麻小娟，朱維娜，黨建林

（西安明德理工學(xué)院 信息工程學(xué)院，陜西 西安 710124）

0 引言

溫度、濕度和空氣質(zhì)量等實驗室環(huán)境對人體健康、設(shè)備和安全生產(chǎn)起著非常重要的影響，對于環(huán)境變量在檢測上的研究和技術(shù)已經(jīng)很成熟，但在數(shù)據(jù)傳輸方式上多數(shù)為傳統(tǒng)方案，即數(shù)據(jù)可以在本地及時的進行傳輸和反饋，往往研究方向主要是對數(shù)據(jù)的測量和監(jiān)控方面，對環(huán)境變量的控制方面研究很少，在數(shù)據(jù)的傳輸上多以有線方式進行，導(dǎo)致施工難度和成本大幅度上升、需要人工干預(yù)控制，不宜進行大規(guī)模推廣和實際應(yīng)用；伴隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人類對智能化和網(wǎng)絡(luò)化的需求日益增加，特別是進入21世紀(jì)以來，計算機技術(shù)、智能設(shè)備、集成電路及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)得到大力發(fā)展，人們對信息傳播的交互需求更加強烈，越來越多的用戶將借助智能設(shè)備進行工作和學(xué)習(xí)，從信息化發(fā)達(dá)程度衡量來看，信息傳播的準(zhǔn)確性和效率在很大程度上決定了生產(chǎn)力。為了將實驗室溫濕度和空氣質(zhì)量等環(huán)境參數(shù)及時的進行反饋，發(fā)現(xiàn)環(huán)境參數(shù)的異常變量，減少不利環(huán)境因素對人體健康或設(shè)備安全造成影響，本文借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計了一款基于STM32 的實驗室環(huán)境控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對實驗室環(huán)境變量的高效傳輸和控制。

1 系統(tǒng)設(shè)計及原理

實驗室環(huán)境的遠(yuǎn)程檢測和控制系統(tǒng)主要包含微處理器、顯示模塊、傳感器、網(wǎng)絡(luò)模塊、電源模塊等部分，系統(tǒng)工作原理為傳感器負(fù)責(zé)采集環(huán)境變量信息，微處理器負(fù)責(zé)對環(huán)境變量數(shù)據(jù)進行解析、處理和控制，液晶顯示模塊將數(shù)據(jù)進行本機顯示，網(wǎng)絡(luò)模塊將環(huán)境數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)傳送到服務(wù)器并最終呈現(xiàn)在客戶端上位機軟件，通過對閾值的設(shè)置和比較，從而實現(xiàn)對環(huán)境數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸和控制，系統(tǒng)整體設(shè)計框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框架

2 系統(tǒng)子模塊設(shè)計

2.1 微處理器

為了實現(xiàn)更高性能和可靠性，微處理選用意法半導(dǎo)體設(shè)計開發(fā)的STM32F103C8T6，相比傳統(tǒng)的8051 系列單片機，其內(nèi)核采用ARM 32-bit Cortex ?-M3 CPU，數(shù)據(jù)處理位數(shù)高達(dá)32 bit，具有高達(dá)72 MHz 的主頻率，支持64 KB的內(nèi)部存儲、6×20 K 的RAM 容量、32 個IO 口，接口豐富支持USB 全速接口、CAN、2 個SPI、2 個I2C 和3 個USART 等，工作環(huán)境溫度范圍-40 ℃～85 ℃，工作電壓支持2.0 ～3.6 V 低電壓供電，可運行操作系統(tǒng)，基于以上功能特點，使得STM32 微處理器可適用于各種不同和復(fù)雜應(yīng)用場合，整個系統(tǒng)中STM32 除負(fù)責(zé)對環(huán)境傳感器數(shù)據(jù)的解析和處理，還集成了空調(diào)遙控指令集對空調(diào)系統(tǒng)發(fā)送加熱、制冷、除濕、加濕等指令進行控制，使實驗室環(huán)境控制系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)進行聯(lián)動控制，STM32F103C8T6 工作時只需要給芯片提供電源、復(fù)位電路和外部時鐘電路即可，在IO 分配由PB0、PB1、PB3、PB4、PB5、PB6、PB7、PB8、PB9、PB10、PB11 控制12864 的使能腳和數(shù)據(jù)腳，PA9、PA10 控制ESP8266EX 的UTXD 和URXD 引腳，PA1、PA2、PA3、PA4 控制PM2.5 傳感器，PA0 與DHT22 數(shù)據(jù)引腳相連接，微處理器的控制電路如圖2所示。

