海洋表面溫濕度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

徐鳳新

（上海海事大學(xué)信息工程學(xué)院，上海 201306）

0 引言

溫度和濕度是同類人生活密切相關(guān)的重要環(huán)境參數(shù)，海洋溫濕度數(shù)據(jù)也是進(jìn)行衛(wèi)星輻射定標(biāo)的重要數(shù)據(jù)。因此設(shè)計(jì)一種海洋表面溫濕度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)于衛(wèi)星輻射定標(biāo)以及其他有關(guān)海洋環(huán)境的研究工作有著重要的意義。本系統(tǒng)利用溫濕度傳感器、SD存儲(chǔ)卡、ARM嵌入式處理器，結(jié)合北斗通信衛(wèi)星系統(tǒng)組成一個(gè)完整的溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)簡(jiǎn)單靈活，可在線、實(shí)時(shí)存儲(chǔ)和顯示溫濕度數(shù)據(jù)信息。和傳統(tǒng)的定期取回檢測(cè)相比，在線監(jiān)測(cè)減少了研究人員的工作量，也減少了數(shù)據(jù)丟失和數(shù)據(jù)失真等不必要的麻煩。而且本系統(tǒng)可移植性較高，可以移植運(yùn)用于其他相關(guān)的領(lǐng)域[1-2]。

1 系統(tǒng)介紹

海洋表面溫濕度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括：海上平臺(tái)、北斗數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和岸上平臺(tái)3部分，如圖1所示。

溫濕度傳感器對(duì)海洋表面的溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，ARM Cortex-M4作為數(shù)據(jù)處理終端的核心處理器對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行讀取分析，處理好的數(shù)據(jù)一路存儲(chǔ)在系統(tǒng)自帶的SD中，另一路通過RS-232串口傳送給北斗天線，透過北斗信道，最終將數(shù)據(jù)發(fā)送至岸上平臺(tái)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行接收、存儲(chǔ)和實(shí)時(shí)顯示。

圖1 系統(tǒng)的整體框架

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)處理終端

數(shù)據(jù)處理終端主要包括：主控系統(tǒng)、溫濕度傳感器模塊和雙路SD卡模塊，并引出兩個(gè)接口，一個(gè)為太陽能供電接口，連接太陽能供電系統(tǒng)，另一個(gè)為北斗天線接口，連接北斗衛(wèi)星信號(hào)發(fā)射天線。數(shù)據(jù)處理終端以ARM Cortex-M4處理器為主控芯片，采用DHT22數(shù)字溫濕度傳感器，為了保證數(shù)據(jù)的安全性，采用雙路SD卡系統(tǒng)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。整個(gè)數(shù)據(jù)處理終端的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)處理終端的結(jié)構(gòu)圖

（1）ARM Cortex-M4處理器

本系統(tǒng)采用ST公司（意法半導(dǎo)體）基于ARM Cor?tex-M4內(nèi)核的STM32 F4系列高性能微控制器。具體型號(hào)為STM32F407ZGT6。該芯片時(shí)鐘頻率高達(dá)168MHz，擁有 1024KB Flash,192+4KB 的 SRAM，工作電壓1.8V～3.6V，工作溫度范圍-40～80℃。該系列的微處理器具有高性能、低功耗、低價(jià)格、技術(shù)成熟和資料齊全等優(yōu)點(diǎn)[3]。

STM32F407ZGT6是本系統(tǒng)的核心控制器，在本系統(tǒng)中起著重要的作用，承擔(dān)著連接溫濕度傳感器，獲取、處理并存儲(chǔ)溫濕度數(shù)據(jù)，與北斗衛(wèi)星發(fā)射天線進(jìn)行通信等重要職責(zé)。圖3為ARM Cortex-M4結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。

