漆晶 蔣成星 程慧超 孫童童

摘要：周末經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，旅游景區(qū)的人流量越來(lái)越大，有些景區(qū)已經(jīng)超負(fù)荷，環(huán)境污染問(wèn)題凸顯，同時(shí)也沒(méi)有合適的景區(qū)環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)平臺(tái)。針對(duì)這些問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于Cortex-M3內(nèi)核的STM32低功耗控制器和無(wú)線(xiàn)射頻傳輸網(wǎng)絡(luò)的自供能多節(jié)點(diǎn)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；以傳感器、無(wú)線(xiàn)射頻芯片、自供能模塊和STM32控制器組成從機(jī)節(jié)點(diǎn)，完成環(huán)境參數(shù)采集和發(fā)送；主機(jī)端完成參數(shù)的接收與處理，并發(fā)送給PC端上位機(jī)；采用C#語(yǔ)言開(kāi)發(fā)上位機(jī)軟件，動(dòng)態(tài)顯示環(huán)境參數(shù)變化情況；實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果表明本系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期的目的。

關(guān)鍵詞：STM32 環(huán)境監(jiān)測(cè) 無(wú)線(xiàn)傳輸 自供能

中圖分類(lèi)號(hào)：TP368.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2016）08-0194-02

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，社會(huì)環(huán)境質(zhì)量卻普遍下降，但人們的環(huán)保意識(shí)越來(lái)越強(qiáng)，越來(lái)越關(guān)心自己所居住地區(qū)的環(huán)境質(zhì)量。學(xué)校校園及城市小區(qū)等地居住人口多，旅游景區(qū)人口流量大，以這些地區(qū)的環(huán)境參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)需求為出發(fā)點(diǎn)，本文選擇CO2濃度、PM2.5濃度、溫濕度、光照強(qiáng)度及紫外線(xiàn)強(qiáng)度環(huán)境參數(shù)，開(kāi)發(fā)了以PC端軟件為上位機(jī)[1]，傳感器數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)為下位機(jī)的環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)傳輸系統(tǒng)，通過(guò)利爾達(dá)公司最新生產(chǎn)的高性能物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線(xiàn)收發(fā)器可方便地實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)多參數(shù)的實(shí)時(shí)傳輸。結(jié)合景區(qū)的擁擠現(xiàn)狀和人給環(huán)境帶去的二次污染問(wèn)題及監(jiān)測(cè)發(fā)布平臺(tái)，提出研究背景。

1 環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總方案設(shè)計(jì)

環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要分為3大部分：PC端上位機(jī)、主機(jī)端和傳感器數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)。環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)作為下位機(jī)，主要功能是環(huán)境質(zhì)量參數(shù)的采集和數(shù)據(jù)的初步處理及發(fā)送。主機(jī)端完成數(shù)據(jù)的接收及處理并通過(guò)USART接口發(fā)送給PC端上位機(jī)。PC端上位機(jī)完成USART接口數(shù)據(jù)的接收與處理，動(dòng)態(tài)顯示各個(gè)節(jié)點(diǎn)各種環(huán)境參數(shù)的變化情況，同時(shí)也完成下配控制命令的發(fā)送。3個(gè)部分協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境質(zhì)量的多節(jié)點(diǎn)多參數(shù)的監(jiān)測(cè)傳輸任務(wù)。當(dāng)環(huán)境質(zhì)量有關(guān)指標(biāo)超出設(shè)定的閾值時(shí)，能夠在PC端正確顯示報(bào)警信息，包括監(jiān)測(cè)時(shí)間、監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)和報(bào)警內(nèi)容，同時(shí)，主機(jī)端也會(huì)通過(guò)蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警。相關(guān)管理人員只需在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)前就能方便地對(duì)方圓幾百米區(qū)域的環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行集中監(jiān)測(cè)。

2 環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控單元

主機(jī)端和下位機(jī)端主控單元均選擇STM32F103C8T6，它是一款32位的基于Cortex-M3內(nèi)核的ARM微控制器，集成了128kB的FLASH和20kB的RAM，工作頻率可達(dá)72MHz，含有豐富的USART、SPI及12位ADC等片上資源，完全可以滿(mǎn)足本系統(tǒng)的硬件需求。主控單元電路由復(fù)位電路、外部晶振電路、RTC時(shí)鐘電路、BOOT電路（選擇啟動(dòng)方式）和SWD電路（下載程序）組成[2]。

