氣密空間多環(huán)境信息智能監(jiān)測系統(tǒng)

金立艷 齊永宏 趙明輝 韋學(xué)勇

摘要：為滿足氣密空間內(nèi)環(huán)境信息實(shí)時監(jiān)測與存儲的需求，該文設(shè)計一款基于 STM32的多環(huán)境參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有實(shí)時數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、歷史數(shù)據(jù)查詢及報警閾值等功能。其中報警閾值功能可有效保證系統(tǒng)及時提供報警信息，方便監(jiān)測氣密空間內(nèi)環(huán)境。系統(tǒng)由參數(shù)采集模塊與人機(jī)交互模塊構(gòu)成，模塊之間通過 RS232接口實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)定、實(shí)時數(shù)據(jù)顯示及歷史數(shù)據(jù)查詢顯示功能。試驗結(jié)果表明該環(huán)境監(jiān)測儀在12 h 內(nèi)與標(biāo)準(zhǔn)傳感器對氣密空間內(nèi)環(huán)境信息的采集數(shù)據(jù)呈現(xiàn)良好的一致性，其數(shù)值波動皆處于設(shè)置的閾值以內(nèi)。該文設(shè)計的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)對氣密空間內(nèi)環(huán)境監(jiān)測具有良好的實(shí)用性和可靠性，具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞： STM32控制器;氣密空間;環(huán)境監(jiān)測;人機(jī)交互

中圖分類號： TP274文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號：1674–5124（2021）12–0131–05

Multi-environmental information intelligent monitoring system for airtight space

JIN Liyan1，QI Yonghong2，ZHAO Minghui2，WEI Xueyong2

（1. Nanjing Vocational Institute of Transport Technology， Nanjing 211188， China;2. School of MechanicalEngineering， Xian Jiaotong University， Xian 710049， China）

Abstract： To meet the requirements of real-time collection and storage of environmental information in airtight spaces， this paper designs a multi-environment parameter monitoring system based on the STM32 controller. The system has the functions of real-time collection and storage of information， historical information query， and alarm threshold. The alarm threshold function can effectively ensure that the system provides timely alarm information to facilitate the monitor of the environment in the airtight space. The system is composed of an acquisition module and a human-computer interaction module. The modules communicate through the RS232 interfacetoachieveparametersetting，real-timedatadisplay，andhistoricalquerydisplayfunctions. The experiment suggests that the environmental monitoring instrument has a good consistency with the standard sensor in thecollectionof environmental information in theairtightspace within 12 h，and its numerical fluctuationsarewithinthesetthreshold. Theenvironmentalmonitordesignedinthispaperhasgood practicability and reliability for environmental monitoring in airtight spaces and has a wide range of application prospects.

Keywords： STM32 controller; airtight space; environmental monitoring; human-computer interaction

0引言

穩(wěn)定的密閉環(huán)境是保障眾多產(chǎn)品測試順利進(jìn)行的重要實(shí)驗基礎(chǔ)。實(shí)驗過程中，內(nèi)部環(huán)境往往會受外部環(huán)境和儀器自身氣密性的影響，從而使內(nèi)部環(huán)境與預(yù)期實(shí)驗條件不符。當(dāng)環(huán)境誤差超過預(yù)定閾值時就會對試驗產(chǎn)品的性能及實(shí)驗結(jié)果產(chǎn)生不容忽視的影響。

通常，溫濕度、顆粒物濃度、大氣壓強(qiáng)、氧氣濃度等是氣密實(shí)驗空間內(nèi)的重要環(huán)境信息，對以上信息進(jìn)行精準(zhǔn)、實(shí)時監(jiān)測對穩(wěn)定實(shí)驗環(huán)境，確保測試結(jié)果的準(zhǔn)確性具有重要意義[1-3]。鑒于環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測的重要性，研究者設(shè)計了多種類型的環(huán)境檢測儀對空間環(huán)境信息進(jìn)行監(jiān)測。張寶[4]等以51單片機(jī)為核心，結(jié)合多種傳感器對室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測。邵延華[5]等使用 GPRS 將數(shù)據(jù)發(fā)送到云服務(wù)器進(jìn)行存儲，提高了環(huán)境監(jiān)測工作的靈活性，有效解決了環(huán)境監(jiān)測站只能針對固定地點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測的問題。莫康信[6]等設(shè)計了一種基于 ZigBee 技術(shù)的環(huán)境數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了光伏電站環(huán)境參數(shù)的實(shí)時監(jiān)測。嚴(yán)學(xué)陽[7]等設(shè)計了一種基于 STM32的手持環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，功耗低、攜帶方便，具有廣闊應(yīng)用前景。姚世平[8]等發(fā)明了一種智能環(huán)境監(jiān)測儀，結(jié)合先進(jìn)的數(shù)據(jù)校正算法和標(biāo)準(zhǔn)的校正設(shè)備，能夠?qū)?0個環(huán)境監(jiān)測項目進(jìn)行精準(zhǔn)測量。

