基于FreeRTOS的物聯(lián)網(wǎng)溫度監(jiān)測系統(tǒng)

郭富恒，賀媛媛

（1.山東理工大學(xué) 計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 淄博 255022；2.山東理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，山東 淄博 255022）

0 引言

溫度是人們?nèi)粘Ｉ钪械囊粋€基本物理量，也是工業(yè)生產(chǎn)控制領(lǐng)域非常重要的變量之一。隨著社會和科技的發(fā)展，測量溫度的方式方法日益新穎，包含了接觸式測溫及非接觸式測溫等，溫度傳感器獲取的數(shù)據(jù)越來越精準。利用傳統(tǒng)的鉑電阻溫度探頭作為獲取溫度的傳感器，不僅設(shè)計成本低、性能可靠，還能夠根據(jù)工程需求選擇不同的精確度。

本文基于MQTT物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議設(shè)計了一種測溫系統(tǒng)，搭載了FreeRTOS嵌入式操作系統(tǒng)，保證系統(tǒng)運行更加穩(wěn)定；控制器選用ST公司的STM32F103C8T6，包含三個串口，兩路IIC及兩路SPI總線，采用M3內(nèi)核，支持搭載嵌入式操作系統(tǒng)使用；通信模組選用合宙的Air724UG，其數(shù)據(jù)傳輸速率最大為480Mbps。該系統(tǒng)解決了常規(guī)測溫系統(tǒng)數(shù)據(jù)實時性差、精準度低的問題，使用戶能夠遠程、便捷獲取當(dāng)前測溫點溫度值。

1 電路設(shè)計

1.1 降壓電路設(shè)計

由于輸入電源為3S鋰電，電壓峰值約為12.6V，STM32F103C8T6為3.3V供電，Air724UG為4V供電，考慮到后期開發(fā)升級，還需要5V的電壓。因此共設(shè)計了12V降壓5V電路、5V降壓3.3V電路和5V降壓4.1V電路。

1.1.1 12V降壓5V電路

降壓芯片選用TPS54360，具有集成型高側(cè)MOSFET的60V、3.5A降壓穩(wěn)壓器。允許輸入范圍4.5V～60V，最高可支持65V輸入；具有3.5A持續(xù)電流、4.5A最低峰值電感器電流限制。

RP可調(diào)電阻根據(jù)實際電壓值進行調(diào)節(jié)；其中FB引腳為反饋端，也是跨導(dǎo)誤差放大器的反相輸入端。電路設(shè)計如圖1所示。

圖1 12V降壓5V電路Figure1 12V step-down 5V circuit

1.1.2 5V降壓3.3V電路

采用AMS1117-3.3V芯片，電路設(shè)計簡單。Vin引腳輸入5V電壓，Vout引腳輸出3.3V電壓，同時在輸入輸出端放置濾波電容。電路設(shè)計如圖2所示。

圖2 5V降壓3.3V電路Figure2 5V step-down 3.3V circuit

1.1.3 5V降壓4.1V電路

由于Air724UG4G通信模組的第59和60號VBAT引腳需要4V電壓的輸入，故還需設(shè)計5V降壓4.1V的電路來提供4V電源。本文采用合宙官方的降壓方案，采用MIC29302芯片，共有6引腳，其中1和2引腳EN和IN為5V電壓輸入，3和6號引腳GND和TAB直接接地拉低，4號OUT引腳為4.1V穩(wěn)壓輸出端，5號FB引腳為反饋引腳。電路設(shè)計如圖3所示，其中輸出電壓計算公式為：

圖3 5V降壓4.1V電路Figure3 5V step-down 4.1V circuit

其中R38=200K，R39=33K，R37=100K，所以輸出電壓為：

1.2 測溫電路設(shè)計

采用PT100鉑電阻溫度傳感器獲取溫度值。其測溫探頭采用壓簧式感溫元件，抗震性能好；與其他熱電阻相比，不需要進行溫度補償，能夠節(jié)省成本。PT100分為A和B兩個等級，測量范圍在-200℃～850℃，其中A級精度為（0.15±0.002）℃，B級精度為（0.30±0.005）℃；采用進口Mobox電阻元件，性能可靠穩(wěn)定、機械強度高，耐壓性能好。PT100分為二線、三線、四線種類，每個種類引出的線數(shù)不同，應(yīng)用場景也不同。由于此次對溫度要求不高，故采用二線制。

為配合PT100鉑電阻，加入MAX31865來讀取和轉(zhuǎn)換PT100測量的溫度值。其內(nèi)部集成了更低系統(tǒng)功耗且兼容二線、三線、四線的傳感器，同時具有SPI（Serial Peripheral Interface）兼容接口；15位ADC分辨率，溫度分辨率為0.03125℃，在整個工作條件下能夠保持0.5℃的總精度；內(nèi)部還集成了RTD開路、RTD短路及RTD元件短路的故障檢測。