2.2 傳感器模塊

PM2.5傳感器選擇夏普公司生產(chǎn)的GP2Y1010AU0F，測(cè)量范圍0-500ug/m3，5V供電，濃度大小以模擬電壓的形式線(xiàn)性輸出，范圍為0.5V-3.7V。由于STM32內(nèi)置ADC采樣電壓不能超過(guò)3.3V，所以在PM2.5傳感器的模擬電壓輸出引腳串聯(lián)兩個(gè)10K的電阻分壓之后再進(jìn)行測(cè)量。CO2濃度傳感器選擇英國(guó)GSS生產(chǎn)的COZIR-A，3.3V供電，串口驅(qū)動(dòng)，量程為0-99999PPM。紫外線(xiàn)強(qiáng)度傳感器選擇UVM-30，線(xiàn)性電壓信號(hào)輸出0-1V（對(duì)應(yīng)UV 指數(shù)0-10），直接用單片機(jī)內(nèi)置ADC采樣。溫濕度DHT11模塊使用單總線(xiàn)[3]驅(qū)動(dòng)，需接一個(gè)4.7k的上拉電阻。光照強(qiáng)度傳感器選擇ROHM公司的BH1750FVI，它是一款數(shù)字光照強(qiáng)度傳感IC，測(cè)量范圍1-65536LX，I2C總線(xiàn)接口，時(shí)鐘線(xiàn)和數(shù)據(jù)線(xiàn)引腳均需接一個(gè)4.7k的上拉電阻。

2.3 無(wú)線(xiàn)射頻通信模塊

本系統(tǒng)所用的無(wú)線(xiàn)射頻通信模塊是利爾達(dá)科技公司最新生產(chǎn)的LSD4RF-2X717N10無(wú)線(xiàn)模塊，是一款高性能的物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線(xiàn)收發(fā)器，基于Semtech公司的射頻集成芯片SX1208[4]設(shè)計(jì)而成。SX1208芯片使用SPI通信接口（FSCK最大10MHz），本系統(tǒng)采用STM32硬件SPI驅(qū)動(dòng)，SCK頻率設(shè)定為9MHz，DIO0輸出電平上升沿觸發(fā)STM32進(jìn)入中斷，表示無(wú)線(xiàn)模塊接收到數(shù)據(jù)。NSS為片選，NRST為復(fù)位引腳（高電平有效），均通過(guò)I/O口控制。RF為模塊天線(xiàn)接口，與用戶(hù)底板上的天線(xiàn)接口間需要加入π型匹配電路。

2.4 帶自供能的電源模塊

本系統(tǒng)室內(nèi)、室外節(jié)點(diǎn)都使用鋰電池升壓至5V供電，室內(nèi)節(jié)點(diǎn)可用手機(jī)電源線(xiàn)進(jìn)行充電，室外節(jié)點(diǎn)利用太陽(yáng)能板進(jìn)行充電，實(shí)現(xiàn)自供能。充電電路選用TP4056作為電源管理芯片，充電限制電壓4.2V，而充電電流可通過(guò)一個(gè)電阻進(jìn)行外部設(shè)置。當(dāng)充電電流在達(dá)到最終浮充電壓之后降至設(shè)定值1/10時(shí)，TP4056 將自動(dòng)終止充電循環(huán)。

3 環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 主機(jī)端軟件設(shè)計(jì)

主機(jī)端程序開(kāi)始之后先進(jìn)行系統(tǒng)初始化配置，包括系統(tǒng)定時(shí)器時(shí)鐘配置，硬件SPI配置，外部中斷配置，串口初始化配置及RF模塊初始化配置等。RF模塊初始化完成之后，切換到接收模式，接收模式會(huì)打開(kāi)外部中斷。最后進(jìn)入主循環(huán)，判斷是否接收到PC端上位機(jī)發(fā)來(lái)的串口指令，如果接收到正確的命令，則會(huì)執(zhí)行命令解析，執(zhí)行相應(yīng)的操作。RF模塊在主機(jī)端的控制下在接收模式和發(fā)送模式之間切換，主機(jī)是通過(guò)進(jìn)入外部中斷來(lái)讀取RF模塊接收到的數(shù)據(jù)，這樣可以提高程序的執(zhí)行效率。在解析命令的過(guò)程中，主機(jī)往往是先進(jìn)入發(fā)送模式向下位機(jī)發(fā)送一包命令數(shù)據(jù)，然后又切換回接收模式，準(zhǔn)備接收下位機(jī)的返回?cái)?shù)據(jù)。主機(jī)端程序流程圖如圖1所示。

