湯　浩，楊　凌

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第二十八研究所，江蘇 南京 210000)

一種基于ARM的環(huán)境監(jiān)控終端設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

湯浩，楊凌

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第二十八研究所，江蘇 南京 210000)

摘要：介紹了一種基于ARM處理器和CS5460A功率測(cè)量芯片的指控臺(tái)/機(jī)柜內(nèi)部環(huán)境監(jiān)控終端的解決方案, 闡述了其工作原理及軟硬件設(shè)計(jì)。該終端能夠檢測(cè)并實(shí)時(shí)顯示指控臺(tái)/機(jī)柜內(nèi)部微環(huán)境的溫濕度、指控臺(tái)/機(jī)柜的輸入功率、UPS的剩余電量、工作時(shí)間和帶載功率等參數(shù)，同時(shí)還具有聲光報(bào)警和一定的控制功能。

關(guān)鍵詞：ARM 環(huán)境監(jiān)控; 溫濕度; 功率測(cè)量

在工業(yè)化、信息化發(fā)展的進(jìn)程中，不僅生產(chǎn)場(chǎng)所的溫濕度等環(huán)境信息非常重要，作為生產(chǎn)場(chǎng)所控制中樞的控制臺(tái)/柜內(nèi)部的環(huán)境信息也顯得越來(lái)越重要；因此，迫切需求一種實(shí)時(shí)、可靠且具有一定通用性的控制臺(tái)/柜監(jiān)控終端。

目前，常見(jiàn)的環(huán)境監(jiān)控終端主要是采集和顯示溫濕度等狹義的微環(huán)境參數(shù)，往往忽視了對(duì)于控制臺(tái)/柜搭載的UPS的輸出參數(shù)的監(jiān)控，或者需要利用另一個(gè)控制終端來(lái)監(jiān)控電流、電壓以及功率，少有廣義的集成化的環(huán)境監(jiān)控終端[1]。本文提出一種基于ARM處理器和CS5460A功率測(cè)量芯片的指控臺(tái)/柜內(nèi)部環(huán)境監(jiān)控終端的實(shí)現(xiàn)方案，使其能夠檢測(cè)并實(shí)時(shí)顯示指控臺(tái)/柜內(nèi)部微環(huán)境的溫濕度、指控臺(tái)/柜的輸入功率、UPS的剩余電量、工作時(shí)間和帶載功率等參數(shù)，同時(shí)還具有聲光報(bào)警和一定的控制功能。

1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)由ARM處理器、溫濕度傳感器、功率測(cè)量模塊、智能顯示屏以及報(bào)警電路組成，系統(tǒng)框圖如圖1所示[2]。通過(guò)多路溫濕度傳感器以及功率測(cè)量模塊，將采集到的數(shù)據(jù)送入ARM處理器，處理后由智能顯示屏實(shí)時(shí)顯示。如果溫濕度值超過(guò)預(yù)設(shè)的閾值，報(bào)警電路將進(jìn)行聲光報(bào)警，同時(shí)開(kāi)起驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇等控制臺(tái)/柜內(nèi)置的降溫設(shè)備。用戶可以通過(guò)以太網(wǎng)從智能顯示屏遠(yuǎn)程讀取監(jiān)控信息。

圖1　環(huán)境監(jiān)控終端組成框圖

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

環(huán)境監(jiān)控終端由智能終端和監(jiān)控模塊組成。智能終端電壓為12～36 VDC，使用環(huán)境溫度為-20 ～ +60 ℃，保存環(huán)境溫度為-40 ～ +85 ℃，使用環(huán)境濕度為10%～ 90% RH(無(wú)凝露環(huán)境<39 ℃)，可以滿足大多數(shù)工業(yè)場(chǎng)所的需求。智能終端帶有RS232接口和RS485接口，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

