基于STM32和RTEMS的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

朱 慧，王軍陣，陳 琳，黃人杰

（中國(guó)衛(wèi)星海上測(cè)控部 江蘇 江陰214413）

基于STM32和RTEMS的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

朱 慧，王軍陣，陳 琳，黃人杰

（中國(guó)衛(wèi)星海上測(cè)控部 江蘇 江陰214413）

基于STM32微處理器及REMS嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)溫濕度、光照強(qiáng)度和粉塵濃度的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。數(shù)據(jù)終端采集數(shù)據(jù)，通過串口將環(huán)境數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)控主機(jī)。采用Qt5.4.2實(shí)現(xiàn)可視化界面，完成環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、歷史查詢和報(bào)警等功能。

環(huán)境監(jiān)測(cè)；STM32；RTEMS；Qt

隨著科技的不斷發(fā)展進(jìn)步，環(huán)境參數(shù)對(duì)倉庫物品的存儲(chǔ)、工業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)、科學(xué)實(shí)驗(yàn)和不間斷工作設(shè)備的影響越來越不容忽視[1-3]，從糧食儲(chǔ)藏、溫室培養(yǎng)、工作車間、無塵實(shí)驗(yàn)室到裝備機(jī)房農(nóng)業(yè)和工業(yè)的工作過程中，都對(duì)溫濕度等室內(nèi)環(huán)境參數(shù)提出了更高的要求[4-8]。目前，國(guó)內(nèi)的許多環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用的是定時(shí)巡查，觀測(cè)和記錄各項(xiàng)分立的環(huán)境參數(shù)并根據(jù)參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的處理，無法24小時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的變化，在無人值守時(shí)，無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并處理，這在一些對(duì)環(huán)境參數(shù)要求較高的室內(nèi)無疑是一個(gè)非常不利的因素。因此，急需一種全天候在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

文中根據(jù)環(huán)境監(jiān)控特點(diǎn)和需求，提出了一種基于STM32和RTEMS的環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通過STM32F407采集室內(nèi)溫度、濕度、光照強(qiáng)度和粉塵濃度環(huán)境參數(shù)信息，采用嵌入式操作系統(tǒng)RTEMS4.11作為室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)的軟件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示，并將環(huán)境參數(shù)信息通過串口上傳至監(jiān)控主機(jī)，在監(jiān)控主機(jī)上基于Qt5.4.2編寫圖形用戶接口，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控、存儲(chǔ)和閾值報(bào)警等功能。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要是以STM32F407為核心，基于Cortex-M4的STM32F407微處理器具有低功耗、高性能、外設(shè)完善等優(yōu)點(diǎn)。采用溫濕度傳感器STH11、光強(qiáng)度傳感器BH1750和粉塵濃度傳感器GP2Y1010AU0F對(duì)室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)測(cè)量和LCD數(shù)字顯示，并通過串口上傳到監(jiān)控主機(jī)完成對(duì)室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。硬件電路主要由電源模塊、復(fù)位模塊、鍵盤模塊、LCD顯示模塊、通信模塊和環(huán)境采集模塊等組成，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1 STM32F407與溫濕度傳感器電路設(shè)計(jì)

圖1 環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

溫濕度傳感器選用瑞士Sensirion公司生產(chǎn)的SHT11，該傳感器具有二線串行接口的單片全校準(zhǔn)數(shù)，測(cè)量范圍為-40～123.8℃。對(duì)于14位的分辨率為0.01℃。每個(gè)傳感器芯片都在極為精確的溫濕度總標(biāo)定，標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)以程序形式存在OTP內(nèi)存中，在測(cè)量中可以自動(dòng)校準(zhǔn)，無需外部模擬電子電路，可以方便、快速的進(jìn)行系統(tǒng)集成，具有100%的互換性。SHT11與STM32的連接電路圖如圖2所示SHT11提供二線數(shù)字串行接口SCK和DATA，支持CRC傳輸校驗(yàn)。高度集成，講溫度感測(cè)、濕度感測(cè)、信號(hào)變換、A/D轉(zhuǎn)換和加熱器等功能集成到一個(gè)芯片上，串行時(shí)鐘輸入線SCK用于STM32微控制器與SHT11之間的通信同步。

圖2 SHT11與STM32F407的接口電路

1.2 STM32F407與光照傳感器的電路設(shè)計(jì)

光照強(qiáng)度傳感器選用BH1750，BH1750環(huán)境光傳感器內(nèi)置16位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，它能夠直接輸出一個(gè)數(shù)字信號(hào)，它是半導(dǎo)體制造商BOHM為適應(yīng)便攜式移動(dòng)終端而開發(fā)處的具有優(yōu)良光譜靈敏度特性、16bit串行輸出數(shù)字環(huán)境亮度傳感器。芯片工作電壓為3.3 V，內(nèi)置了16bit數(shù)模轉(zhuǎn)換器，可對(duì)廣泛的亮度進(jìn)行1勒克斯的高精度測(cè)定，當(dāng)物體在均勻的光照下它能夠在每平方米獲得1l勒克斯的光通量，它們的光強(qiáng)度是1l勒克斯，實(shí)現(xiàn)了照明度數(shù)字值的直接輸出。

為了充分利用光源，可在光照采集處增加一個(gè)光源的反射裝置，以提高光照傳感器數(shù)據(jù)采集效率。BH1750與STM32F407的連接電路圖如圖3所示，控制器通過BH1750采集環(huán)境光的強(qiáng)弱的數(shù)據(jù)。主控制器與BH1750之間的通信使用標(biāo)準(zhǔn)的I2C協(xié)議，選用了STM32F407的I2C1外設(shè)模塊，并將其SCL和SDA分別映射到PB6和PB7管腳。