圖3 ARM Cortex-M4結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

（2）溫濕度傳感器

本系統(tǒng)采用的溫濕度傳感器為DHT22，是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。它運(yùn)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。傳感器包括一個(gè)電容式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件，并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接。DHT22具備超小的體積、極低的功耗，信號(hào)傳輸距離可達(dá)20米以上等優(yōu)點(diǎn)，采用單排引腳封裝，連接方便。溫濕度傳感器電路圖如圖4所示[4]。

DHT22的供電電壓范圍為3.3V～5.5V，建議供電電壓為5V。數(shù)據(jù)線SDA引腳為三態(tài)結(jié)構(gòu)，用于讀寫傳感器數(shù)據(jù)，在應(yīng)用電路中，需加一個(gè)5.1K的上拉電阻。3腳為懸空引腳，不能接VDD或者GND，4腳為GND。

圖4 溫濕度傳感器電路圖

（3）Micro SD卡模塊

由于海上環(huán)境的特殊性，為了保證數(shù)據(jù)的安全，本系統(tǒng)采用雙路8GB Micro SD卡進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。Micro SD卡支持兩種工作模式：SPI模式和SDIO模式。SPI是利用4根信號(hào)線進(jìn)行通信的串行接口協(xié)議，包括主/從兩種模式。SPI模式雖然簡(jiǎn)單易用，但是卻損失了傳輸速度。SDIO模式采用SDIO接口，SDIO接口可擴(kuò)展性更強(qiáng),傳輸速度更快,旨在為移動(dòng)設(shè)備提供高速低功耗I/O數(shù)據(jù)傳輸解決方案。SDIO有三種工作模式:SPI、1位SD模式、4位SD模式。所以綜合比較，選擇SDIO模式更能滿足系統(tǒng)的需要[5]。SD卡模塊和STM32連接的電路圖如圖5所示。

2.2 北斗信道傳輸方案

本系統(tǒng)是投放于寬闊的海洋上的，那么遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸只能借助于無線網(wǎng)絡(luò)通信。由表1可知，在無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋地區(qū)，選擇GSM、GPRS、CDMA中的任意一種都可以達(dá)到數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪康?，但在沒有網(wǎng)絡(luò)覆蓋的區(qū)域，以上方式都會(huì)失效。本系統(tǒng)單位時(shí)間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不大，但安全性和實(shí)時(shí)性要求很高，并且海上平臺(tái)位于遠(yuǎn)海，通信環(huán)境惡劣，綜合以上因素考慮，在我國(guó)境內(nèi)無盲區(qū)的北斗衛(wèi)星通信方式成為首選[6]。

圖5 SD卡模塊連接電路圖

表1 幾種常用的無線通信方式的比較

（1）北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)是我國(guó)自主研制開發(fā)的區(qū)域性有源三維衛(wèi)星定位與通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要有快速定位、簡(jiǎn)短通信和精密授時(shí)三大功能，是繼美國(guó)的全球定位系統(tǒng)（GPS）、俄羅斯的GLONASS之后第三個(gè)成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)具有通信、定位和授時(shí)三大功能，本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸主要是運(yùn)用了北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的通信功能，北斗一代衛(wèi)星以及北斗二代衛(wèi)星中的靜止軌道衛(wèi)星均提供通信服務(wù)。

北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)覆蓋范圍廣、沒有通信盲區(qū)、信息加密傳輸安全。用戶終端機(jī)分為指揮型用戶機(jī)和通信型用戶機(jī)，指揮型用戶機(jī)可以監(jiān)收其所有下屬用戶機(jī)的通信數(shù)據(jù)，并可以向其任一下屬用戶機(jī)發(fā)送命令或與其進(jìn)行數(shù)據(jù)通信[6]。

（2）北斗衛(wèi)星天線

本系統(tǒng)所選用的北斗衛(wèi)星天線為北斗一號(hào)/GPS雙模一體式普通型用戶機(jī)，該款天線是由北京星地恒通信息科技有限公司研制。該天線可以適應(yīng)高鹽霧、高腐蝕海上使用環(huán)境，用戶可利用該產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)北斗定位、短信息通信功能和GPS定位功能。

