奚志豪++許鵬

摘 要：本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了一種以STM32F407處理器為核心的車間環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，由多個(gè)終端模塊和一個(gè)匯總模塊組成。多個(gè)終端模塊安裝于車間各個(gè)位置，主要采集車間溫濕度、粉塵濃度、可燃?xì)怏w濃度及噪音等信息；匯總模塊安裝于車間辦公室中，綜合獲取存儲(chǔ)各個(gè)終端模塊采集的數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)顯示在7寸工業(yè)屏上，同時(shí)對(duì)異常環(huán)境數(shù)據(jù)告警。終端模塊和匯總模塊采取ZigBee無線通信[1]形式傳輸數(shù)據(jù)，具有布局靈活、節(jié)省成本、穩(wěn)定性高的特點(diǎn)。這套系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)車間多點(diǎn)環(huán)境情況，并對(duì)異常狀況告警，因此一方面可以減少車間環(huán)境對(duì)工作生產(chǎn)或設(shè)備運(yùn)行的影響，另一方面也可以幫助管理者真正地了解生產(chǎn)一線工作環(huán)境。

關(guān)鍵詞：ZigBee無線通信；STM32F407；環(huán)境監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）27-0093-02

1 概述

當(dāng)今社會(huì)，隨著工業(yè)制造精度的提高及工業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)流程以及工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備對(duì)車間環(huán)境的要求越來越高。本項(xiàng)目的研究為工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)代化提供有力的支撐，具有深刻的現(xiàn)實(shí)意義。首先，該設(shè)備可以同時(shí)測(cè)量大量的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)，給設(shè)備調(diào)試研發(fā)人員提供了大量的數(shù)據(jù)參考。其次，該設(shè)備大大降低了設(shè)備維護(hù)的難度縮減了發(fā)現(xiàn)問題的時(shí)間，保證了設(shè)備工作在高效穩(wěn)定的一個(gè)狀態(tài)。這對(duì)于提高產(chǎn)品的質(zhì)量是有很大幫助。

該項(xiàng)目的終端模塊能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境參數(shù)（包括溫度，濕度，噪音，粉塵濃度，可燃?xì)怏w濃度）[2]，對(duì)溫濕度度過高或粉塵濃度過高的環(huán)境異常實(shí)時(shí)告警，可以避免設(shè)備的損壞和產(chǎn)品的質(zhì)量下降；噪聲的監(jiān)測(cè)主要是處于對(duì)操作員工身體健康的考慮，若噪聲過高，應(yīng)當(dāng)及時(shí)做好防護(hù)措施；可燃?xì)怏w濃度的監(jiān)測(cè)主要應(yīng)用于特殊場(chǎng)合，如煉鐵高爐等，若過高極易發(fā)生火災(zāi)，需及時(shí)開啟通風(fēng)設(shè)備。通過環(huán)境參數(shù)可以排除一些安全隱患，為員工的人身安全增添了一份保障。

系統(tǒng)架構(gòu)靈活、技術(shù)新穎，模塊操作簡單，環(huán)境參數(shù)值范圍設(shè)定都可以在觸摸屏上完成，迎合了當(dāng)今對(duì)產(chǎn)品高要求的趨勢(shì)，對(duì)未來工業(yè)方面的發(fā)展具有深遠(yuǎn)的意義。

2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了一種以STM32F407處理器為核心的車間環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[3]，由多個(gè)終端模塊和一個(gè)匯總模塊組成。多個(gè)終端模塊安裝于車間各個(gè)位置，主要采集車間溫濕度、粉塵濃度、可燃?xì)怏w濃度及噪音等信息；匯總模塊安裝于車間辦公室中，綜合獲取存儲(chǔ)各個(gè)終端模塊采集的數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)顯示在7寸工業(yè)屏上，同時(shí)對(duì)異常環(huán)境數(shù)據(jù)告警。終端模塊和匯總模塊采取ZigBee無線通信形式傳輸數(shù)據(jù)，具有布局靈活、節(jié)省成本、穩(wěn)定性高的特點(diǎn)。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

3.1 ZigBee模塊選型

Zigbee是IEEE 802.15.4協(xié)議的代名詞。根據(jù)這個(gè)協(xié)議規(guī)定的技術(shù)是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)。其優(yōu)勢(shì)包括：自動(dòng)組網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)容量大。在有模塊加入和撤出時(shí)，網(wǎng)絡(luò)具有自動(dòng)修復(fù)功能；網(wǎng)絡(luò)時(shí)延短；模塊功耗低，通訊速率低；傳輸距離可擴(kuò)展；可靠性好，安全性高等。

3.2 終端模塊硬件設(shè)計(jì)

終端模塊采用Cortex-M4系列的微處理器芯片STM32F407，接口功能豐富。終端模塊上使用SDS011型PM2.5傳感器監(jiān)測(cè)粉塵濃度，使用MQ7模塊監(jiān)測(cè)可燃?xì)怏w濃度，使用DHT11傳感器采集溫濕度，使用音頻模塊采集環(huán)境噪聲。

