基于嵌入式的紡織企業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（衡水學(xué)院 電子信息工程學(xué)院，河北 衡水 053010）

0 引言

紡織原料倉庫存放有大量原料，如天然纖維（棉、麻、毛、絲）和化學(xué)纖維（人造、合成纖維），這些均具有易燃的特點(diǎn)；紡織印染廠的染化料種類多，具有易燃易爆、毒害腐蝕性的特點(diǎn)；紡織成品倉庫的產(chǎn)品也需要防火、防潮等。例如，對(duì)于棉麻堆垛，垛內(nèi)的溫度不能超過38℃，濕度不應(yīng)小于12%RH，如果溫度過高，要及時(shí)采取散熱措施；對(duì)于易燃易爆染化料如雙氧水、次氯酸鈉等，倉庫溫度應(yīng)在20～28℃，濕度在60%～70%RH 等[1-2]。因此，紡織企業(yè)需要在生產(chǎn)、倉儲(chǔ)等各個(gè)環(huán)節(jié)加強(qiáng)對(duì)環(huán)境的監(jiān)測和管理，以保證紡織品的品質(zhì)和人員財(cái)產(chǎn)的安全。

行之有效的環(huán)境監(jiān)測方法主要是自動(dòng)環(huán)境監(jiān)測，即將傳感器安放在倉庫的不同位置，自動(dòng)采集多點(diǎn)環(huán)境參數(shù)信息，實(shí)時(shí)性好，效率高。但受到傳感器安裝位置等因素影響，所采集的參數(shù)信息仍有局限性[3]。例如，高溫雷雨天氣時(shí)，堆垛處的溫度和濕度會(huì)明顯偏高。因此，還需輔以人工手持?jǐn)?shù)據(jù)采集儀器對(duì)重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行巡檢，從而提升監(jiān)測的全面性、可靠性。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本研究對(duì)自動(dòng)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)和手持?jǐn)?shù)據(jù)采集儀器分別進(jìn)行設(shè)計(jì)。自動(dòng)實(shí)時(shí)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)包括STM32主控板、溫濕度傳感器DHT11、火焰?zhèn)鞲衅鱕S-17、OLED 液晶顯示屏、報(bào)警電路等模塊。STM32 主控芯片作為控制核心，利用溫濕度和火焰?zhèn)鞲衅鞑杉F(xiàn)場數(shù)據(jù)，通過顯示屏實(shí)時(shí)顯示，報(bào)警電路實(shí)現(xiàn)超限報(bào)警；手持?jǐn)?shù)據(jù)采集儀器包括Arduino 開發(fā)板、溫濕度傳感器DHT11、火焰?zhèn)鞲衅鱕S-17、LCD 液晶顯示屏、報(bào)警電路等模塊，實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能。

自動(dòng)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)和手持?jǐn)?shù)據(jù)采集儀器結(jié)構(gòu)圖分別如圖1 和圖2 所示。

2 自動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)主要硬件設(shè)計(jì)

自動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)對(duì)I/O 端口的數(shù)量和數(shù)據(jù)處理的速度等方面，有較高的要求。因此，在進(jìn)行硬件電路設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)選擇性能更高、擴(kuò)展接口更多的器件。

2.1 主控模塊

主控板核心選用ST 公司生產(chǎn)的高性能控制器STM32F103ZET6，開發(fā)板包括STM32 主控芯片、復(fù)位、振蕩、穩(wěn)壓等電路和許多擴(kuò)展接口，通過SWD 模式穩(wěn)定下載程序。該芯片主頻為72MHz，具有64KB SRAM和512KB FLASH，豐富的I/O 端口，標(biāo)準(zhǔn)先進(jìn)的通信接口等，能夠?yàn)閭鞲衅鳌@示屏等模塊提供合適供電電壓，保證系統(tǒng)正常工作，并且便于日后功能擴(kuò)展。

2.2 溫濕度傳感器模塊

溫濕度傳感器采用廣州奧松公司的溫濕度一體化數(shù)字傳感器DHT11。該傳感器的工作電壓范圍：3.5～5.5V，溫度測量范圍：0～50℃，濕度測量范圍：20%～90%RH，濕度分辨率：1%，溫度分辨率1℃。與STM32 之間僅需一個(gè)I/O 口就可實(shí)現(xiàn)單總線通信，接線簡單，傳感器內(nèi)部濕度和溫度40bit 的數(shù)據(jù)一次性傳給STM32，并采用校驗(yàn)和方式對(duì)數(shù)據(jù)校驗(yàn)，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性高[4]。

DHT11 的數(shù)據(jù)包由5 個(gè)字節(jié) （byte4 byte3 byte2 byte1 byte0）組成，格式為：濕度整數(shù)、濕度小數(shù)、溫度整數(shù)、溫度小數(shù)、校驗(yàn)和數(shù)據(jù)各8bit。

濕度=byte4.byte3（%RH）

溫度=byte2.byte1（℃）

校驗(yàn)和=byte4+byte3+byte2+byte1=（濕度+溫度）（則校驗(yàn)正確）

DHT11 只有3 個(gè)引腳，VDD接電源，GND接地，DATA 接主控板的PG11。

2.3 顯示模塊

顯示模塊選用廣州星翼電子科技公司的單色有機(jī)發(fā)光二極管OLED12864 模塊，工作電壓3.3V，分辨率128×64，多種接口方式，自發(fā)光，不需背光源、對(duì)比度高、視角廣，特性優(yōu)良。