目前，市場上也具有各種環(huán)境監(jiān)測儀，但其一般采用外部有線供電的方式，其功耗大且功能單一，難以滿足氣密實(shí)驗環(huán)境中特定參數(shù)長時間監(jiān)測的需求。例如江蘇吉華電子科技有限公司生產(chǎn)的 JH- KQ 型微型環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)主要針對室外空氣中的顆粒物進(jìn)行監(jiān)測而不能對氧濃度、壓強(qiáng)等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測。深圳博云創(chuàng)環(huán)境科技有限公司生產(chǎn)的 BYS700-GXX 型環(huán)境檢測儀主要針對室外 CO、 O3、PM2.5等參數(shù)進(jìn)行測量，而不能對氧濃度、壓強(qiáng)等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測。四零易聯(lián)（蘇州）智能科技有限公司設(shè)計了一種智能環(huán)境監(jiān)測儀，主要測量室外的溫濕度、噪音和煙霧等參數(shù)，并且體積大、功耗高[9]。

雖然目前已經(jīng)具有多種環(huán)境信息監(jiān)測的解決方案，但都主要應(yīng)用于室外或者開放室內(nèi)的環(huán)境信息監(jiān)測，而不適用于氣密實(shí)驗空間環(huán)境信息的監(jiān)測。同時，雖然每種解決方案都具有同時監(jiān)測多種環(huán)境信息的功能，但還沒有一種解決方案能同時監(jiān)測空氣的溫度、濕度、氣壓、氧氣濃度和 PM2.5濃度參數(shù)，因此不能很好地應(yīng)用于氣密實(shí)驗空間內(nèi)的環(huán)境信息監(jiān)測。因此需要設(shè)計出一種適用于氣密實(shí)驗空間環(huán)境監(jiān)測同時又滿足氣密試驗空間環(huán)境信息監(jiān)測需求的系統(tǒng)。

針對以上需求，本文設(shè)計了一種基于 STM32單片機(jī)的低功耗智能多環(huán)境參數(shù)監(jiān)測存儲系統(tǒng)。該系統(tǒng)以氣密實(shí)驗空間環(huán)境的溫度、濕度、氣壓、氧氣濃度和 PM2.5濃度作為主要的測量參數(shù)。該系統(tǒng)不但能夠?qū)崟r通過顯示屏顯示各環(huán)境參數(shù)變化信息，還能將測量的數(shù)據(jù)保存至 SD 卡，用戶可以通過顯示屏操作來查詢氣密空間環(huán)境變化的歷史信息。測試結(jié)果表明，該環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)性能可靠，滿足氣密空間環(huán)境的監(jiān)測需求，具有廣闊的應(yīng)用前景。

1系統(tǒng)總體設(shè)計

本環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)由采集模塊和交互模塊兩部分組成。采集模塊是基于 STM32單片機(jī)開發(fā)的數(shù)據(jù)采集模塊，該模塊能夠根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的采樣頻率實(shí)時采集多路環(huán)境參數(shù)，同時將數(shù)據(jù)通過接口傳輸給交互模塊;交互模塊同樣是基于STM32單片機(jī)開發(fā)的人機(jī)交互單元，使用電容式觸摸顯示屏、SD 卡等外設(shè)，實(shí)現(xiàn)了參數(shù)設(shè)置、開關(guān)控制、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲和歷史數(shù)據(jù)的曲線圖顯示等功能。此外環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)還具有兩路 RS232接口，一路用于實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互模塊與采集模塊之間的通信，另外一路預(yù)留（后續(xù)可供其他控制單元作為采集端使用，可實(shí)現(xiàn)氣密空間內(nèi)部環(huán)境的閉環(huán)控制）[10]。

2硬件設(shè)計

本系統(tǒng)的控制單元采用基于 ARM Cortex-M3內(nèi)核144引腳的 STM32F103ZET6單片機(jī)。該款芯片具有3路串行外設(shè)接口（SPI），5路通用異步收發(fā)傳輸器（USART）和2路二線制同步串行總線（IIC）等硬件接口，且外設(shè)豐富，F(xiàn)lash 容量較大，可以滿足監(jiān)測系統(tǒng)中采集單元控制和通信的需求。硬件總體設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的具體工作步驟為：