測溫電路設(shè)計如圖4所示，其中JP2端子為二線制PT100鉑電阻連接端子，MAX31865的第11、12、13、14號引腳SDI、SCLK、CS、SDO分別與單片機相連接（按照程序），第19、20號DVDD、VDD引腳為3.3V輸入端，需要在輸入端加入100nF的濾波電容。

圖4 PT100測溫電路Figure4 PT100 temperature measuring circuit

2 系統(tǒng)配置

2.1 串口配置

Air724UG通信模組與單片機通過串口進行通信，考慮到后期可能進行開發(fā)升級，配置C8T6串口時，將串口1與TTL相連，串口2與Air724UG相連。

2.2 嵌入式系統(tǒng)配置

由于單片機在與4G模組通信時會通過串口傳輸大量的數(shù)據(jù)量，且程序裸跑極易造成程序跑飛，故加入嵌入式系統(tǒng)（FreeRTOS、RT-thread等）來監(jiān)控程序的運行狀態(tài)，在確保程序穩(wěn)定的情況下也能保證串口數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性。為兼容控制器STM32F103C8T6，本系統(tǒng)選用內(nèi)核為M3的FreeRTOS嵌入式操作系統(tǒng)。

3 程序設(shè)計

3.1 通信模組連接

Air724UG與單片機通過串口進行通信，并通過相關(guān)AT指令進行操作。編寫air_send_cmd（）函數(shù)通過串口進行AT指令的發(fā)送，通過air_check_cmd（）函數(shù)進行串口接收的應(yīng)答判斷。其他函數(shù)，如air_poweron（）函數(shù)為Air724UG的軟啟動 函 數(shù)，air_aliot_init（）函數(shù)為Air724UG配置MQTT協(xié)議及連接阿里云函數(shù)。

其中Air724UG軟啟動函數(shù)代碼如下：

當(dāng)變量res為0時，系統(tǒng)進入循環(huán)，通過串口向模塊發(fā)送相應(yīng)AT指令，當(dāng)判斷接收到理想的應(yīng)答時res置1，系統(tǒng)退出循環(huán)；當(dāng)沒有判斷接收到理想的應(yīng)答時res=0，繼續(xù)發(fā)送AT指令直至判斷接收到理想的應(yīng)答。

3.2 溫度數(shù)據(jù)處理

由于PT100輸出的是電阻信號，需要MAX31865進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，將電阻信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的電阻值，但轉(zhuǎn)換后的值還需要程序端進行計算，得到數(shù)字量的溫度值。

利用公式：R（T）=R0{1+aT+bT2+c（T-100）T3}進行計算。其中T表示溫度值，R（T）表示T溫度對應(yīng)的阻值，R0表示0℃對應(yīng)的阻值；

規(guī) 定a=3.90830*10-3，b=-5.77500*10-7；當(dāng)-200℃≤T≤0℃時，c=-4.18301*10-12；當(dāng)0℃≤T≤850℃時，c=0。當(dāng)溫度T≤0℃時，溫度曲線為非線性曲線，當(dāng)溫度T≥0℃時，溫度曲線為線性曲線。

具體代碼如下：

其中RREF_In與PT100的型號有關(guān)，二線、三線制的PT100鉑電阻的參數(shù)RREF_In=430；通過MAX31865_Read_In（）函數(shù)讀取MAX31865特定地址下的數(shù)值，其溫度值存儲在0×01及0×02，利用位操作即可獲得當(dāng)前PT100的電阻值，再通過數(shù)學(xué)計算得到當(dāng)前電阻值對應(yīng)的溫度值，最終返回temp溫度值。

3.3 SD卡數(shù)據(jù)存儲

考慮到4G通信在受干擾時可能造成數(shù)據(jù)的丟失，于是在硬件上加入SD卡來實時存儲數(shù)據(jù)，在通信數(shù)據(jù)丟失的情況下也可通過查詢本地數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)恢復(fù)。在程序設(shè)計時就需要對SD卡進行操作。

溫度值寫入SD卡部分代碼如下：

每扇區(qū)的字節(jié)數(shù)必須為512，因為如果不是512，則初始化不能通過。當(dāng)返回值為0時，代表去除容量出錯。返回值為非0時，代表SD卡的容量（扇區(qū)數(shù)/512字節(jié)）。當(dāng)SD卡為SDHC卡時，再通過CSD數(shù)組判斷SD卡版本，進而進行扇區(qū)計算。

4 結(jié)語

系統(tǒng)搭建完成，通電后會自動進行溫度的獲取、處理、服務(wù)器連接等一系列操作。經(jīng)過一段時間的運行測試，系統(tǒng)穩(wěn)定運行，且不會出現(xiàn)崩潰的情況。當(dāng)系統(tǒng)成功連接服務(wù)器后，數(shù)據(jù)會通過通信模組發(fā)送至服務(wù)器端，用戶即可在移動端看到當(dāng)前測溫點的溫度數(shù)據(jù)，如圖5所示。在服務(wù)器斷開連接后，程序會實現(xiàn)自動重連功能。

圖5 移動端數(shù)據(jù)展示Figure 5 Mobile terminal data display