圖6 北斗衛(wèi)星系統(tǒng)框圖

圖7 北斗衛(wèi)星天線示意圖

圖8 北斗衛(wèi)星天線實(shí)物圖

（3）北斗信道傳輸方案的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

北斗通信信道分為三個(gè)部分，海上平臺(tái)的北斗發(fā)射天線，岸上平臺(tái)的北斗接收天線以及北斗通信衛(wèi)星。數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较驗(yàn)椋汉Ｉ掀脚_(tái)北斗發(fā)射天線—北斗通信衛(wèi)星—岸上平臺(tái)北斗接收天線。北斗傳輸方案一共有三個(gè)接口，海上平臺(tái)北斗發(fā)射天線預(yù)留兩個(gè)接口，一個(gè)接口為24V太陽能供電電源接口，另一個(gè)為RS-232接口，用于連接數(shù)據(jù)處理終端。岸上平臺(tái)的北斗接收天線預(yù)留一個(gè)RS-232接口，用于連接岸站PC端，岸上平臺(tái)上的北斗接收天線供市電。圖9為北斗信道傳輸方案的拓?fù)浼敖Y(jié)構(gòu)示意圖。

圖9 北斗衛(wèi)星信號(hào)傳輸示意圖

2.3 太陽能供電系統(tǒng)

綜合考慮海上平臺(tái)的功耗、制作成本以及對(duì)海洋環(huán)境的影響，本系統(tǒng)海上平臺(tái)采用太陽能供電。太陽能是一種能量巨大、無污染、使用安全的能源[7]。

太陽能供電系統(tǒng)主要由太陽能電池板、控制器和儲(chǔ)能鉛蓄電池組成。整個(gè)太陽能供電系統(tǒng)有兩個(gè)接口，一個(gè)接口輸出電壓為5V，給數(shù)據(jù)處理終端供電，一個(gè)接口輸出電壓為24V，給北斗衛(wèi)星信號(hào)發(fā)射天線供電。太陽能供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖10所示。

圖10 太陽能供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件包括兩個(gè)部分，一部分是岸上平臺(tái)上運(yùn)行的數(shù)據(jù)接收程序和前端網(wǎng)頁實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)，另一部分是運(yùn)行在海上平臺(tái)STM32處理器內(nèi)部的數(shù)據(jù)處理和北斗信號(hào)傳輸程序。岸上平臺(tái)上的數(shù)據(jù)接收程序使用C語言編寫，在Linux系統(tǒng)下進(jìn)行運(yùn)行，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示網(wǎng)站使用LAMP（Linux操作系統(tǒng)+Apache服務(wù)器+MySQL數(shù)據(jù)庫+PHP語言）進(jìn)行系統(tǒng)環(huán)境的配置，網(wǎng)頁部分采用PHP語言進(jìn)行編寫。ARM Cortex-M4處理器內(nèi)運(yùn)行的程序是使用C語言在Keil UVision4開發(fā)平臺(tái)下編寫，主要包括兩部分，一是和北斗衛(wèi)星天線進(jìn)行通信，二是負(fù)責(zé)對(duì)溫濕度傳感器采集到得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、發(fā)送和存儲(chǔ)。

3.1 海上平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)

（1）FreeRTOS

FreeRTOS是一款可移植的、開放源代碼的微型實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核，它免費(fèi)下載、免版稅，并可用于商業(yè)應(yīng)用。它為多種不同的處理器架構(gòu)和開發(fā)工具提供移植包。每個(gè)官方移植包都包含一個(gè)配置好的應(yīng)用范例，用來展示內(nèi)核特性，加快學(xué)習(xí)進(jìn)程，并允許“開箱即用（out of the box）”式的開發(fā)[8-9]。