1）通過溫度傳感器、濕度傳感器、氣壓傳感器、氧氣濃度傳感器和 PM2.5濃度傳感器實(shí)時采集氣密空間內(nèi)的環(huán)境信息，并將信息傳輸至處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)濾波和校正處理。

2）采集模塊通過 RS232接口將處理后的環(huán)境信息傳輸至交互模塊。

3）交互模塊通過觸摸屏設(shè)定監(jiān)測儀對各環(huán)境參數(shù)的報警觸發(fā)閾值。當(dāng)采集到的環(huán)境數(shù)值信息超過用戶設(shè)定的閾值后系統(tǒng)會通過蜂鳴器發(fā)出報警提示音。用戶可以通過按鍵關(guān)閉報警與顯示功能以降低系統(tǒng)功耗。

4）交互模塊接收數(shù)據(jù)并進(jìn)行校驗，校驗無誤后將數(shù)據(jù)在觸摸屏上顯示并存儲至本地的 SD 卡。隨后將數(shù)據(jù)與用戶設(shè)定的閾值進(jìn)行比較以確認(rèn)氣密空間內(nèi)部環(huán)境是否正常。

交互模塊與采集模塊的實(shí)物圖如圖2所示。

2.1采集模塊硬件設(shè)計

該模塊主要由 STM32F103ZET6單片機(jī)、溫濕度傳感器 SHT35、氣壓傳感器 MS8607、氧氣傳感器 ZE03-O2、PM2.5傳感器 SPS30、RS232信號轉(zhuǎn)換電路和電源調(diào)理電路組成[11]。本文所使用的傳感器性能指標(biāo)如表1所示。

2.2交互模塊硬件設(shè)計

該模塊主要由 STM32單片機(jī)、觸摸屏控制電路、氣壓傳感器 MS8607、SD 卡存儲電路、RS232信號轉(zhuǎn)換電路、電源調(diào)理電路和采集模塊電源控制電路組成[12]。

由于采集模塊驅(qū)動的通風(fēng)風(fēng)機(jī)功耗較大且主控制器的 IO 輸出端口驅(qū)動能力不足，本文設(shè)計了采集模塊電源控制電路作為采集模塊與交互模塊的中間控制與隔離環(huán)節(jié)，如圖3所示。該電路能有效控制并消除采集模塊功率變化導(dǎo)致整體電路供電不穩(wěn)定的影響。

3軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括兩個部分。一部分是采集模塊軟件：主要用于實(shí)現(xiàn)各種環(huán)境信息采集、數(shù)據(jù)處理及信息上傳等功能;另一部分是交互模塊軟件：主要用于實(shí)現(xiàn)環(huán)境信息接收、數(shù)據(jù)校驗、數(shù)據(jù)存儲、歷史波形顯示、閾值判斷及人機(jī)交互等功能。

3.1采集模塊軟件設(shè)計

該軟件的主要功能是接收交互模塊命令并執(zhí)行相應(yīng)的采集操作，采集完成后依據(jù)系統(tǒng)默認(rèn)的標(biāo)定參數(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行校正處理，隨后數(shù)據(jù)以約定格式封裝為一幀并通過 RS232接口上傳至交互模塊。采集模塊軟件設(shè)計的主程序流程圖如圖4所示。

3.2交互模塊軟件設(shè)計

該部分軟件主要分為主函數(shù)采集程序、數(shù)據(jù)存儲程序、用戶設(shè)置程序和數(shù)據(jù)導(dǎo)出程序。在系統(tǒng)運(yùn)行前首先要設(shè)置好溫度、濕度、氣壓、氧氣濃度及 PM2.5濃度的參數(shù)（上限閾值、下限閾值），這些參數(shù)是氣密環(huán)境是否達(dá)到所設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的判斷依據(jù)。在氣密空間充氣的過程中用戶需要實(shí)時監(jiān)測內(nèi)部環(huán)境參數(shù)的變化來反饋充氣過程，這需要將系統(tǒng)設(shè)置為快速采樣。交互模塊軟件設(shè)計的主程序流程圖如圖5所示。

考慮到人性化理念，該模塊將觸摸顯示屏作為人機(jī)交互接口，使環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的功能更加靈活化、高效化。此處主要設(shè)計了如圖6所示的4種友好窗口。歷史數(shù)據(jù)界面主要記錄一天內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)的變化， SD 卡中存儲著開機(jī)以來的歷史數(shù)據(jù)，在記錄周期為1 h 的情況下 SD 卡最多可存儲連續(xù)1年的數(shù)據(jù)。