1) ARM處理器。模塊采用STM32F103處理器，該處理器帶有64 K以上字節(jié)的程序存儲(chǔ)器，20 K字節(jié)的SRAM，CPU的主頻可以達(dá)到72 MHz，接口豐富，帶有定時(shí)器、12位ADC、SPI、I2C和USART，帶有USB 2.0全速接口。

2)異步串行口。系統(tǒng)設(shè)計(jì)3個(gè)異步串行口接口，其中2個(gè)是帶隔離的串行口，1個(gè)是帶浪涌保護(hù)的串行口，該串行口和智能顯示器通信，一個(gè)隔離的串行口用于和UPS通信；另一個(gè)串行口用于調(diào)試和上位機(jī)的通信設(shè)置等。

3)功率測(cè)量。模塊采用CS5460A，該芯片是Crystal公司推出的用于測(cè)量電流、電壓和功率的專(zhuān)用芯片，是CS5460的增強(qiáng)版。其特點(diǎn)是精度高、性能強(qiáng)且成本低。CS5460A含有2個(gè)增益可編程放大器、2個(gè)Δ-Σ調(diào)制器和2個(gè)高速濾波器，具有系統(tǒng)校準(zhǔn)和有效值/功率計(jì)算功能，可以提供瞬時(shí)電壓/電流/功率數(shù)據(jù)采樣及有功能量，以及IRMS，VRMS的周期計(jì)算結(jié)果。CS5460A還可以在給定引腳上輸出脈沖串，輸出的脈沖數(shù)與有功能量寄存器的數(shù)值成正比，適應(yīng)范圍更為廣泛。其工作溫度為-40 ～ +85 ℃。

4)溫度、濕度測(cè)量。采用DHT22/AM23022數(shù)字溫濕度傳感器，這是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。其采用專(zhuān)用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。傳感器含有1個(gè)電容式感濕元件和1個(gè)測(cè)溫器件，并與1個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接。產(chǎn)品響應(yīng)速度快，抗干擾能力強(qiáng)，性?xún)r(jià)比高。該傳感器在極為精確的濕度校驗(yàn)室中進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式儲(chǔ)存在OTP內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測(cè)信號(hào)的處理過(guò)程中自動(dòng)調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù)。傳感器采用單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡(jiǎn)易、快捷。由于具有超小的體積、極低的功耗和信號(hào)傳輸距離>20 m的優(yōu)點(diǎn)，使其成為各類(lèi)應(yīng)用甚至最為苛刻的應(yīng)用場(chǎng)合的最佳選擇。

5)報(bào)警電路。采用聲光報(bào)警電路，包含濕度過(guò)大報(bào)警、溫度過(guò)高/過(guò)低報(bào)警、溫度過(guò)高/過(guò)低時(shí)風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)、電壓低報(bào)警、電量不足報(bào)警和斷電報(bào)警，并利用繼電器觸點(diǎn)控制電扇。

6)監(jiān)控模塊接口及功能。監(jiān)控模塊電路的主要接口如圖2所示。a.電源接口J1，3芯插座，其中24 V端子可以接入12～24 V電壓，5 V端子只能接5 V電壓，24 V端子和5 V端子只能接其中一個(gè)，還有一個(gè)端子用于接電源地；b.溫濕度傳感器接口J8，9芯插座，分別接入3個(gè)溫濕度傳感器，溫濕度傳感器4個(gè)管腳只需要接入3個(gè)，分別是地(GND-4)、數(shù)字口(DATA-2)和電源(VDD-1)；c.顯示器串行口端子J5，連接到智能終端COM1；d.隔離串行口、繼電器接口J4，該接口有2個(gè)隔離的串行口，1個(gè)繼電器口，其中COM1和UPS串行口相連，值得注意的是，UPS的串行口是專(zhuān)用的串行適配器，必須使用UPS配置的串行口電纜才能通行；e.220 V電壓輸入端J9，端子的1號(hào)管腳和3號(hào)管腳分別接入220 V交流信號(hào)的火線和零線；f.接穿心互感的輸出J10，用來(lái)測(cè)量電流的大小，穿心互感只能穿過(guò)1根電源火線。監(jiān)控模塊帶有紅外接口作為備用，可以接受遙控器的輸入。

