基于STM32單片機動力環境監控終端的設計與實現

熊斯鵬 黃敏

摘要：針對取消省界收費站ETC門架系統方案，研發了一款基于sTM32單片機的動力環境監控終端，通過該終端實現對ETc門架機柜內設備、動力和環境的監控，主要包含2臺空調、2臺uPs主機、3組電池、風機、智能防雷器、電力檢測儀、溫濕度傳感器、煙霧傳感器、水浸傳感器、門磁傳感器和門禁的控制，并將采集的數據上傳至服務器平臺。

關鍵詞：sTM32;單片機;動力環境監控;機柜監控;ETc門架系統

0引言

動力環境監控系統是通過對戶外機柜的動力系統、空調環境系統和設備運行狀況的數據進行實時采集，并通過對數據的記錄和分析，判斷出當前機柜設備的運行狀況是否出現異常。如果出現異常，動力環境監控系統將在第一時間將故障信息推送給管理方服務平臺。工作人員可以通過服務平臺遠程操作或者指派維護人員趕赴現場進行設備維護，為業主減少因設備故障所帶來的經濟損失。

1系統設計

動力環境監控終端采用單片機做主控制器，采用sT公司的sTM32系列的單片機。使用3個LED燈做指示電路，分別代表電源、運行和網絡通信狀態，3路Rs485通信電路用于驅動不同協議的廠家設備，2路Rs232作為數據上傳和配置接口，1路網絡通信接口用于上傳數據，6路繼電器輸出電路用于控制外部設備，6路光耦輸入用于外設狀態的輸入，電源電路為控制板上的所有電路供電。圖1是該動力環境監控終端的電路原理框圖，圖2是該動力環境監控終端與外設接線框圖。

2硬件電路設計

2.1 Rs485電路

Rs485通信電路的設計如圖3。

該電路采用美信的MAx3485AE收發器，該芯片為3～3.6 V供電，擁有±20 kV靜電保護能力和最大20Mbit/s傳輸速率。在日常應用過程中，因為通信的距離和通信速率不同，因此需要給RS485總線收發器配置偏置電阻和終端電阻。A點和B點的電位差需要≥200 mV，提升系統的抗干擾能力。

當R2=120Ω時，R1和R2≤930Ω，考慮到阻值的±5%精度誤差，通過查找標準阻值取R1和R3的阻值為820Ω。由于機柜內部設備通信速率在9 600 bit/s，且通信長度在10 m以內，因此這3個電阻可以選擇不接。c1和C2為退耦電容，作用是消除電路網絡之間的寄生耦合。DZ1為SM712做傳輸接口的靜電保護，內部結構雙路雙向，保護工作電壓7 V、12 V。THl為B3D090L，是表面貼裝三端子氣體放電管，保護設備免受中低強度的雷擊感應浪涌和其他電壓瞬變的侵害。

2.2W5500以太網通信電路

該電路采用全硬件TCP/IP協議棧W5500以太網芯片，W5500支持高速標準4線SPI接口與主機進行通信，該SPI速率理論上可以達到80 MHz。其內部還集成了以太網數據鏈路層（MAC）和10BaseT/100BaseTX以太網物理層（PHY），支持自動協商（10/100-Based全雙512/半雙工）、掉電模式和網絡喚醒功能。與傳統軟件協議棧不同，W5500內嵌的8個獨立硬件Socket可以進行8路獨立通信，該8路Socket的通信效率互不影響，可以通過W5500片上32 kB的收/發緩存靈活定義各個Socket的大小。

3軟件設計

3.1 RS485數據采集流程

RS485通信包含Modbus-RTU協議、廠家私有協議和通信用磷酸鐵鋰電池協議，按照協議類型分別將通信設備分別掛載在3個不同的RS485總線上，如圖2所示。軟件采用設備輪詢的方式采集數據，當查詢數據包發送完后，監聽有無數據回傳，當計時一定時間內有數據回傳，就清除計時定時器并等待數據接收完畢。當一定時間內無任何數據回傳，認為該設備通信異常，便開始發送下一條查詢數據包。編程采用RTX實時操作系統，每一路RS485接口都開辟了1個線程處理數據。

3.2TCP數據上傳流程

使用W5500以太網芯片的1路Socket通過TCP連接服務器主機，當連接上服務器平臺后，動力環境監控終端先發送本機參數，使服務器平臺可以將當前的Socket綁定至平臺對應的數據庫地址.便于后期數據存入數據庫。服務器平臺會定時向所有連接的Socket發送心跳包指令，用于查詢遠程終端機是否掉線。動力環境監控終端會將采集到的對象數據，經過一系列的數據處理和判斷，最后整合打包通過Socket發送給服務器平臺。當用戶需要對遠程終端進行控制的時候，通過web瀏覽器打開遠程終端顯示界面，單擊功能按鈕后.服務器平臺會對遠程終端發送控制命令.遠程終端執行控制命令后會返回一個執行結果（如圖5）。

4結語

在科技飛速發展的今天.動力環境監控系統在機柜、無人化機房和工業廠房的應用越來越多。不同行業對應不一樣的需求，動力環境監控系統需要很強的可擴展性和兼容性。未來，動力環境監控系統會更趨向于更規范化、更智能化的方向發展。