圖3 BH1750與STM32F407的接口電路

1.3 STM32F407與粉塵濃度傳感器的電路設(shè)計(jì)

粉塵濃度傳感器可以感應(yīng)空氣中的塵埃粒子。GP2Y1010AU0F是夏普公司生產(chǎn)的一款光學(xué)空氣質(zhì)量傳感器，內(nèi)部裝有紅外發(fā)光二極管和光電晶體管，其發(fā)射的紅外光經(jīng)空氣中塵埃微粒反射后被探測(cè)，輸出為模擬電壓，其值與粉塵濃度成正比。GP2Y1010AU0F可測(cè)量0.8 um以上的微小粒子，如煙草煙霧顆粒等非常細(xì)小的微粒都可以被檢測(cè)到。該傳感器工作所需電流低（最大20 mA，典型值11 mA），可使用高達(dá)7 V的直流電源供電，并且具有價(jià)格便宜、體積小、重量輕和便于安裝等優(yōu)點(diǎn)。本設(shè)計(jì)中采用STM32F407的PB8驅(qū)動(dòng)粉塵濃度傳感器的LED，將粉塵濃度傳感器輸出通過LM318連接到STM32F407微控制器的PC1引腳，并經(jīng)過計(jì)算可以得到空氣中的粉塵濃度，粉塵濃度傳感器與STM32F407單片機(jī)連接的電路如圖4所示。

圖4 STM32F407與GP2Y1010AU0F的接口電路

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

RTEMS是一個(gè)為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的自由的開源實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，并且是無版稅開源的，能移植于各種微處理器，支持ADA，POSIX等開發(fā)，其最初是為美國(guó)國(guó)防系統(tǒng)開發(fā)，后廣泛應(yīng)用于航空航天、軍工以及民用各個(gè)領(lǐng)域，現(xiàn)在由OAR公司負(fù)責(zé)版本的升級(jí)和維護(hù)。本設(shè)計(jì)方案將RTEMS4.11移植到STM32F407微控制器上，嵌入式操作系統(tǒng)RTEMS對(duì)多處理器提供了很好的支持，具有較高的靈活性和易用性，通過實(shí)施調(diào)度將控制權(quán)交給當(dāng)前最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)。各任務(wù)之間使用信號(hào)量、消息郵箱、消息隊(duì)列來實(shí)現(xiàn)通信，保證了任務(wù)之間的同步性與互不干擾性，軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

主要包括傳感器信息采集任務(wù)、顯示任務(wù)和通信任務(wù)等，其中，顯示任務(wù)主要顯示當(dāng)前時(shí)間、溫度、濕度、光照強(qiáng)度和粉塵濃度，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境參數(shù)的可視化；3個(gè)傳感器信息采集任務(wù)主要負(fù)責(zé)溫濕度、光照強(qiáng)度和粉塵濃度環(huán)境參數(shù)的采集；通信任務(wù)則負(fù)責(zé)將采集的環(huán)境參數(shù)通過串口實(shí)時(shí)發(fā)送給PC機(jī)，供PC機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、存儲(chǔ)和處理操作。

圖5 嵌入式RTEMS系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框圖

2.2 系統(tǒng)整體實(shí)現(xiàn)

PC機(jī)系統(tǒng)軟件則采用C++語言，基于Qt5.4.2進(jìn)行開發(fā)，軟件系統(tǒng)的主要功能包括通過SerialPort獲取嵌入式采集終端的環(huán)境參數(shù)，對(duì)數(shù)據(jù)作進(jìn)一步的處理，實(shí)現(xiàn)環(huán)境參數(shù)的自動(dòng)存儲(chǔ)，提供查詢功能，將實(shí)時(shí)接收的環(huán)境參數(shù)顯示到監(jiān)測(cè)系統(tǒng)界面，并實(shí)現(xiàn)各參數(shù)的超限報(bào)警功能，系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)的界面如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)顯示界面

3 結(jié)束語

以基于CORTEX-M4的微處理器STM32F407及嵌入式操作系統(tǒng)RTEMS為系統(tǒng)核心，提出了一種環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。采用溫濕度傳感器SHT11、光照強(qiáng)度傳感器BH1750和粉塵傳感器GP2Y1010AU0F進(jìn)行室內(nèi)環(huán)境參數(shù)采集，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)開發(fā)的復(fù)雜度。軟件設(shè)計(jì)采用了可靠性高、開源免費(fèi)的嵌入式操作系統(tǒng)RTEMS，便于系統(tǒng)的后續(xù)擴(kuò)展，利于維護(hù)?；赒t5.4.2設(shè)計(jì)了室內(nèi)環(huán)境監(jiān)控上位機(jī)軟件，完成了對(duì)室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，環(huán)境參數(shù)的存儲(chǔ)、歷史數(shù)據(jù)的查詢和閾值報(bào)警等功能。系統(tǒng)具有體積小、成本低廉和易于擴(kuò)展等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于大部分室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。

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Design and realization of environmental monitoring system based on STM32 and RTEMS

ZHU Hui，WANG Jun-zhen，CHEN Lin，HUANG Ren-jie
（China Satellite Marine Tracking and Control Department，Jiangyin 214413，China）

In this paper，the design and realization of environmental monitoring system including humiture，illumination and dust concentration base on the microprocessor of STM32 and the embedded real-time operating system of RTEMs.The collected data of terminal is transmitted to monitoring computer via serial interface.The real-time monitoring is completed with the visualization interface base on Qt5.4.2 which contains data storage，historical query and alarm.

environmental monitoring； STM32； RTEMS； Qt

TP391

A

1674－6236（2017）16-0077-03

2016-07-03稿件編號(hào)：201607012

朱 慧（1983—），女，江蘇鹽城人，工程師。研究方向：網(wǎng)絡(luò)管理。