圖2 微處理器控制電路

整個系統(tǒng)的工作流程為系統(tǒng)上電、微處理器程序加載和參數(shù)配置、傳感器初始化配置，系統(tǒng)初始化完成后，微處理器開始接收傳感器上傳的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)，之后對數(shù)據(jù)進行解析并將結(jié)果顯示在12864 液晶顯示器上供現(xiàn)場人員查看，通過客戶端軟件設(shè)定濕度、濕度和PM2.5 的標(biāo)準(zhǔn)閾值，當(dāng)傳感器實際采集的環(huán)境參數(shù)變量大于閾值后，將觸發(fā)空調(diào)系統(tǒng)執(zhí)行對應(yīng)動作如加濕、除濕、加溫、降溫等，以此循環(huán)維持環(huán)境參數(shù)在設(shè)定的范圍內(nèi)，系統(tǒng)控制流程和算法如圖3所示。

圖3 控制流程和算法

2.2 溫濕度傳感器

為了提高對環(huán)境變量的測量范圍，溫濕度傳感器模塊采取高精度、數(shù)字式的DHT22，其由濕度檢測電容、NTC熱敏電阻和一個8 位單片機構(gòu)成，可測量的溫度范圍為-40℃～80 ℃，采集溫度的誤差小于±0.5 ℃，濕度采集范圍為0%～99.9%RH，濕度誤差可達(dá)到±2 %RH，最小采樣周期可以達(dá)到2 秒，響應(yīng)時間最快可在5 秒以內(nèi)，DHT22的高性能可以適應(yīng)于絕大部分環(huán)境的測量需求，其封裝上只有4 個引腳，將Data 腳與微處理器連接，DHT22 每次數(shù)據(jù)輸出為40 bit，其40 bit 數(shù)據(jù)包含16 bit 濕度數(shù)據(jù)、16 bit 溫度數(shù)據(jù)以及8 bit 校驗和；其初始化是通過微處理器作為主機拉低總線500 μs 后釋放總線，延時20 ～40 μs 后主機開始檢測從機（DHT22）的響應(yīng)信號，從機的響應(yīng)信號是一個80 μs 左右的低電平，隨后從機在拉高總線80 μs 左右進入數(shù)據(jù)傳送階段，為確保傳感器數(shù)據(jù)的正確性采樣周期應(yīng)不小于2 秒，傳感器上電1 秒后開始讀數(shù)據(jù)；DHT22在輸出數(shù)據(jù)邏輯表達(dá)上70 μs 高電平代表數(shù)據(jù)“1”，使用26 ～28 μs 的高電平表示數(shù)據(jù)“0”，每次數(shù)據(jù)傳送輸出40 bit 的二進制數(shù)據(jù)，通過微處理器將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為10 進制，即可實現(xiàn)溫濕度數(shù)據(jù)的輸出和顯示，無需復(fù)雜編程極大的簡化了開發(fā)過程和周期。

2.3 PM2.5 傳感器

PM2.5 是指大氣中直徑小于或等于2.5 微米的顆粒物，也稱為可入肺顆粒物，空氣中PM2.5 的含量越高對人體的傷害會越大，實驗室的電子設(shè)備由于存在大量的靜電可對空氣中的粉塵進行吸附，尤其是更小顆粒的粉塵，為了精確的檢測空氣中的顆粒物含量，我們選用北京攀藤科技有限公司的PMS5003S-[180]型傳感器，其支持0.3 ～10 μm 顆粒物的檢測，可有效檢測0 ～500 微克/立方米的顆粒物濃度，可在-20 ℃～+50 ℃溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定工作，通信上支持UART標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議，使用時可直接通過RXD、TXD 與微處理器相連接獲取數(shù)據(jù)，顆料物的檢測是根據(jù)激光散射原理，對空氣中懸浮的顆粒物濃度進行檢測，同時在特定角度收集散射光，通過米氏散射理論和算法計算出空氣中的顆粒物濃度和直徑，將顆粒物濃度輸出為電信號通過微處理器最終輸出數(shù)字信號，傳感器輸出的數(shù)據(jù)再通過微處理器進行解析，最終輸出PM2.5 的具體數(shù)值，其工作原理和控制電路如圖4所示。

圖4 PMS5003S 傳感器工作原理

2.4 網(wǎng)絡(luò)模塊

為了實現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)在互聯(lián)網(wǎng)上進行傳輸，網(wǎng)絡(luò)模塊我們選擇由上海樂鑫科技設(shè)計開發(fā)的ESP8266EX 模塊，其為Xtensa? 32-bit LX6 單核處理器，信號發(fā)發(fā)射頻率為免申請頻段2.4 GHz，內(nèi)置TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，支持 802.11 b/g/n/e/i，時鐘頻率高達(dá)160 MHz，+19.5 dBm 天線端輸出功率，能確保良好的覆蓋范圍，在深度睡眠模式下工作電流小于20 μA，并且可以在2 ms 以內(nèi)被喚醒，因此適用于電池供電的可穿戴電子設(shè)備，外設(shè)接口包括UART、GPIO、I2S、I2C、SDIO、PWM、ADC 和SPI 等，工作模式支持AP 模式、STA 模式和AP+STA 模式，其內(nèi)部已集成TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧和Socket AT 指令直接調(diào)用即可，ESP8266EX 已有集成模塊，封裝接口為8pin 雙列排針，在硬件連接和使用時可直接焊接在PCB 主板上，對模塊進行3.3 V 供電、將UTXD和URXD 與微處理器連接，即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳送，使用AT 指令對模塊進行參數(shù)配置，關(guān)鍵指令為：

