基于ARM的遠程環境參數監測系統

鄧猛，李倩

（安徽三人信息科技有限公司，安徽 合肥 230001）

0 引言

高壓換流站是具有整流、逆變等多種功能的高壓直流電力設施，是直流輸電的基礎，對其進行合理化的設計和構建，對于促進電力工程活動的有效進行具有重要作用。隨著社會經濟的快速發展，我國建設特高壓工程等級不斷提高，對換流站建設的技術及安全等也提出了越來越高的要求[1]。GIS、換流閥等是特高壓換流站工程中的核心設備[2]，它的安全運行會受到溫度、濕度和粉塵度等環境因素的影響。為保障換流站設備的正確安裝和穩定運行，因此，需要實時、準確地掌握特高壓換流站的環境因素[3-6]。

目前使用的環境監測設備有單套溫濕度測試儀、激光粉塵儀、圖像監控系統等，主要對單一的某個環境參數或現場條件進行監視和測量，并且實時性較差。電子與信息技術的發展為生活帶來更多便捷，也為實時掌握周圍環境變化提供了可能[7]。鄭龍等[8]以CC2530為傳感節點主控芯片[9]，將溫度、光照、空氣質量等傳感器采集的信息進行數據融合并匯集到服務器平臺[10]，用戶通過移動終端登錄到服務器即可查看實時環境信息。周本立等[11]通過整合現有技術，設計開發了一 種集溫濕度、粉塵度、圖像監控于一體的監控設備，支持本地TFT顯示屏顯示[12]，通過云平臺系統軟件[13-14]可支持手機 APP 信號讀取和短信發送報警功能，在工程實踐中取得了良好的效果。陳錫磊等[15]針對±800 kV 特高壓直流換流站閥廳內部有空調系統調節,大氣密度、溫度、濕度等都不同于標準氣象條件的特點，采用g參數法對非標準氣象條件下空氣間隙的放電特性進行了修正。

本文基于32位的ARM微控制器STM32F103，通過集成濕度、濕度、壓力、空氣質量（CO2、甲醛、VOC）等多種環境質量參數采集模塊，并利用移動通信網絡和便攜式移動客戶終端傳送特高壓換流站的實時環境信息，設計了一款遠程環境監測系統。使用表明，具有較好的效果。

1 系統組成與工作原理

本系統由STM32F103微控制器與智能空氣環境監測、無線傳輸、時鐘電路、復位電路、鍵盤、顯示、報警、電源等模塊組成,如圖1所示。

圖1 遠程環境監測系統組成原理Fig.1 Composition principle of remote environmental monitoring system

系統開機通過自檢進入正常工作狀態后，在設定的時間間隔內，空氣質量變送器通過自帶的傳感器檢測出溫度、濕度、PM2.5、PM10、PM5、PM0.5、氣壓、VOC、甲醛、CO2等環境質量參數，然后通過RS485總線傳輸到系統控制器。在系統控制器的作用下，環境質量參數實時顯示在顯示屏上，并立即進行存儲和通過無線路傳輸模塊發送到遠程移動終端。如果環境質量參數超過相應的閾值，聲光報警器同時會發出報警信息。

2 主要硬件模塊

2.1 系統控制器

本系統采用STM32F103為微控制器。STM32F103是具有ARM Cortex-M3核心、LQFP-144封裝的32位微控制器，內含512K片內FLASH、64K片內RAM且片內FLASH支持在線編程（IAP）。該微控制器頻率高達72MHz，片內雙RC晶振提供8M和32K頻率，數據、指令多流水線操作，支持JTAG、SWD調試，可實現高速低成本開發。STM32F103微控制器系統內有80個IO、4個通用定時器、2個高級定時順口、2個基本定時器、3個SPI接口、2路I2S接口、2路I2C接口、5路USART、1個USB從設備接口、1個CAN接口、1上SDIO接口、3路16通道12位AD輸入和2路2通道DA輸出，CPU操作電壓范圍2.0～3.6 V。

2.2 環境質量變送器

本系統采用集成的AS02-K8-x智能空氣環境監測變送器實現環境質量參數的檢測。該變送器采用原裝進口紅外CO2、激光顆粒、電化學甲醛檢測單元，能夠檢測溫度、濕度、PM2.5、PM10、PM5、PM0.5、氣壓、VOC、甲醛、CO2等多個環境質量參數，測量精度高、抗干擾能力強。DC12～24 V供電，能夠實時采集發送，并有可參考的小時平均值，同時配備的模擬4～20 mA輸出、0～10 V、RS485信號輸出，標準MODBUS-RTU通信協議，支持多臺組網式環境監控系統安裝，組網數量最大可達254個，分辨率可達到1 ppm，相對誤差可小于5%。

2.3 無線傳輸模塊

本系統采用龍尚U8300W作為無線通信模塊。該模塊是一款適用于FDD-LTE/TDD-LTE/TDSCDMA/UMTS/EVDO/ EDGE/GPRS/GSM/CDMA等多種網絡制式的無線終端，可支持多種頻段。U8300采用先進的高度集成設計方案，將射頻、基帶集成在一塊PCB上，完成無線接收、發射、基帶信號處理和間頻信號處理功能，雙面布局，結構緊湊。該模塊支持AT命令擴展，具有USB接口、UART接口、USIM/SIM接口、PCM接口、RESET接口、電源接口和電壓輸出，可實現用戶個性化定制。

3 軟件設計

本系統軟件采用模塊化設計。主要模塊有主模塊、系統初始化模塊、數據采集模塊、RS485通信模塊、數據顯示模塊、數據存儲模塊、無線通信模塊、聲光報警模塊、鍵盤掃描模塊等,其中主模塊如圖 2所示。

4 結論

本文以STM32F103為微控制器，集成多種參數檢測的環境質量變送器、無線通信模塊、數據存儲與人機接口模塊，實現對濕度、濕度、壓力、空氣質量（CO2、甲醛、VOC）等多種環境質量參數的檢測，并通過移動通信網絡和便攜式移動客戶終端傳送特高壓換流站的實時環境信息。

目前該系統已應用于內蒙古錫林浩特錫盟換流站并為該換流站換流閥的安裝調試提供了全過程技術保障。結果表明, 該系統具有較好的使用效果，也可應用于其他場所的環境參數檢測。

圖2 主程序流程圖Fig.2 Master program flow chart