一種多傳感器的無線環境監控系統

西京學院控制工程學院　代嚴滿　陳　恒　竇洋洋　胡宗華

一種多傳感器的無線環境監控系統

西京學院控制工程學院代嚴滿陳恒竇洋洋胡宗華

本環境監控系統低層部分主要使用了STM32F103系列單片機作為開發基礎，利用模塊化設計的思想，加入了PM2.5、甲醛濃度、數字光照等多種高精度傳感器并配有一塊3.2寸的USART HMI觸摸屏來進行下位機的數據顯示。另外，利用C#語言進行了上位機的程序設計和開發，上下位機之間將通過WIFI無線網絡進行通信。實驗證明，本設計符合時代發展的需求，且經濟實用操作簡便。

STM32F103；WIFI無線；C#語言；環境監控

0　引言

隨著計算機技術、信息通信技術、互聯網控制技術的迅猛發展以及智能傳感器的普遍應用，人們的生活質量得到了不斷的提高，現今人們更加注重個性、人性化和智能化的生活方式，因此對家庭居住環境的要求也不斷的在提高，由此帶動了智能家居系統產業的不斷更新和快速發展，當今智能家居已成為未來家居環境的發展潮流。本文正是在此潮流的影響下，設計并開發了一款經濟實用的多傳感器自適應環境監控系統，旨在為人們帶來更健康、更安全的生活環境。

1　STM32單片機

根據系統的擴展和擴充性的要求，本系統低層控制芯片選型了ST公司LQFP-64封裝的STM32F103RCT6型高性能芯片，芯片工作電壓2.0V到3.6V，工作溫度-40度到85度間。該芯片內部集成有32位Cortex-M3內核，最大時鐘頻率達到72MHz，程序存儲器大小具有256kB，數據RAM大小為48kB，以及SPI、I2C等多種總線形式以供綜合開發使用。系統總體框圖如圖1所示。

圖1　系統總體框圖

圖2　PCB原理圖

2　系統低層設計

（1）系統低層設計主要包括STM32F103單片機最小系統電路、各傳感器數據傳輸電路、USART HMI觸摸屏顯示傳輸電、外圍控制電路以及WIFI模塊數據傳輸電路，此外，我們根據實際使用的情況和器件的尺寸大小對PCB電路進行了合理的布局和設計，達到了即美觀又實用的效果。PCB原理圖如圖2所示。

（2）WIFI無線模塊使用了原子公司的ATK-RM04模塊。該模塊是ALIENTEK推出的一款高性能UART-ETH-WIFI（串口-以太網-無線網）模塊，其中板載了Hi-Link公司的HLK-RM04模塊，并且該模塊已經通過了FCC，CE認證。ATK-RM04模塊采用串口（RS232/ LVTTL）與MCU（或其他串口設備）通信，內置有TCP/IP協議棧，能夠實現用戶的串口、以太網、無線網（WIFI）3個接口之間的轉換。如圖3所示模塊功能結構圖。

圖3　模塊功能結構圖

圖4　程序應用界面

（3）低層程序設計主要包括對STM32單片機、各型號傳感器、液晶顯示屏和無線模塊的初始化設置，以及對所用串口（1、2、3、4）、定時器（T3、T4）、中斷優先級、I/O口等的初始化配置和對數據的獲取、顯示和上傳處理。

主程序代碼如下：

void main（）

｛

SystemInit（）；//系統初始化

char DispTemp［50］；//定義顯示數組

NVIC_PriorityGroupConfig（）；//中斷優先級設置

delay_init（）； //延時函數初始化

JTAG_Set（1）；//調試函數初始化

Uart1_UserInit（）；//串行口初始化

Uart2_UserInit（）；

Uart3_UserInit（）；

Usart4_Init（9600）；

HMISendstart（）；//HMI顯示器初始化

SensorInit（）； //傳感器初始化

while（1）

｛

Getdata（）； //獲取數據

if（ValueShow_Flag）//顯示數據

｛

HMISendComands（DispTemp）；

｝

if（（Uart_SendFlag）&&（ValueShow_Flag））//數據傳輸

｛

Uart_SendFlag = 0；

Uart_SendBuf［0］ = 0xff；

...

Uart_SendBuf［11］ = 0xaa；

｝｝｝

3　系統上位機設計

在上位機系統設計中主要使用了C#語言在Visual Studio 2010集成開發環境下進行了開發和調試。該部分程序通過解析通信協議來成功獲取下位機監測數據并對數據進行分析處理和顯示，同時該開發環境同時還帶來了NET Framework 4.0、Microsoft Visual Studio 2010 CTP（ Community Technology Preview--CTP），并且支持開發面向Windows 7的應用程序。如圖4所示為上位機程序應用界面。

4　系統測試

為檢驗本系統的實際性能，特在不同地點和環境下進行了功能測試，如圖5下位機屏幕所示為某時刻的各項環境參數，其中可以較清楚直觀的反應出當時的環境質量狀況。此外，利用無線技術可以在另一處上位機界面上同樣觀察到同時刻的環境狀況，并且我

們運用了大數據分析和數學模型計算，可以給出一定的環境安全系數，結合安全系數系統將給出提示報警，如圖6所示。

圖5　下位機界面顯示

圖6 上位機界面顯示

5　總結

本系統將嵌入式系統和無線技術做了合理的融合，搭配有多種高精度傳感器和一些控制外設，設計并開發了一款簡單實用的環境監控系統，實驗表明本系統具有一定的實用價值。

［1］譚浩強，林小茶，等.C語言程序設計［M］.中國鐵道出版社，2004.［2］恰汗.合孜爾，等.C語言程序設計［M］.中國鐵道出版社，2010，3.

［3］Altium Designer 10電路設計標準教程［M］.北京：科學出版社，2015，8.

［4］王小科，徐薇，等.C#從入門到精通［M］.北京：清華大學出版社，2010，7.

［5］韓穎.基于無線傳感器網絡得室內環境監控系統［D］.沈陽工業大學碩士論文，2014，3.

［6］趙越.基于C#語言的新型智能機房環境監控系統設計［D］.吉林大學碩士論文，2014，5.

［7］林中.基于STM32的智能家居控制系統的設計與開發［D］.北京郵電大學碩士論文，2015，5.

［8］JosephYiu.TheDefinitiveGuide to the ARM Cortex-M3［M］.Elsevier，2009.

代嚴滿（1992—），陜西渭南人，在讀研究生，主要研究方向：電路設計與控制。

陳恒（1965—），陜西西安人，副教授，碩士生導師，主要研究方向：數據采集與智能控制。

竇洋洋（1991—），陜西西安人，在讀研究生，主要研究方向：電源設計與控制。

胡宗華（1992—），陜西商洛人，在讀研究生，主要研究方向：數據采集與控制。