嵌入式環(huán)境監(jiān)測及控制系統(tǒng)設(shè)計

接柏皓++郭俊磊++付美麗++楊自恒

摘 要：現(xiàn)代人們生活在互聯(lián)網(wǎng)時代，由物聯(lián)網(wǎng)進入“互聯(lián)網(wǎng)+”時代，人們對室內(nèi)環(huán)境的詳細參數(shù)也有了更高的要求。室內(nèi)家居環(huán)境是人們?nèi)粘Ｐ菹⒑图胰朔潘傻牡胤?，因此對室?nèi)環(huán)境的監(jiān)測不僅僅是個人健康的要求，也是對家人負(fù)責(zé)的態(tài)度。但是現(xiàn)在室內(nèi)裝修和使用的各類家居都大量使用各類漆類和膠類物質(zhì)，這些物質(zhì)揮發(fā)后會產(chǎn)生很多有害物質(zhì)。本設(shè)計采用以STM32微控制器為中心，通過傳感器采集環(huán)境各類信息加以處理，通過不同的決策命令來控制各類調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境。

關(guān)鍵詞：嵌入式 環(huán)境監(jiān)測 動態(tài)控制

中圖分類號：TP274 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）09（c）-0129-02

1 系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)采用STM32微控制器-STM32f407zgt6。該芯片采用最新的ARMcortex-m4內(nèi)核架構(gòu)，工作頻率可以達到168MHz，內(nèi)置1M的Flash和196的RAM可以滿足多數(shù)的控制類應(yīng)用。基于STM32F407ZGT6微控制器的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測及控制系統(tǒng)的總體設(shè)計設(shè)計框圖如圖1所示。

該系統(tǒng)主要包含以下模塊。

1.1 顯示模塊

用于顯示室內(nèi)環(huán)境參數(shù)和實時控制的狀態(tài)，用于本地控制。

1.2 傳感器采集模塊

用于連接傳感器，通過各種傳感器采集環(huán)境參數(shù)并上傳至控制器中。本設(shè)計傳感器模塊包含溫度、濕度、PM2.5各個子模塊。

微控制器模塊：該設(shè)計系統(tǒng)的主要部分，完成對傳感器上傳的數(shù)據(jù)進行處理分析，生成相應(yīng)的控制命令，同時完成各個模塊之間的銜接溝通功能，是系統(tǒng)設(shè)計的核心。

控制器模塊：用于將微控制器生成的命令進行實行的模塊，該模塊包含指示燈、蜂鳴器、各類通信接口，用于控制各個環(huán)境調(diào)節(jié)執(zhí)行器。

存儲模塊：用于存儲環(huán)境和各類系統(tǒng)中使用的相關(guān)參數(shù)，同時用于系統(tǒng)初始化時讀取用戶設(shè)定的參數(shù)值。

2 硬件設(shè)計

該系統(tǒng)硬件設(shè)計的整體框圖如圖2所示。

圖2中通過溫度、濕度、PM2.5傳感器采集室內(nèi)環(huán)境參數(shù)然后傳輸給微控制器，微控制器通過處理環(huán)境參數(shù)生成控制命令，通過控制口將命令輸出進執(zhí)行器，完成對室內(nèi)環(huán)境的調(diào)節(jié)。與此同時，還使用DGUS屏幕實時顯示環(huán)境狀態(tài)，使用網(wǎng)絡(luò)接口將環(huán)境信息遠程傳輸給PC端，并通過PC端控制微控制器的使用。同時使用EEPROM存儲相關(guān)數(shù)據(jù)，方便用戶查閱信息。

本設(shè)計采用STM32F407ZGT6，該芯片共144個引腳，采用TQFP封裝。其核心電路包含時鐘電路、晶振電路、下載電路、濾波電路、電源電路。系統(tǒng)主時鐘使用的25MHz晶振，利用PLL倍頻到168MHz作為CPU系統(tǒng)時鐘。系統(tǒng)默認(rèn)使用外部時鐘，當(dāng)外部晶振電路不存在時使用內(nèi)部時鐘。而內(nèi)部低速時鐘用來當(dāng)作看門狗和RTC時鐘的主時鐘源。