FreeRTOS提供的功能包括：任務(wù)管理、時(shí)間管理、信號(hào)量、消息隊(duì)列、內(nèi)存管理、記錄功能等，可基本滿足較小系統(tǒng)的需要。FreeRTOS內(nèi)核支持優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法，每個(gè)任務(wù)可根據(jù)重要程度的不同被賦予一定的優(yōu)先級(jí)，CPU總是讓處于就緒態(tài)的、優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)先運(yùn)行。FreeRT0S內(nèi)核同時(shí)支持輪換調(diào)度算法，系統(tǒng)允許不同的任務(wù)使用相同的優(yōu)先級(jí)，在沒有更高優(yōu)先級(jí)任務(wù)就緒的情況下，同一優(yōu)先級(jí)的任務(wù)共享CPU的使用時(shí)間。本系統(tǒng)處理任務(wù)量較少，所以，F(xiàn)reeRTOS完全滿足要求[9]。

海上平臺(tái)的軟件程序運(yùn)行在STM32內(nèi)部的Fre?eRTOS系統(tǒng)中。STM32程序?qū)貪穸葌鞲衅鞯腟DA總線進(jìn)行循環(huán)掃描，將采集到的溫濕度數(shù)據(jù)處理后存儲(chǔ)在雙路SD卡中，然后再將數(shù)據(jù)通過RS-232串口傳送給北斗衛(wèi)星信號(hào)發(fā)射天線。程序的流程圖如圖11所示。

圖11 海上平臺(tái)軟件運(yùn)行流程圖

3.2 岸上平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)

（1）數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫關(guān)系表如下，其中帶有下劃線的是主鍵。大洋環(huán)境信息表（編號(hào)，錄入時(shí)間，溫度，濕度）

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)表如表所示。

（2）北斗衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收程序設(shè)計(jì)

本程序工作在Linux環(huán)境中，使用串口接收數(shù)據(jù)，波特率為115200，8位數(shù)據(jù)位，無奇偶校驗(yàn)位，1位停止位。程序使用多線程技術(shù)，使用兩個(gè)線程分別用于接收和命令控制。在接收到數(shù)據(jù)之后，需要解析數(shù)據(jù)中的內(nèi)容，將解析的內(nèi)容保存至MySQL數(shù)據(jù)庫中。

（3）前端實(shí)時(shí)顯示網(wǎng)頁設(shè)計(jì)

本網(wǎng)頁使用LAMP（Linux操作系統(tǒng)+Apache服務(wù)器+MySQL數(shù)據(jù)庫+PHP語言）進(jìn)行系統(tǒng)網(wǎng)站環(huán)境的配置。網(wǎng)站環(huán)境如下表所示，使用PHP語言開發(fā)。

表2 信息表

表3 系統(tǒng)網(wǎng)站環(huán)境

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為了檢測(cè)海洋表面溫濕度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的性能，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)溫濕度數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、傳輸和實(shí)時(shí)顯示等各種功能，運(yùn)行效果良好。表4為2017年7月13日在上海海事大學(xué)臨港校區(qū)進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試時(shí)，測(cè)試到的數(shù)據(jù)結(jié)果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所測(cè)得的溫度誤差在0.5℃以內(nèi)，濕度誤差小于5%。

表4 實(shí)際測(cè)量結(jié)果

圖12網(wǎng)頁顯示端實(shí)際效果圖

圖13 為本系統(tǒng)海上平臺(tái)的數(shù)據(jù)處理終端、太陽能供電系統(tǒng)及外層的防護(hù)裝置。

圖13 海上平臺(tái)全貌

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的海洋表面溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用高性能、低功耗的STM32微處理器為硬件平臺(tái)控制核心，同時(shí)嵌入實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)FreeRTOS，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了對(duì)海洋表面溫濕度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，具有低成本、高性能、操作簡(jiǎn)單以及抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。采用模塊化設(shè)計(jì)方法，降低了系統(tǒng)開發(fā)的復(fù)雜度，大大縮短了設(shè)計(jì)周期和設(shè)計(jì)成本，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)和測(cè)試，可以滿足海洋表面溫濕度數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)的技術(shù)要求，因此，經(jīng)過對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)單的修改，就可以靈活地應(yīng)用于其他領(lǐng)域。