終端模塊的I/O接口設(shè)計(jì)如下：DHT11數(shù)據(jù)口接STM32的PB11；噪音傳感器數(shù)據(jù)口接STM32的PA6；MQ7數(shù)據(jù)口接STM32的PA5；SDS011型PM2.5傳感器接STM32的PA10（USART1）；ZigBee的P0_2（USART_RX）接STM32的PA2（USART2）。

3.3 匯總模塊硬件設(shè)計(jì)

匯總模塊采用Cortex-M4系列的微處理器芯片STM32F407，為了能夠直觀顯示采集數(shù)據(jù)，使用了工業(yè)級(jí)7寸觸摸顯示屏，并保證了系統(tǒng)長期工作的可靠性，此外還使用了工業(yè)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)雙色告警燈，用于異常告警。

匯總模塊的I/O接口設(shè)計(jì)如下：ZigBee的P0_3（USART_TX）接STM32的PA10（USART1）；RS485_TX接STM32的PA3（USART2）；RS485_RX接STM32的PA2（USART2）。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序是在STM32開發(fā)板上運(yùn)行，使用C程序設(shè)計(jì)的編程思想。本系統(tǒng)集合了多種功能，可以將各種功能用子程序來實(shí)現(xiàn)，然后通過主程序調(diào)用，這樣使得系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)清晰，內(nèi)容明了增強(qiáng)程序的可讀性，整個(gè)系統(tǒng)框圖如圖2所示。

4.1 串口屏的軟件設(shè)計(jì)

串口屏有產(chǎn)品自帶的開發(fā)工具DWIN DGUS軟件，為用戶提供了一個(gè)足夠強(qiáng)大的集成開發(fā)環(huán)境，用DGUS來開發(fā)人機(jī)界面，主要借助PC軟件來進(jìn)行組態(tài)設(shè)計(jì)，把人機(jī)交互和控制過程完全分開，只需要寫點(diǎn)通過串口讀寫變量存儲(chǔ)器的代碼。

4.2 終端模塊的軟件設(shè)計(jì)

終端模塊在CC2530芯片中編程以協(xié)議棧為基礎(chǔ)，其通信節(jié)點(diǎn)形式為ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的終端節(jié)點(diǎn)，ZigBee無線通信設(shè)置為組播模式。當(dāng)模塊連入ZigBee網(wǎng)絡(luò)后，以1Hz的頻率向匯總模塊（ZigBee協(xié)調(diào)器端）發(fā)送數(shù)據(jù)幀字符串。

終端模塊在STM32F4中編程以初始化各個(gè)傳感器，以1Hz的頻率讀取各傳感器數(shù)據(jù)并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)。整合成自定義的數(shù)據(jù)幀字符串以串口通信發(fā)送給CC2530芯片。

4.3 匯總模塊的軟件設(shè)計(jì)

匯總模塊在CC2530芯片中編程以協(xié)議棧為基礎(chǔ)，其通信節(jié)點(diǎn)形式為ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的路由器節(jié)點(diǎn)，ZigBee無線通信設(shè)置為組播模式。當(dāng)模塊創(chuàng)建ZigBee網(wǎng)絡(luò)后，以1Hz的頻率從終端模塊接收數(shù)據(jù)幀字符串。

匯總模塊在STM32F4中編程把數(shù)據(jù)幀字符串轉(zhuǎn)化成串口屏數(shù)據(jù)幀，并以485通信協(xié)議與串口屏進(jìn)行交互通信。

5 系統(tǒng)功能測(cè)試

將系統(tǒng)組裝完成后，先給終端模塊上電，此時(shí)已經(jīng)可以觀察到終端模塊TFT顯示屏上顯示的環(huán)境數(shù)據(jù)了。傳感器預(yù)熱5分鐘后，再打開匯總模塊。約6s后，可以在匯總模塊串口屏上觀察到環(huán)境數(shù)據(jù)且曲線以1Hz的頻率刷新。說明系統(tǒng)無線數(shù)據(jù)的傳輸已經(jīng)正常工作了。系統(tǒng)實(shí)物如圖3所示。

最后我們可以通過點(diǎn)燃打火機(jī)（測(cè)試可燃?xì)怏w傳感器，溫濕度傳感器），播放的聲音（測(cè)試噪音傳感器）等手段來檢驗(yàn)傳感器的靈敏度。經(jīng)檢驗(yàn)，匯總模塊的報(bào)警反應(yīng)時(shí)間在1.5秒左右，符合了設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)束語

智能工業(yè)的實(shí)現(xiàn)是基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的滲透和應(yīng)用，并與未來先進(jìn)制造技術(shù)相結(jié)合，形成新的智能化的制造體系。因此，智能工業(yè)就是把現(xiàn)代通信技術(shù)應(yīng)用到工業(yè)制造中去，使其更便捷、高效、穩(wěn)定、人性化。

這套系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)車間多點(diǎn)環(huán)境情況，并對(duì)異常狀況告警，因此一方面可以減少車間環(huán)境對(duì)工作生產(chǎn)或設(shè)備運(yùn)行的影響，另一方面也可以幫助管理者真正地了解生產(chǎn)一線工作環(huán)境。此外，本系統(tǒng)不僅可以應(yīng)用于車間環(huán)境監(jiān)測(cè)，也可直接應(yīng)用于智能家居的環(huán)境監(jiān)測(cè)。

參考文獻(xiàn)：

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