3.2 下位機(jī)端軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)端程序執(zhí)行開(kāi)始之后，同樣先進(jìn)行系統(tǒng)初始化配置，包括硬件SPI、串口、內(nèi)置ADC及RF模塊初始化等等，初始化完成之后切換RF模塊進(jìn)入接收模式，以便接收主機(jī)端發(fā)送來(lái)的指令。然后配置RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘[5]，因?yàn)槲覀冃枰拦?jié)點(diǎn)環(huán)境參數(shù)采集的具體時(shí)間。然后再判斷此節(jié)點(diǎn)是上電復(fù)位還是從睡眠模式喚醒而復(fù)位，若是喚醒復(fù)位，則向主機(jī)端發(fā)送喚醒提示信息。最后，進(jìn)入主循環(huán)，判斷此節(jié)點(diǎn)是否接收到“進(jìn)入待機(jī)模式”命令，若接收到，則進(jìn)入待機(jī)模式，等待主機(jī)喚醒，否則循環(huán)判斷。STM32使用WFI命令進(jìn)入停機(jī)模式后，程序停止執(zhí)行，外部中斷喚醒之后，程序從上次停止處繼續(xù)執(zhí)行，不用重新配置系統(tǒng)時(shí)鐘。下位機(jī)端同樣通過(guò)外部中斷讀取RF模塊接收到的數(shù)據(jù)。下位機(jī)端程序流程圖如圖2所示。

3.3 PC端上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件通過(guò)串口向主機(jī)發(fā)送控制命令并獲取主機(jī)返回的數(shù)據(jù)。上位機(jī)用C#語(yǔ)言在.NET環(huán)境下開(kāi)發(fā)，軟件通過(guò)串口連接主機(jī)。根據(jù)二者之間制定的協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送與接收。向下發(fā)送控制命令時(shí)，在一定時(shí)間內(nèi)應(yīng)該接收到主機(jī)的反饋。如果未收到反饋，則會(huì)重新發(fā)送。多次發(fā)送失敗則提示通信故障。一旦接收的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)超過(guò)設(shè)定的閾值，上位機(jī)會(huì)出現(xiàn)報(bào)警提示[6]。使用者可以通過(guò)上位機(jī)軟件實(shí)時(shí)有效地監(jiān)測(cè)各傳感器節(jié)點(diǎn)的狀況。

4 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)完成之后，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，將主機(jī)通過(guò)USB轉(zhuǎn)串口線(xiàn)連至筆記本電腦，打開(kāi)上位機(jī)軟件，控制主機(jī)與各個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，確定其是否達(dá)到設(shè)計(jì)最初的目的和功能。以節(jié)點(diǎn)2為例，測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

上位機(jī)界面中，軟件上邊可以選擇節(jié)點(diǎn)，左邊是各種控制命令的發(fā)送按鈕及參數(shù)配置，右邊以柱狀圖動(dòng)態(tài)顯示參數(shù)值相對(duì)大小，下方有具體的數(shù)值（參數(shù)單位前文有敘述）以及采集時(shí)間。節(jié)點(diǎn)2無(wú)CO2傳感器，所以其值為0。其它節(jié)點(diǎn)顯示界面一樣，均能正確監(jiān)測(cè)傳輸環(huán)境參數(shù)。

5 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，功能全面，界面友好，控制簡(jiǎn)單，傳輸距離較遠(yuǎn)，功耗較低，無(wú)線(xiàn)射頻通信芯片以及傳感器選擇恰當(dāng)，能很好地滿(mǎn)足系統(tǒng)需求。鋰電池充電電路設(shè)計(jì)合理，所需元器件少，成本低，充電穩(wěn)定。但是，本系統(tǒng)還有待繼續(xù)優(yōu)化改進(jìn)。一方面射頻芯片天線(xiàn)匹配設(shè)計(jì)需要改善來(lái)提高數(shù)據(jù)傳輸距離，另一方面鋰電池升壓板需要選擇功耗較低的設(shè)計(jì)方案。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)成產(chǎn)品時(shí)，應(yīng)選擇功耗更低的單片機(jī)來(lái)作為系統(tǒng)主控，從而整體降低系統(tǒng)功耗。

參考文獻(xiàn)

[1]張衛(wèi)星，張桂香，譚成午.基于STM32的環(huán)境多點(diǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2014，22（10）：3141-3143.

[2]劉火良，楊森.STM32庫(kù)開(kāi)發(fā)實(shí)戰(zhàn)指南[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

[3]黎冠，馬婕，卜祥麗.STM32單片機(jī)在室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].自動(dòng)化儀表，2014，35（7）：29-31.

[4]張祥，蔡景，林海彬，刁海飛.基于STM32的溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中國(guó)儀器儀表，2013，（7）：62-65.

[5]陳曉宇.基于 Cortex-M3的 多點(diǎn)溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子世界，2013，（12）：75.