OLED 模塊的控制器是SSD1306。設(shè)計(jì)采用8080并行接口方式，使STM32 能夠快速訪問OLED。讀/寫過程為：先根據(jù)要讀/寫的類型，設(shè)置引腳DC，然后選中SSD1306，接著設(shè)置引腳RD/WR，最后在RD/WR 的上升沿將完成數(shù)據(jù)讀/寫。

OLED 模塊的DC/RD/CS/RW/RST 引腳分別連接主控板的PD3/PG13/PD6/PG14/PG15，D0-D7 分別連接在PC0-PC7。

3 手持?jǐn)?shù)據(jù)采集儀器主要硬件設(shè)計(jì)

手持?jǐn)?shù)據(jù)采集儀器只需要在現(xiàn)場進(jìn)行單路測量，實(shí)現(xiàn)基本監(jiān)測功能。因此，在進(jìn)行硬件電路設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)選擇成本更低、開發(fā)更簡單便捷的器件。

3.1 系統(tǒng)主控板選型

系統(tǒng)主控板選用開源硬件開發(fā)平臺(tái)Arduino UNO。它采用的是Atmel 公司生產(chǎn)的ATmega328P 處理器。該芯片主頻為16MHz，具有2KB RAM 和32KB FLASH，14 路數(shù)字輸入輸出口、6 路模擬輸入口。它便于與傳感器等器件連接，成本低，開發(fā)簡單，修改方便，省時(shí)高效。

3.2 火焰?zhèn)鞲衅髂K

遠(yuǎn)紅外火焰?zhèn)鞲衅骶褪羌t外接收二極管中的一種，對(duì)火焰紅外線波段最為敏感?；鹧?zhèn)鞲衅鬟x用YS-17 紅外接收頭，能夠探測到波長在700～1000nm 范圍內(nèi)的紅外光，在880nm 附近時(shí)，靈敏度達(dá)到最大，探測角度60℃左右。設(shè)計(jì)中保證反向偏置連接。

沒有紅外接收信號(hào)時(shí)，阻值極高；有紅外信號(hào)時(shí)，阻值減小?；鹧?zhèn)鞲衅鲗⑷紵a(chǎn)生的紅外線的強(qiáng)弱轉(zhuǎn)化為火焰?zhèn)鞲衅麟娏鞯淖兓娏髁鹘?jīng)固定電阻，使電位產(chǎn)生高低變化。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測電壓值，并與設(shè)定的閾值電壓進(jìn)行比較，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)火災(zāi)的監(jiān)測和報(bào)警。

3.3 顯示模塊

結(jié)合實(shí)際應(yīng)用需求、成本等方面，顯示模塊選用16 引腳液晶屏LCD1602。它可以顯示2 行、16 列字符，成本較低、顯示穩(wěn)定、便于操作、尺寸適中，適用于手持式測量儀表。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

采用模塊化設(shè)計(jì)思想進(jìn)行系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，主要包括初始化程序、溫濕度檢測程序、火焰檢測程序、液晶顯示程序和報(bào)警程序等。

首先，進(jìn)行系統(tǒng)和端口的初始化，然后溫濕度傳感器和火焰?zhèn)鞲衅鞣謩e檢測倉庫的溫濕度與火災(zāi)情況，將檢測結(jié)果實(shí)時(shí)顯示在液晶屏上，檢測一直進(jìn)行，如果檢測參數(shù)異常，自動(dòng)報(bào)警，以盡早發(fā)現(xiàn)火情等安全隱患。

5 系統(tǒng)測試

經(jīng)過多次反復(fù)設(shè)計(jì)與調(diào)試，系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)整體功能。上電后，自動(dòng)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)開始工作，溫濕度傳感器和火焰?zhèn)鞲衅鞑婚g斷檢測現(xiàn)場環(huán)境參數(shù)變化，并在液晶屏上實(shí)時(shí)顯示溫濕度信息。如果參數(shù)值不高于設(shè)定值，系統(tǒng)正常運(yùn)行；如果參數(shù)值高于設(shè)定值，系統(tǒng)將報(bào)警，LED 一直點(diǎn)亮。開啟手持?jǐn)?shù)據(jù)采集儀器后，在重點(diǎn)區(qū)域檢測時(shí)運(yùn)行正常，液晶屏顯示的溫濕度信息等能夠隨位置移動(dòng)而更新變化，效果良好。實(shí)驗(yàn)顯示結(jié)果如圖3 和圖4 所示。

6 結(jié)語

基于嵌入式的紡織企業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)主要分為兩部分：自動(dòng)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)和手持?jǐn)?shù)據(jù)采集儀器。它們分別以STM32 和Arduino 開發(fā)板為核心。自動(dòng)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)現(xiàn)場環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)、高效的智能監(jiān)測，在一定程度上使管理者對(duì)企業(yè)的人工投入成本減少，管理愈加智能化。而對(duì)于在不同區(qū)域無法實(shí)現(xiàn)傳感器全覆蓋、監(jiān)測不夠全面客觀的問題，通過輔以企業(yè)員工定時(shí)或不定時(shí)巡檢，只需要簡單、低成本的手持?jǐn)?shù)據(jù)采集儀器，就可以完成對(duì)重點(diǎn)區(qū)域的監(jiān)測，彌補(bǔ)了傳感器覆蓋問題遺留的隱患，在很大程度上改善了這一問題。