張秋晶，古棟笙，邱金波，吳潔華

（廣東石油化工學(xué)院 自動(dòng)化學(xué)院，廣東 茂名 525000）

通過(guò)對(duì)嵌入式系統(tǒng)和各類果蔬儲(chǔ)藏條件的學(xué)習(xí)與研究，根據(jù)果蔬儲(chǔ)藏環(huán)境中對(duì)不同參數(shù)的監(jiān)測(cè)要求，經(jīng)過(guò)對(duì)相關(guān)軟件和硬件的相互結(jié)合，本文初步設(shè)計(jì)出功能良好、使用方便、符合環(huán)保理念的一種基于STM32果蔬儲(chǔ)藏環(huán)境監(jiān)測(cè)與管理系統(tǒng)。

1.系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

對(duì)果蔬儲(chǔ)藏環(huán)境需要監(jiān)測(cè)參數(shù)的檢測(cè)方案主要是對(duì)溫度、濕度和二氧化碳含量等數(shù)據(jù)的采集，通過(guò)溫濕度二氧化碳傳感器對(duì)三種環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)然后將數(shù)據(jù)反饋給主控部分，三種環(huán)境參數(shù)信息經(jīng)過(guò)主控部分處理轉(zhuǎn)換后在TFT顯示屏中實(shí)時(shí)顯示出來(lái)。主控核心通過(guò)驅(qū)動(dòng)WIFI無(wú)線傳輸模塊，將環(huán)境參數(shù)傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線傳輸?shù)姆绞絺鬏數(shù)缴衔粰C(jī)中。上位機(jī)接收到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)后將其于網(wǎng)頁(yè)端進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，用戶在線上可以觀察到當(dāng)前果蔬存儲(chǔ)環(huán)境中三種不同的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息，進(jìn)行數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)的觀測(cè)與分析，便于后續(xù)的分析與環(huán)境管理。

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

2.系統(tǒng)硬件模塊設(shè)計(jì)

2.1 硬件的總體設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)的硬件電路部分中，采用STM32F103ZET6的32位單片機(jī)用于硬件系統(tǒng)的控制核心，為實(shí)現(xiàn)對(duì)果蔬儲(chǔ)存環(huán)境的溫度調(diào)節(jié)，在本硬件電路部分中還增加了對(duì)半導(dǎo)體制冷模塊進(jìn)行PWM信號(hào)控制的MOS管驅(qū)動(dòng)電路。

本系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖

2.2 主控芯片

主控制模塊是由 STM32F103RTC6 單片機(jī)最小系統(tǒng)構(gòu)成，該控制器具有高性能、低成本、低功耗等特點(diǎn)，采用性能較高的ARMCortex-M3 的32位的RISC內(nèi)核，工作頻率是72MHz，內(nèi)部有高速存儲(chǔ)器，具有豐富的增強(qiáng)型GPIO端口和連接到兩條APB總線的外設(shè)[1]。

2.3 溫濕度二氧化碳傳感器

溫濕度二氧化碳傳感器采用集成模塊的方式，將STM8微處理器芯片、HDC10800數(shù)字濕度傳感器和CCS811二氧化碳含量傳感器集成在一塊小型PCB板中[3]，STM32單片機(jī)可與STM8微處理器的串口直接進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，不同于經(jīng)常見(jiàn)到的DS18B20溫度模塊和DHT11濕度模塊，以CCS811為內(nèi)核的集成模塊通過(guò)搭載新型溫濕度傳感器，可以在接收外部讀取信號(hào)后實(shí)現(xiàn)多種環(huán)境參數(shù)的智能檢測(cè)，并通過(guò)微處理器內(nèi)置的數(shù)模轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換后，通過(guò)串口直接對(duì)外輸出當(dāng)前溫度、濕度和二氧化碳含量的準(zhǔn)確數(shù)值，極大地縮短了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與調(diào)試時(shí)間。

2.4 WiFi模塊

WIFI模塊選擇的芯片是由樂(lè)鑫公司研發(fā)的一款ESP8266物聯(lián)網(wǎng)芯片模塊，這是一款專門(mén)為物聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)設(shè)備設(shè)計(jì)的無(wú)線模塊，具有超低功耗、超低時(shí)延和性能穩(wěn)定等多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，ESP8266模塊集成了微處理器芯片，芯片內(nèi)部包含射頻電路、電源管理電路、晶振電路、MAC和四種通用接口電路。四種通用接口電路分別是SDIO、SPI、GPIO和I2C通訊接口，可對(duì)各類外設(shè)進(jìn)行通訊和控制，適用于各種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)合，ESP8266模塊還支持豐富的AT指令，使用人員可以通過(guò)AT指令集對(duì)模塊進(jìn)行管理和控制。ESP8266模塊支持的三種工作模式如下表所示：

