范明民

（北海職業(yè)學(xué)院，廣西 北海 536000）

高校實(shí)訓(xùn)室有眾多昂貴的電子設(shè)備，而這些電子設(shè)備對(duì)放置環(huán)境要求極其苛刻，否則會(huì)損害其精度，造成不可逆轉(zhuǎn)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(shí)間和精力，測量數(shù)據(jù)不一定精確。智能環(huán)境控制工程是我國邁向控制現(xiàn)代化的重要組成節(jié)點(diǎn)，對(duì)我國溫室控制發(fā)展有重要意義，是我國科技人員研究的重要方向[1]。為進(jìn)一步提高校園實(shí)訓(xùn)室環(huán)境設(shè)備使用壽命，提高管理效率，對(duì)實(shí)訓(xùn)室環(huán)境24 h 全方位實(shí)時(shí)、高效、可靠監(jiān)測和控制，對(duì)于增加經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益刻不容緩[2]。所以，監(jiān)控工作穩(wěn)定可靠、操作簡單的無線實(shí)時(shí)監(jiān)測環(huán)境溫濕度檢測系統(tǒng)對(duì)維護(hù)機(jī)房環(huán)境有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，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(jī)模塊、電源模塊和報(bào)警模塊組成。

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

本系統(tǒng)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(wù)。從控制器主要功能是負(fù)責(zé)接收處理傳感器的溫濕度參數(shù)，通過控制顯示電路實(shí)時(shí)顯示溫度和濕度參數(shù)。當(dāng)測量出的參數(shù)超過或者低于預(yù)定值，觸發(fā)蜂鳴器報(bào)警和二極管閃爍進(jìn)行提示，輸出一個(gè)不間斷的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制電機(jī)進(jìn)行散熱和降溫，通過ZigBee 模塊將警報(bào)傳達(dá)至監(jiān)控中心提醒管理員及時(shí)處理，從而將濕度和溫度控制在科學(xué)的閾值范圍內(nèi)。同時(shí)，利用無線信道把傳感器參數(shù)發(fā)給主控制器，主控制器通過串口線連接PC 上位機(jī)，便于管理員實(shí)時(shí)查看，自動(dòng)將數(shù)據(jù)存入MySQL 數(shù)據(jù)庫，后續(xù)統(tǒng)計(jì)分析的時(shí)候可以將其作為統(tǒng)計(jì)分析依據(jù)。系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)圖

ZigBee 協(xié)議是一種短途、能耗小和傳輸數(shù)據(jù)速率小的無線半雙工通信技術(shù)，廣泛用于自動(dòng)控制領(lǐng)域。本系統(tǒng)采用星型組網(wǎng)方式，降低傳感器終端節(jié)點(diǎn)的復(fù)雜度，提高系統(tǒng)之間的可靠性。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

溫濕度采集終端節(jié)點(diǎn)是指利用DHT11 采集現(xiàn)場溫濕度轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，路由器節(jié)點(diǎn)既接收終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)字信號(hào)，又匯總數(shù)據(jù)發(fā)送到ZigBee 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器把數(shù)據(jù)通過RS232 串口線連接到計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控中心到現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集。

1.2 主控芯片選型

本次芯片設(shè)計(jì)方案采用ARM 內(nèi)核的32 位單片機(jī)，優(yōu)點(diǎn)是集成了豐富的外設(shè)功能，將數(shù)字信號(hào)處理、響應(yīng)迅速、低延遲、能耗小和高可靠性等優(yōu)勢(shì)匯總在一起[3]。功能較STC89C51 強(qiáng)大得多，便于后續(xù)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(nèi)含512 KB Flash，高達(dá)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(shí)現(xiàn)代碼編寫。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵硬件設(shè)計(jì)

2.1 溫濕度采集設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)對(duì)采集溫度和濕度的傳感器要求苛刻，因?yàn)椴杉臄?shù)據(jù)需要考慮到與ZigBee 結(jié)合無線傳輸產(chǎn)生的延遲。所以，對(duì)傳感器的潛在要求是快速響應(yīng)、測量精準(zhǔn)、傳輸距離遠(yuǎn)。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(shù)據(jù)連接到ZigBee，ZigBee 把接收到的數(shù)據(jù)以無線的方式分別發(fā)送到主STM32 和從STM32 處理器，最大程度上減少有線線路的鋪設(shè)成本，簡化了安裝步驟。在實(shí)際電路中，由于DHT11 在一定的溫濕度范圍內(nèi)性能比較穩(wěn)定，但是超過了某一個(gè)范圍，檢測的精度會(huì)嚴(yán)重惡化，所以在電路設(shè)計(jì)需要考慮對(duì)DHT11 的線性補(bǔ)償[4]。本次濕度上限閾值設(shè)置在70%，溫度上限是40℃。

2.2 電機(jī)溫控設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用17 000-18 000 r·min-1的直流電機(jī)，它的特點(diǎn)是帶負(fù)載能力強(qiáng)、高耐壓，主要驅(qū)動(dòng)ULN2003D 芯片進(jìn)行通風(fēng)散熱。從控制器接收告警信號(hào)會(huì)給直流電機(jī)一個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，當(dāng)告警信號(hào)消失或者人為干預(yù)后才會(huì)停止風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，使得溫濕度保持在恒溫恒濕的參數(shù)值內(nèi)。本次設(shè)計(jì)采用五線四相電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路來驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

2.3 告警模塊設(shè)計(jì)