4試驗驗證

為了對比本文設(shè)計的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)與標(biāo)準(zhǔn)傳感器之間的性能差異，需要對環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)和標(biāo)準(zhǔn)傳感器進(jìn)行相同條件下的對比試驗。

4.1試驗驗證平臺和試驗過程

對比試驗采用如圖7所示的柔性罐體包裝箱作為被測氣密空間，將環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的采集模塊與標(biāo)準(zhǔn)傳感器（高精度測量儀表）固定在被測氣密環(huán)境內(nèi)的相同部位，將環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的交互模塊安裝在罐體底部。使用柔性罐體可能與實(shí)際的氣密空間有所區(qū)別，例如在溫濕度、氣壓的穩(wěn)定性等方面。我們此次的試驗?zāi)康氖菫榱藢Ρ拳h(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)與標(biāo)準(zhǔn)傳感器的性能差異，不是對比柔性罐體與氣密空間的差異。當(dāng)柔性罐體的溫濕度、氣壓環(huán)境信息發(fā)生變化時，環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)和標(biāo)準(zhǔn)傳感器的輸出值均會產(chǎn)生相同趨勢的變化。因此，柔性罐體與氣密空間之間的環(huán)境信息差異不會對試驗結(jié)果產(chǎn)生影響。

通過交互模塊設(shè)定系統(tǒng)的閾值參數(shù)，設(shè)定完成后采集模塊采集內(nèi)部環(huán)境數(shù)據(jù)并通過 RS232接口將數(shù)據(jù)傳輸至交互模塊進(jìn)行顯示和存儲。

選擇2020年6月20日作為起始測量試驗點(diǎn)，60 min 作為一個采集存儲周期，使監(jiān)測儀連續(xù)運(yùn)行12 h。

4.2試驗數(shù)據(jù)分析

環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的采集數(shù)據(jù)和罐體標(biāo)準(zhǔn)傳感器的采集數(shù)據(jù)對比如圖8所示。

環(huán)境監(jiān)測儀與標(biāo)準(zhǔn)傳感器對濕度和 PM2.5的采集數(shù)據(jù)折線圖如圖8（a）（左側(cè)軸為濕度坐標(biāo)軸，右側(cè)軸為 PM2.5坐標(biāo)軸）所示，可以看到在12 h 以內(nèi)，環(huán)境監(jiān)測儀與標(biāo)準(zhǔn)傳感器的采集數(shù)據(jù)呈現(xiàn)良好的一致性。圖8（b）展示了兩種儀器對溫度以及氧濃度的對比分析，可以看到兩種儀器對溫度的采集數(shù)據(jù)呈現(xiàn)良好的一致性，對氧濃度參數(shù)具有0.4%的最大誤差。當(dāng)氧濃度誤差閾值設(shè)定為0.5%時，該誤差可以被忽略。環(huán)境監(jiān)測儀與標(biāo)準(zhǔn)傳感器對壓強(qiáng)的采集數(shù)據(jù)折線圖如圖8（c）所示，兩種儀器采集的最大壓強(qiáng)誤差為300 Pa，該誤差在壓強(qiáng)誤差閾值為500 Pa 時可以被忽略。

通過以上兩組數(shù)據(jù)對比可以看到在12 h 內(nèi)，環(huán)境監(jiān)測儀與標(biāo)準(zhǔn)傳感器對溫度、濕度以及 PM2.5的采集數(shù)據(jù)呈現(xiàn)良好的一致性，其數(shù)值波動都處于設(shè)置的閾值以內(nèi)。因此本文設(shè)計的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)，滿足氣密空間環(huán)境的監(jiān)測需求。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種用于氣密空間中多環(huán)境參數(shù)信息智能監(jiān)測的環(huán)境監(jiān)測儀，該儀器結(jié)構(gòu)簡單、功耗低、成本低、實(shí)用性強(qiáng)。環(huán)境檢測儀可通過人機(jī)交互模塊進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)配置，實(shí)時采集并存儲數(shù)據(jù)，同時將數(shù)據(jù)以折線圖的形式顯示環(huán)境參數(shù)的變化趨勢。試驗結(jié)果表明該環(huán)境監(jiān)測儀與標(biāo)準(zhǔn)傳感器對環(huán)境信息的采集值呈現(xiàn)良好的一致性，兩者的數(shù)值波動皆處于設(shè)置的閾值以內(nèi)。本文設(shè)計的多參數(shù)環(huán)境存儲監(jiān)測儀可有效監(jiān)測并記錄氣密空間內(nèi)部環(huán)境的變化，為工程人員分析、優(yōu)化氣密試驗環(huán)境提供可靠的依據(jù)，具有非常廣泛的應(yīng)用價值。

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（編輯：譚玉龍）