表1 ESP8266模塊的三種工作模式

2.5 半導(dǎo)體制冷模塊

半導(dǎo)體制冷模塊主要由半導(dǎo)體制冷片、熱端散熱片和散熱風(fēng)扇組成[3]。半導(dǎo)體制冷片是由一塊N型半導(dǎo)體材料和一塊P型半導(dǎo)體材料相互聯(lián)結(jié)組成的一種熱傳導(dǎo)材料，當(dāng)向半導(dǎo)體制冷片兩端通以電流時(shí)，半導(dǎo)體制冷片兩端發(fā)生熱量傳導(dǎo)作用，使冷端的熱量通過(guò)熱傳導(dǎo)傳遞到熱端，制冷片兩端就會(huì)產(chǎn)生一定的溫度差，從而實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體制冷的目的。

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)表明，本系統(tǒng)配合的果蔬儲(chǔ)藏環(huán)境模擬試驗(yàn)箱空間有限，僅僅使用一塊半導(dǎo)體制冷片足以對(duì)箱體密閉空間產(chǎn)生比較好的制冷效果，在對(duì)半導(dǎo)體制冷模塊進(jìn)行最大功率運(yùn)行時(shí)，無(wú)空氣流通的密閉箱體內(nèi)溫度從25℃降至0℃的時(shí)長(zhǎng)為10分鐘。

3.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 總體系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

基于STM32的果蔬儲(chǔ)藏環(huán)境監(jiān)測(cè)與管理系統(tǒng)的系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分為主程序設(shè)計(jì)、溫濕度二氧化碳傳感器程序設(shè)計(jì)、WIFI模塊程序設(shè)計(jì)、TFT顯示模塊程序設(shè)計(jì)和PWM控制程序設(shè)計(jì)。硬件系統(tǒng)進(jìn)行通電后，STM32單片機(jī)需要對(duì)芯片內(nèi)部系統(tǒng)時(shí)鐘、各類通用寄存器以及通用輸入輸出接口GPIO進(jìn)行初始化設(shè)置，同時(shí)對(duì)溫濕度二氧化碳傳感器、WIFI模塊程序和TFT顯示模塊程序進(jìn)行初始化驅(qū)動(dòng)。儲(chǔ)藏環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在正常工作過(guò)程中，主程序調(diào)用溫濕度二氧化碳傳感器的串口通信函數(shù)程序，對(duì)傳感器采集到的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行讀取收集，再通過(guò)調(diào)用WIFI模塊驅(qū)動(dòng)程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送。PC機(jī)將接收的數(shù)據(jù)于網(wǎng)頁(yè)端進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示，到這一步便以實(shí)現(xiàn)了對(duì)果蔬儲(chǔ)藏環(huán)境的監(jiān)測(cè)功能。本系統(tǒng)的軟件總體流程圖如圖3所示。

圖 3 軟件總體流程圖

3.2 主程序部分

本系統(tǒng)主程序共由四部分組成，第一部分：對(duì)STM32系統(tǒng)運(yùn)行的必要庫(kù)函數(shù)和子程序模塊部分進(jìn)行包含，否則在編譯系統(tǒng)程序時(shí)會(huì)提示無(wú)法找到該函數(shù)文件。第二部分：對(duì)主程序內(nèi)所需的變量進(jìn)行設(shè)置與幅值。第三部分：對(duì)包括溫濕度二氧化碳傳感器程序部分、WIFI模塊程序部分、顯示屏程序部分、PID控制算法部分和PWM輸出程序的初始化函數(shù)進(jìn)行初始化，完成子程序內(nèi)各變量值的設(shè)定。第四部分：對(duì)溫濕度二氧化碳模塊進(jìn)行串口通信，通過(guò)特定的AT指令將傳感器采集的環(huán)境參數(shù)采回并儲(chǔ)存。將傳感器采集回來(lái)的數(shù)值進(jìn)行轉(zhuǎn)換，調(diào)用WIFI模塊發(fā)送函數(shù)將結(jié)果發(fā)送至PC端。調(diào)用屏幕顯示函數(shù)把轉(zhuǎn)換后的環(huán)境參數(shù)實(shí)時(shí)顯示到TFT屏幕中。主程序執(zhí)行框架圖如圖7所示。

圖4 主程序執(zhí)行框圖

4.結(jié)語(yǔ)

本文主要介紹了一種基于STM32的果蔬儲(chǔ)藏環(huán)境監(jiān)測(cè)與管理系統(tǒng)，對(duì)現(xiàn)階段無(wú)法完全復(fù)現(xiàn)的儲(chǔ)藏環(huán)境進(jìn)行了試驗(yàn)箱模擬。本系統(tǒng)根據(jù)半導(dǎo)體制冷片特性，利用PID控制算法的原理控制STM32輸出對(duì)應(yīng)的PWM信號(hào)，進(jìn)而控制半導(dǎo)體制冷片的功率，最后達(dá)到控制密閉空間溫度的結(jié)果，初步達(dá)到了對(duì)果蔬儲(chǔ)藏環(huán)境的監(jiān)測(cè)與溫度管理功能。