圖2　監(jiān)控模塊接口

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)和功能定位

軟件設(shè)計(jì)包含智能顯示模塊的軟件設(shè)計(jì)和監(jiān)控模塊的軟件設(shè)計(jì)等2大部分[3]。

智能顯示模塊的軟件開(kāi)發(fā)采用了組態(tài)方式和Linux操作系統(tǒng)相結(jié)合的方式。監(jiān)控終端設(shè)計(jì)了顯示專(zhuān)用庫(kù)和寄存器映射區(qū)，采用了工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的Modbus RTU協(xié)議進(jìn)行通信。顯示終端帶有操作系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的訪問(wèn)。系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了良好的文件管理能力，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了環(huán)境顯示和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)顯示，并可以方便地進(jìn)行切換。智能顯示模塊的顯示界面，采用組態(tài)軟件QTouch進(jìn)行開(kāi)發(fā)。QTouch提供了一定的圖形操作功能，為了能夠讓智能顯示模塊顯示和監(jiān)控環(huán)境狀態(tài)，采用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)了監(jiān)控顯示腳本文件，腳本文件可以將寄存器映射區(qū)的結(jié)果解算成系統(tǒng)的環(huán)境狀態(tài)信息。顯示模塊中采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的Modbus RTU通信協(xié)議，協(xié)議中增加了報(bào)警狀態(tài)位，可以將環(huán)境信息實(shí)時(shí)上傳，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示、智能報(bào)警和觸摸按鍵控制等功能。

監(jiān)控功能模塊軟件開(kāi)發(fā)的功能包括：溫濕度傳感器信號(hào)采集功能；帶有干擾濾波，瞬時(shí)電流和電壓、平均電流和電壓的采集與處理功能；Modbus RTU通信協(xié)議；RS232與UPS通信及命令解析功能；通過(guò)USB的參數(shù)設(shè)置功能；傳感器數(shù)據(jù)擬合標(biāo)定功能，配合上位機(jī)可以方便地對(duì)傳感器輸出進(jìn)行標(biāo)定；傳感器自檢功能；多傳感器數(shù)據(jù)融合處理功能；視在功率計(jì)算功能等。

3.2監(jiān)控終端顯示頁(yè)面設(shè)計(jì)

監(jiān)控終端顯示(見(jiàn)圖3)分成兩部分：上半部分顯示的是電壓、電流和功率，右邊顯示的是平均電壓和平均電流；屏幕下方顯示的是UPS的一些參數(shù)：UPS剩余電量(0～100%)、UPS可工作時(shí)間(h)和UPS帶載功率(W)。當(dāng)系統(tǒng)報(bào)警時(shí)，蜂鳴器蜂鳴，同時(shí)參數(shù)左邊的指示燈閃爍。如果溫度、濕度報(bào)警，電風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)，屏幕上電扇圖標(biāo)旋轉(zhuǎn)。如果要停止蜂鳴，請(qǐng)點(diǎn)擊屏幕上的消音按鈕。

圖3　監(jiān)控模塊顯示畫(huà)面

3.3智能顯示模塊和監(jiān)控模塊通信協(xié)議格式

3.3.1智能顯示模塊通信協(xié)議格式

監(jiān)控模塊設(shè)備地址設(shè)為01，讀取監(jiān)控模塊10個(gè)數(shù)據(jù)(短整型數(shù)據(jù))，智能顯示模塊(上位機(jī))發(fā)送指令格式見(jiàn)表1。

表1　智能顯示模塊(上位機(jī))發(fā)送指令格式

1)地址碼，為每次通信傳送的第1個(gè)字節(jié)，范圍為01～FEH。該字節(jié)表明由用戶設(shè)定地址碼的從機(jī)將接收由主機(jī)發(fā)送來(lái)的信息。每個(gè)從機(jī)都具有唯一的地址碼，并且響應(yīng)回送均以各自的地址碼開(kāi)始。主機(jī)發(fā)送的地址碼表明將發(fā)送到的從機(jī)地址，而從機(jī)發(fā)送的地址碼表明回送的從機(jī)地址。

