便。

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Design and study of temperature and humidity monitoring system based on μcos II during storage and transportation process

Xu Fujing1，2，Ma Tiehua1，2，Li Xin′e1，2
(1.Key Laboratory for Instrumentation Science&Dynamic Measurement，Minstry of Education，North University of China，Taiyuan 030051，China；2.National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology，North University of China，Taiyuan 030051，China)

Aiming at large volumes,high power consumptions and wiring complexities of monitoring equipments during the temperature and humidity monitoring process of storage and transportation environment,a low power consumption embedded storage and transportation temperature and humidity monitoring system based on μcos II is presented.The system uses embedded design,then a low power strategy is proposed,which reduces the minimum of power consumption to 200 μA.The STM32F407 is choosed as central processor and the high capacity SD card is used as the system storage medium,so the volume of monitoring system is decreased to 60×80×20(mm3).The reliability of structure is analyzed by ANSYS.The wiring complexities of monitoring equipments is solved by using infrared communication to read data.The field test results show that the system has advantages of accurate monitoring,layout flexibility,and convenient data reading.

storage and transportation monitoring；μcos II；low power consumption；ANSYS

TH86

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.02.016

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61471385)；研究生科技立項(xiàng)(20151250)

（2015-11-04）

許富景(1989-)，男，博士研究生，主要研究方向：動(dòng)態(tài)測試與智能儀器。

馬鐵華(1964-)，男，博士生導(dǎo)師，主要研究方向：動(dòng)態(tài)測試與智能儀器。

李新娥(1971-)，男，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向：動(dòng)態(tài)測試與傳感原理。

中文引用格式：許富景，馬鐵華，李新娥.基于 μcos II的貯運(yùn)溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42 (2)：61-63，67.

英文引用格式：Xu Fujing，Ma Tiehua，Li Xin′e.Design and study of temperature and humidity monitoring system based on μcos II during storage and transportation process[J].Application of Electronic Technique，2016，42(2)：61-63，67.