2.5 液晶顯示器

為了更加全面的顯示環(huán)境變量信息，液晶顯示器的選型上使用經(jīng)典的12864 型液晶模塊，其形態(tài)為封裝好的液晶模塊，IO 口已封裝為外接單列排針且內(nèi)置漢字庫，支持顯示圖形、字母及漢字，在使用時直接焊接在控制主板上，無需其他額外工作，12864液晶模塊屬于點陣型圖形顯示器，工作電壓范圍為3.3 V～+5 V，支持內(nèi)置字庫可直接調(diào)用，最大可以顯示32個漢字、64 個字母，對于本系統(tǒng)研究的溫度、濕度、PM2.5 環(huán)境變量信息及日期信息可以足夠顯示，其為LED 背光驅(qū)動顯示，在程序配置上和LCD1602 液晶模塊相同，使能引腳為E、RS、R/W 按照規(guī)定時序即可完成初始化配置，其中DB0 ～DB7 為雙向數(shù)據(jù)引腳，可對數(shù)據(jù)進行讀寫操作，其初始化過程為寫命令、寫數(shù)據(jù)、設(shè)置顯示模式、開啟顯示屏、清屏操作、游標(biāo)或顯示移位控制，四行首地址分別為0X80、0X90、0X88、0X98，在實際控制時需要按顯示內(nèi)容對地址進行偏移，即可將數(shù)據(jù)顯示到對應(yīng)的坐標(biāo)上，12864 初始化主代碼為：

2.6 電源模塊

考慮到后期維護成本及避免廢舊電池造成的環(huán)境問題，采用電源模塊對整個系統(tǒng)進行供電，通過變壓繞圈將交流市電220 V 轉(zhuǎn)為DC12 V，再通過三端穩(wěn)壓器LM7805 將電壓穩(wěn)定在5 V，其最大可輸出2 A 電流，最大提供10 W 功率，可滿足系統(tǒng)的供電需求；由于網(wǎng)絡(luò)模塊ESP8266EX 和微處理器需要有3.3 V 供電，因此還需要通過AMS1117-3.3 穩(wěn)壓器進行降壓并穩(wěn)定輸出3.3 V，輸出端增加電容對輸出電壓進行濾波處理，輸出端增加發(fā)光二極管做為電源指示燈，電源模塊為整個系統(tǒng)進行供電，電壓轉(zhuǎn)換控制電路原理如圖5所示。

圖5 電源轉(zhuǎn)換電路

3 數(shù)據(jù)分析

為了驗證傳感器數(shù)據(jù)是否可以正確向微處理器上報數(shù)據(jù)，借助串口工具對ESP8266EX 模塊回傳的溫濕度及PM2.5 數(shù)據(jù)進行打印，經(jīng)過回傳數(shù)據(jù)可以看出，計算機回傳數(shù)據(jù)與液晶顯示數(shù)據(jù)一致，在使用熱風(fēng)槍對傳感器加熱測試時，輸出的溫度和濕度信息有相應(yīng)變化，說明傳感器模塊輸出和配置是正確的，計算機串口打印數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖6 傳感器回傳數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

本系統(tǒng)通過對STM32F103C8T6 微處理器、傳感器和網(wǎng)絡(luò)模塊的算法研究和參數(shù)調(diào)試，對于硬件和軟件應(yīng)用有了更深的理解，系統(tǒng)成功的實現(xiàn)溫濕度和PM2.5傳感器數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸，傳感器采集的數(shù)據(jù)與設(shè)置閾值進行對比確定出空調(diào)系統(tǒng)最優(yōu)的工作模式，從而實現(xiàn)對環(huán)境變量的精確和自動化控制，同時也節(jié)約了電能，提高了對生產(chǎn)和生活場所的環(huán)境變量控制效率和準(zhǔn)確性，對于改善和控制生產(chǎn)和生活環(huán)境有著指導(dǎo)性的意義，特別適用于對溫濕度及空氣質(zhì)量有嚴(yán)格要求的實驗室、機房等場所，整個系統(tǒng)具有功耗小、運行穩(wěn)定、數(shù)據(jù)量小、施工方便和可無限擴展等特點，有很強的現(xiàn)實指導(dǎo)意義。