采用發(fā)光二極管和蜂鳴器的預(yù)警電路，當(dāng)溫度或者濕度某一項(xiàng)指標(biāo)過高或者過低時(shí)，觸發(fā)報(bào)警，發(fā)光二極管以間隔時(shí)間為0.5 s 持續(xù)閃爍，蜂鳴器響起，輸出風(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)自動(dòng)調(diào)整溫濕度。

2.4 ZigBee 無線傳輸模塊設(shè)計(jì)

區(qū)別于OSI 的7 層架構(gòu)，ZigBee 技術(shù)的協(xié)議層只有四層，分別是物理層、MAC 層、網(wǎng)絡(luò)安全層和應(yīng)用層，最底層的物理層可以通過無線物理信道發(fā)送和接收協(xié)議數(shù)據(jù)單元[5]。ZigBee 包含2 種實(shí)體設(shè)備，分別是全功能新設(shè)備（FFD，F(xiàn)ull Function Device）和精簡功能設(shè)備（RFD，Reduced Function Device）。這里特別需要注意，F(xiàn)FD 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(wǎng)中，最少也要有一個(gè)FFD 作為整個(gè)無線網(wǎng)的ZigBee 協(xié)調(diào)器，一個(gè)ZigBee 網(wǎng)絡(luò)一般只有一個(gè)ZigBee 協(xié)調(diào)器[6]。我們采用CC2530 芯片，發(fā)射功率增加20 dBm，接收靈敏度增益改善6 dB，串口每秒85 個(gè)80 字節(jié)的數(shù)據(jù)包。30 s 一次采集溫濕度數(shù)據(jù)上傳，極大降低功耗。本研究針對(duì)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，每個(gè)實(shí)驗(yàn)室放置2～4 個(gè)溫度傳感器連接到ZigBee 模塊，監(jiān)控中心放置1 個(gè)協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)接收本棟大樓的無線信號(hào)，協(xié)調(diào)器連接到主STM32 控制器，STM32 與上位機(jī)軟件連接，上位機(jī)監(jiān)控獲取的信號(hào)是封閉實(shí)驗(yàn)室?guī)讉€(gè)監(jiān)控點(diǎn)的溫濕度平均值，以此提高測量數(shù)值的可靠性。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)將終端節(jié)點(diǎn)采集的溫濕度通過無線信道傳送到ZigBee 協(xié)調(diào)器，ZigBee 協(xié)調(diào)器通過串口線將數(shù)據(jù)發(fā)送至從STM32 控制器從機(jī)，主控制器也連接到協(xié)調(diào)器，最終將通過串口線顯示在PC 機(jī)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(tǒng)設(shè)計(jì)的基于C 語言編程的開發(fā)工具，具備便捷的集成環(huán)境和強(qiáng)大的仿真能力，本系統(tǒng)采用模塊化程序設(shè)計(jì)，主要包括主程序、溫度和濕度檢測子程序、LCD1602 顯示程序、報(bào)警子程序、鍵盤掃描子程序和ZigBee 無線數(shù)據(jù)傳輸子程序6 個(gè)程序。

圖3 系統(tǒng)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(tǒng)是否有這個(gè)硬件，如果有返回1，否則為0，可以通過手動(dòng)設(shè)置溫濕度上下限，便于不同時(shí)間段的靈活調(diào)整。Temp_DataPros（）函數(shù)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(shù)用于設(shè)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(tǒng)使用較為頻繁，本次使用KEY_Scan（u8 mode）函數(shù)進(jìn)行掃描，由于按鍵存在抖動(dòng)，不利于讀取，故先需要消除抖動(dòng)，即給一個(gè)延遲delay（1 000）。KEY_Pros（）函數(shù)可以實(shí)現(xiàn)按鍵加減功能。

3.1.3 報(bào)警子程序

本次使用sound（）函數(shù)進(jìn)行報(bào)警，實(shí)際環(huán)境溫濕度高于上限值就會(huì)開啟報(bào)警和散熱；實(shí)際環(huán)境溫濕度低于下限值也會(huì)開啟報(bào)警和加熱。正常情況下，實(shí)際溫濕度在上下限之間，取消報(bào)警，取消加熱和散熱。報(bào)警時(shí)，指示燈會(huì)亮，同時(shí)反饋給監(jiān)控中心一個(gè)信號(hào)提醒。

3.2 系統(tǒng)測試

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下測試，測試的指標(biāo)分別為系統(tǒng)運(yùn)行可靠性測試、供電系統(tǒng)測試、溫濕度無線數(shù)據(jù)傳輸測試、自動(dòng)控制測試和告警系統(tǒng)測試等。在Eclipse 集成環(huán)境下，編寫Java 程序，讀取主STM32 控制器的數(shù)據(jù)，連接到MySQL 數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)。系統(tǒng)測試結(jié)果見表1。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測試，該系統(tǒng)的可靠性和有效性均滿足使用要求。

表1 系統(tǒng)測試結(jié)果

4 結(jié)束語

本文以機(jī)房實(shí)訓(xùn)室等封閉環(huán)境為出發(fā)點(diǎn)，通過嵌入式開發(fā)技術(shù)，結(jié)合ZigBee 的多點(diǎn)無線通信技術(shù)對(duì)系統(tǒng)軟硬件綜合設(shè)計(jì)，系統(tǒng)具備采樣點(diǎn)靈活，容量大的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了無線溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)，該方案能夠很好地解決當(dāng)前人力檢測的低效局面，具備低成本、效率高和高穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)實(shí)中具有較高的應(yīng)用價(jià)值。