2)功能碼，每次通信傳送的第2個(gè)字節(jié)。作為主機(jī)請(qǐng)求發(fā)送，通過(guò)功能碼告訴從機(jī)執(zhí)行什么動(dòng)作；作為從機(jī)響應(yīng)，從機(jī)發(fā)送的功能碼與從主機(jī)發(fā)送來(lái)的功能碼一樣，并表明從機(jī)已響應(yīng)主機(jī)進(jìn)行操作。

3.3.2監(jiān)控模式通信協(xié)議格式

監(jiān)控模塊響應(yīng)幀格式見(jiàn)表2。

1)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，即數(shù)據(jù)區(qū)總字節(jié)數(shù)。

2)數(shù)據(jù)內(nèi)容，即數(shù)據(jù)區(qū)包含需要從機(jī)執(zhí)行什么動(dòng)作或由從機(jī)采集的返送信息。

對(duì)于不同的從機(jī)，地址和數(shù)據(jù)信息都不相同。數(shù)據(jù)解析時(shí)，為高位前低位后。

表2　監(jiān)控模塊響應(yīng)幀格式

3.4智能終端與觸摸屏通信格式

智能終端發(fā)送指令、監(jiān)控模塊應(yīng)答指令格式見(jiàn)表3和表4 。

表3　智能終端發(fā)送指令格式

表4　監(jiān)控模塊應(yīng)答指令格式

監(jiān)控模塊每隔2 s讀取溫濕度傳感器和功率模塊數(shù)據(jù)，每隔2 s向UPS發(fā)送指令讀取狀態(tài)，應(yīng)答智能模塊串行口的數(shù)據(jù)請(qǐng)求，將讀取到的數(shù)據(jù)按照10個(gè)數(shù)據(jù)的定義保存到指定寄存器，并通過(guò)串行口發(fā)送至智能顯示模塊；同時(shí)讀取智能顯示模塊10H命令解析返回指令。

4結(jié)語(yǔ)

本終端基于ARM M3 STM32F103 處理器和CS5460A功率測(cè)量芯片開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，監(jiān)控內(nèi)容豐富，在隔離、防浪涌和防尖峰干擾等方面做了特殊技術(shù)處理，提高了系統(tǒng)可靠性和抗干擾能力，并且有較寬的溫度適用范圍，適用于大多數(shù)工業(yè)場(chǎng)所的控制臺(tái)/柜的內(nèi)部環(huán)境智能監(jiān)控。

參考文獻(xiàn)

[1] 李楠，李建義，張紅亮，等.基于STM32 的環(huán)境監(jiān)控終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].北華航天工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2013(1)：15-18，21.

[2] 劉賢鍇.電能計(jì)量芯片CS5460A的應(yīng)用研究[J]. 電測(cè)與儀表，2007(1)：62-64.

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責(zé)任編輯馬彤

The Design and Implementation of Environmental Monitoring Terminal based on ARM

TANG Hao,YANG Ling

(China Electronics Technology Group Corporation 28th Research Institute, Nanjing 210000,China)

Abstract：Describe a solution of internal allegations desk/rack environment monitoring terminal based on ARM processor and CS5460A power measurement chip, and present its working principle and hardware and software designing. The terminal has detected and displayed the parameters of allegations station/micro-environment inside the cabinet temperature and humidity, alleging table/cabinet input power, UPS’s remaining capacity, working time and load power and so on in real time, and also has sound light alarm and certain control functions.

Key words:ARM environmental monitoring，temperature and humidity，power measurement

收稿日期：2015-03-17

作者簡(jiǎn)介：湯浩(1978-)，男，高級(jí)工程師，碩士，主要從事信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面的研究。

中圖分類(lèi)號(hào)：TP 274

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A