基于STM32 的無線溫濕度檢測控制系統研究與開發

范明民

（北海職業學院，廣西 北海 536000）

高校實訓室有眾多昂貴的電子設備，而這些電子設備對放置環境要求極其苛刻，否則會損害其精度，造成不可逆轉的危害。如果按照以往效率低下的人工巡視方式，需要消耗巨大的時間和精力，測量數據不一定精確。智能環境控制工程是我國邁向控制現代化的重要組成節點，對我國溫室控制發展有重要意義，是我國科技人員研究的重要方向[1]。為進一步提高校園實訓室環境設備使用壽命，提高管理效率，對實訓室環境24 h 全方位實時、高效、可靠監測和控制，對于增加經濟效益和社會效益刻不容緩[2]。所以，監控工作穩定可靠、操作簡單的無線實時監測環境溫濕度檢測系統對維護機房環境有重要的現實意義。

1 系統總體方案設計

系統采用模塊化設計，主要由STM32 主控板、ZigBee無線傳輸模塊、溫濕度采集模塊、直流電機模塊、電源模塊和報警模塊組成。

1.1 系統總體設計框圖

本系統以STM32F103ZET6 處理器為核心，由主控制器和從控制器2 塊ARM 芯片分別處理不同的任務。從控制器主要功能是負責接收處理傳感器的溫濕度參數，通過控制顯示電路實時顯示溫度和濕度參數。當測量出的參數超過或者低于預定值，觸發蜂鳴器報警和二極管閃爍進行提示，輸出一個不間斷的驅動信號，控制電機進行散熱和降溫，通過ZigBee 模塊將警報傳達至監控中心提醒管理員及時處理，從而將濕度和溫度控制在科學的閾值范圍內。同時，利用無線信道把傳感器參數發給主控制器，主控制器通過串口線連接PC 上位機，便于管理員實時查看，自動將數據存入MySQL 數據庫，后續統計分析的時候可以將其作為統計分析依據。系統方案設計圖如圖1 所示。

圖1 系統方案設計圖

ZigBee 協議是一種短途、能耗小和傳輸數據速率小的無線半雙工通信技術，廣泛用于自動控制領域。本系統采用星型組網方式，降低傳感器終端節點的復雜度，提高系統之間的可靠性。系統網絡結構圖如圖2 所示。

圖2 系統網絡結構圖

溫濕度采集終端節點是指利用DHT11 采集現場溫濕度轉換成數字信號，路由器節點既接收終端節點的數字信號，又匯總數據發送到ZigBee 協調器節點，協調器把數據通過RS232 串口線連接到計算機，實現監控中心到現場的數據采集。

1.2 主控芯片選型

本次芯片設計方案采用ARM 內核的32 位單片機，優點是集成了豐富的外設功能，將數字信號處理、響應迅速、低延遲、能耗小和高可靠性等優勢匯總在一起[3]。功能較STC89C51 強大得多，便于后續功能完善和拓展。我們選用目前主流的STM32F103ZET6 高性能高容量主控制芯片，內含512 KB Flash，高達144 引腳，能夠通過串口芯片CH340 連接到電腦，兼容目前Keil ARM 軟件，能很好實現代碼編寫。

2 系統關鍵硬件設計

2.1 溫濕度采集設計

本系統對采集溫度和濕度的傳感器要求苛刻，因為采集的數據需要考慮到與ZigBee 結合無線傳輸產生的延遲。所以，對傳感器的潛在要求是快速響應、測量精準、傳輸距離遠。本研究采用DHT11 溫濕度傳感器采集溫度和濕度，它的濕度測量范圍是20%～95%RH，濕度誤差不超過5%；溫度范圍在-20℃～+60℃，濕度±5%RH，溫度誤差不超過2℃，溫濕度的分辨率分別為1%RH 和0.1℃。把測量到的數據連接到ZigBee，ZigBee 把接收到的數據以無線的方式分別發送到主STM32 和從STM32 處理器，最大程度上減少有線線路的鋪設成本，簡化了安裝步驟。在實際電路中，由于DHT11 在一定的溫濕度范圍內性能比較穩定，但是超過了某一個范圍，檢測的精度會嚴重惡化，所以在電路設計需要考慮對DHT11 的線性補償[4]。本次濕度上限閾值設置在70%，溫度上限是40℃。

2.2 電機溫控設計

系統采用17 000-18 000 r·min-1的直流電機，它的特點是帶負載能力強、高耐壓，主要驅動ULN2003D 芯片進行通風散熱。從控制器接收告警信號會給直流電機一個驅動信號，當告警信號消失或者人為干預后才會停止風機旋轉，使得溫濕度保持在恒溫恒濕的參數值內。本次設計采用五線四相電機驅動電路來驅動電機。

