嵌入式環境監測及控制系統設計

接柏皓++郭俊磊++付美麗++楊自恒

摘 要：現代人們生活在互聯網時代，由物聯網進入“互聯網+”時代，人們對室內環境的詳細參數也有了更高的要求。室內家居環境是人們日常休息和家人放松的地方，因此對室內環境的監測不僅僅是個人健康的要求，也是對家人負責的態度。但是現在室內裝修和使用的各類家居都大量使用各類漆類和膠類物質，這些物質揮發后會產生很多有害物質。本設計采用以STM32微控制器為中心，通過傳感器采集環境各類信息加以處理，通過不同的決策命令來控制各類調節器調節室內環境。

關鍵詞：嵌入式 環境監測 動態控制

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）09（c）-0129-02

1 系統設計

系統采用STM32微控制器-STM32f407zgt6。該芯片采用最新的ARMcortex-m4內核架構，工作頻率可以達到168MHz，內置1M的Flash和196的RAM可以滿足多數的控制類應用。基于STM32F407ZGT6微控制器的室內環境監測及控制系統的總體設計設計框圖如圖1所示。

該系統主要包含以下模塊。

1.1 顯示模塊

用于顯示室內環境參數和實時控制的狀態，用于本地控制。

1.2 傳感器采集模塊

用于連接傳感器，通過各種傳感器采集環境參數并上傳至控制器中。本設計傳感器模塊包含溫度、濕度、PM2.5各個子模塊。

微控制器模塊：該設計系統的主要部分，完成對傳感器上傳的數據進行處理分析，生成相應的控制命令，同時完成各個模塊之間的銜接溝通功能，是系統設計的核心。

控制器模塊：用于將微控制器生成的命令進行實行的模塊，該模塊包含指示燈、蜂鳴器、各類通信接口，用于控制各個環境調節執行器。

存儲模塊：用于存儲環境和各類系統中使用的相關參數，同時用于系統初始化時讀取用戶設定的參數值。

2 硬件設計

該系統硬件設計的整體框圖如圖2所示。

圖2中通過溫度、濕度、PM2.5傳感器采集室內環境參數然后傳輸給微控制器，微控制器通過處理環境參數生成控制命令，通過控制口將命令輸出進執行器，完成對室內環境的調節。與此同時，還使用DGUS屏幕實時顯示環境狀態，使用網絡接口將環境信息遠程傳輸給PC端，并通過PC端控制微控制器的使用。同時使用EEPROM存儲相關數據，方便用戶查閱信息。

本設計采用STM32F407ZGT6，該芯片共144個引腳，采用TQFP封裝。其核心電路包含時鐘電路、晶振電路、下載電路、濾波電路、電源電路。系統主時鐘使用的25MHz晶振，利用PLL倍頻到168MHz作為CPU系統時鐘。系統默認使用外部時鐘，當外部晶振電路不存在時使用內部時鐘。而內部低速時鐘用來當作看門狗和RTC時鐘的主時鐘源。

RTC電路：通常提供年月日詳細系統時間。其電路僅僅需要一個32.768kHz的晶振和一些電阻設計采用PCF8563T芯片提供RTC服務。

看門狗電路：主要任務是在當系統因為不確定因素發生難以恢復的故障時，通過將系統芯片強制復位處理以此保護系統的其他部分，并且防止故障的蔓延。

通信電路：主要包含RS232、RS485、網絡電路。設計中使用TLP2362電源轉換芯片隔離電源噪聲，使用ZT13085E芯片作為458收發器。使用DP83848作為網絡PHY芯片。

存儲電路：存儲電路采用FM24CL64鐵電存儲器。其有存儲時間長、操作簡單、讀寫次數多的優點。

3 軟件設計

本系統的軟件設計采用KEIL u Vision4集成開發環境。軟件系統主要包括系統初始化、環境參數采集、多傳感器數據融合、控制命令生成、數據液晶顯示以及實時時鐘。軟件系統框圖如圖3所示。

軟件系統是以UCOSIII為操作系統完成多任務設計，uC/OS-III是第3代的實時操作系統內核，支持現代的實時內核所期待的大部分功能。該系統常用API函數僅僅70多個，方便開發者進行編程。軟件程序運行流程圖如圖4所示。

軟件對系統初始化，包括對系統時鐘、GPIO口，中斷的配置，對各數字傳器寄存器進行初始化，I2C總線、ADC、RTC實時時鐘、USART等初始化。通過監測存儲器中相關數據的地址判斷該系統是否是首次運行，如果是首次運行則進行正常運行程序；如果不是首次運行，則需要讀取存儲器中用戶保存的設定數據，然后繼續運行；這種設定方便一次設定保存之后不用每次開機都反復設定。傳感器初始化之后進行采集環境數據，采集周期是5ms每次，然后對數據處理生成控制命令。處理后的數據可以傳輸到屏幕上也可以傳輸到網絡之上。

4 系統測試

該環境監測儀數據顯示是通過STM32微處理器的 FSMC總線驅動DGUS顯示屏來實現的，液晶屏數據每50ms更新一次。圖5為哈爾濱黑龍江大學實驗室2017年4月25日16時14分采集到的數據。從DGUS屏上可以看到當時氣溫為26.0℃，濕度為25.5%RH，PM2.5的值為9。因此可以看出正常采集并顯示各要素數據。

5 展望

（1）通過對系統的疲勞度測試，系統穩定運行160h無任何錯誤產生，可以準確監測室內環境。該設備具有以下優點：

①系統穩定，設計簡單。

②選用目前市場上同類器件中性價比較高的元器件，大幅降低了成本。

③系統功耗低。

（2）由于受研究時間和測試條件的限制，系統有以下兩方面的問題亟待改進。

①豐富監測環境參數。

②設備小型化、微型化，同時可以支持安卓云服務。

參考文獻

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