RTC電路：通常提供年月日詳細系統(tǒng)時間。其電路僅僅需要一個32.768kHz的晶振和一些電阻設(shè)計采用PCF8563T芯片提供RTC服務(wù)。

看門狗電路：主要任務(wù)是在當(dāng)系統(tǒng)因為不確定因素發(fā)生難以恢復(fù)的故障時，通過將系統(tǒng)芯片強制復(fù)位處理以此保護系統(tǒng)的其他部分，并且防止故障的蔓延。

通信電路：主要包含RS232、RS485、網(wǎng)絡(luò)電路。設(shè)計中使用TLP2362電源轉(zhuǎn)換芯片隔離電源噪聲，使用ZT13085E芯片作為458收發(fā)器。使用DP83848作為網(wǎng)絡(luò)PHY芯片。

存儲電路：存儲電路采用FM24CL64鐵電存儲器。其有存儲時間長、操作簡單、讀寫次數(shù)多的優(yōu)點。

3 軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計采用KEIL u Vision4集成開發(fā)環(huán)境。軟件系統(tǒng)主要包括系統(tǒng)初始化、環(huán)境參數(shù)采集、多傳感器數(shù)據(jù)融合、控制命令生成、數(shù)據(jù)液晶顯示以及實時時鐘。軟件系統(tǒng)框圖如圖3所示。

軟件系統(tǒng)是以UCOSIII為操作系統(tǒng)完成多任務(wù)設(shè)計，uC/OS-III是第3代的實時操作系統(tǒng)內(nèi)核，支持現(xiàn)代的實時內(nèi)核所期待的大部分功能。該系統(tǒng)常用API函數(shù)僅僅70多個，方便開發(fā)者進行編程。軟件程序運行流程圖如圖4所示。

軟件對系統(tǒng)初始化，包括對系統(tǒng)時鐘、GPIO口，中斷的配置，對各數(shù)字傳器寄存器進行初始化，I2C總線、ADC、RTC實時時鐘、USART等初始化。通過監(jiān)測存儲器中相關(guān)數(shù)據(jù)的地址判斷該系統(tǒng)是否是首次運行，如果是首次運行則進行正常運行程序；如果不是首次運行，則需要讀取存儲器中用戶保存的設(shè)定數(shù)據(jù)，然后繼續(xù)運行；這種設(shè)定方便一次設(shè)定保存之后不用每次開機都反復(fù)設(shè)定。傳感器初始化之后進行采集環(huán)境數(shù)據(jù)，采集周期是5ms每次，然后對數(shù)據(jù)處理生成控制命令。處理后的數(shù)據(jù)可以傳輸?shù)狡聊簧弦部梢詡鬏數(shù)骄W(wǎng)絡(luò)之上。

4 系統(tǒng)測試

該環(huán)境監(jiān)測儀數(shù)據(jù)顯示是通過STM32微處理器的 FSMC總線驅(qū)動DGUS顯示屏來實現(xiàn)的，液晶屏數(shù)據(jù)每50ms更新一次。圖5為哈爾濱黑龍江大學(xué)實驗室2017年4月25日16時14分采集到的數(shù)據(jù)。從DGUS屏上可以看到當(dāng)時氣溫為26.0℃，濕度為25.5%RH，PM2.5的值為9。因此可以看出正常采集并顯示各要素數(shù)據(jù)。

5 展望

（1）通過對系統(tǒng)的疲勞度測試，系統(tǒng)穩(wěn)定運行160h無任何錯誤產(chǎn)生，可以準(zhǔn)確監(jiān)測室內(nèi)環(huán)境。該設(shè)備具有以下優(yōu)點：

①系統(tǒng)穩(wěn)定，設(shè)計簡單。

②選用目前市場上同類器件中性價比較高的元器件，大幅降低了成本。

③系統(tǒng)功耗低。

（2）由于受研究時間和測試條件的限制，系統(tǒng)有以下兩方面的問題亟待改進。

①豐富監(jiān)測環(huán)境參數(shù)。

②設(shè)備小型化、微型化，同時可以支持安卓云服務(wù)。

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