2.3 告警模塊設計

采用發光二極管和蜂鳴器的預警電路，當溫度或者濕度某一項指標過高或者過低時，觸發報警，發光二極管以間隔時間為0.5 s 持續閃爍，蜂鳴器響起，輸出風機的驅動信號自動調整溫濕度。

2.4 ZigBee 無線傳輸模塊設計

區別于OSI 的7 層架構，ZigBee 技術的協議層只有四層，分別是物理層、MAC 層、網絡安全層和應用層，最底層的物理層可以通過無線物理信道發送和接收協議數據單元[5]。ZigBee 包含2 種實體設備，分別是全功能新設備（FFD，Full Function Device）和精簡功能設備（RFD，Reduced Function Device）。這里特別需要注意，FFD 可以通過FFD 和RFD 相互透傳，但是RFD 只能和FFD 通信，RFD 之間是不能相互通信的，在ZigBee 組網中，最少也要有一個FFD 作為整個無線網的ZigBee 協調器，一個ZigBee 網絡一般只有一個ZigBee 協調器[6]。我們采用CC2530 芯片，發射功率增加20 dBm，接收靈敏度增益改善6 dB，串口每秒85 個80 字節的數據包。30 s 一次采集溫濕度數據上傳，極大降低功耗。本研究針對實驗室環境，每個實驗室放置2～4 個溫度傳感器連接到ZigBee 模塊，監控中心放置1 個協調器負責接收本棟大樓的無線信號，協調器連接到主STM32 控制器，STM32 與上位機軟件連接，上位機監控獲取的信號是封閉實驗室幾個監控點的溫濕度平均值，以此提高測量數值的可靠性。

3 系統實現

3.1 系統軟件設計

系統將終端節點采集的溫濕度通過無線信道傳送到ZigBee 協調器，ZigBee 協調器通過串口線將數據發送至從STM32 控制器從機，主控制器也連接到協調器，最終將通過串口線顯示在PC 機上。

軟件的主程序流程圖如圖3 所示。Keil 是一款專門為嵌入式系統設計的基于C 語言編程的開發工具，具備便捷的集成環境和強大的仿真能力，本系統采用模塊化程序設計，主要包括主程序、溫度和濕度檢測子程序、LCD1602 顯示程序、報警子程序、鍵盤掃描子程序和ZigBee 無線數據傳輸子程序6 個程序。

圖3 系統主程序圖

3.1.1 溫度和濕度檢測子程序

使用傳感器，我們先要檢測系統是否有這個硬件，如果有返回1，否則為0，可以通過手動設置溫濕度上下限，便于不同時間段的靈活調整。Temp_DataPros（）函數用于溫度的檢測、讀取和顯示在液晶屏上；LCD_Dispstring（2+6，0，temp_buf） 用于顯示檢測溫度的格式為XX.X；LCD_Dispstring（5，1，temp_buf）和LCD_Dispstring（14，1，temp_buf）函數用于設定溫度上限值和下限值。

3.1.2 鍵盤掃描子程序

按鍵功能在本系統使用較為頻繁，本次使用KEY_Scan（u8 mode）函數進行掃描，由于按鍵存在抖動，不利于讀取，故先需要消除抖動，即給一個延遲delay（1 000）。KEY_Pros（）函數可以實現按鍵加減功能。

3.1.3 報警子程序

本次使用sound（）函數進行報警，實際環境溫濕度高于上限值就會開啟報警和散熱；實際環境溫濕度低于下限值也會開啟報警和加熱。正常情況下，實際溫濕度在上下限之間，取消報警，取消加熱和散熱。報警時，指示燈會亮，同時反饋給監控中心一個信號提醒。

3.2 系統測試

在實驗室環境下測試，測試的指標分別為系統運行可靠性測試、供電系統測試、溫濕度無線數據傳輸測試、自動控制測試和告警系統測試等。在Eclipse 集成環境下，編寫Java 程序，讀取主STM32 控制器的數據，連接到MySQL 數據庫存儲。系統測試結果見表1。經過實驗測試，該系統的可靠性和有效性均滿足使用要求。

表1 系統測試結果

4 結束語

本文以機房實訓室等封閉環境為出發點，通過嵌入式開發技術，結合ZigBee 的多點無線通信技術對系統軟硬件綜合設計，系統具備采樣點靈活，容量大的特點，實現了無線溫濕度監測系統，該方案能夠很好地解決當前人力檢測的低效局面，具備低成本、效率高和高穩定性等優點，在現實中具有較高的應用價值。