摘要：文章基于Contiki操作系統(tǒng)和STM32F407處理器設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種信息機(jī)房溫濕度控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)采集和處理溫濕度數(shù)據(jù)，并自動(dòng)控制空調(diào)和加濕器，有效穩(wěn)定機(jī)房環(huán)境。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和有效性。

關(guān)鍵詞：溫濕度控制；Contiki；實(shí)時(shí)監(jiān)控；STM32F407；信息機(jī)房；嵌入式系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP308 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2025）05-0041-03 開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)） 標(biāo)識(shí)碼（OSID） ：

0 引言

對(duì)于現(xiàn)代信息機(jī)房、倉(cāng)庫(kù)、冷庫(kù)、醫(yī)療場(chǎng)所以及生產(chǎn)車間等環(huán)境，不僅需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫濕度，還需要具備自動(dòng)調(diào)控能力，以確保設(shè)備、人員和物品始終處于適宜的環(huán)境中[1-2]。然而，目前許多系統(tǒng)僅支持溫濕度監(jiān)測(cè)功能，缺乏自動(dòng)調(diào)控機(jī)制，無(wú)法在溫濕度偏離設(shè)定范圍時(shí)迅速采取調(diào)整措施，這導(dǎo)致環(huán)境條件無(wú)法及時(shí)修正，影響設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性和物品存儲(chǔ)質(zhì)量。為彌補(bǔ)這一不足，亟須設(shè)計(jì)一種具備溫濕度監(jiān)測(cè)和自動(dòng)控制能力的系統(tǒng)[3-4]。

Contiki操作系統(tǒng)作為開(kāi)源、多任務(wù)、低資源占用的嵌入式操作系統(tǒng)，專為聯(lián)網(wǎng)嵌入式設(shè)備和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)而設(shè)計(jì)，具有極高的硬件適配性和擴(kuò)展性，是構(gòu)建智能溫濕度監(jiān)控與調(diào)控系統(tǒng)的理想選擇。Con?tiki的優(yōu)勢(shì)在于其低資源占用和廣泛的硬件支持，能夠滿足資源受限的嵌入式應(yīng)用需求，尤其適用于基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)[5]。因此，本文基于STM32F407處理器平臺(tái)，利用Contiki操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種溫濕度控制系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)采集溫濕度數(shù)據(jù)，在參數(shù)超出設(shè)定范圍時(shí)發(fā)出告警，并通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)功能將溫濕度恢復(fù)至可接受范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了環(huán)境條件的智能化監(jiān)測(cè)與控制。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文所采用的硬件平臺(tái)集成了多功能嵌入式系統(tǒng)，其核心處理器為ARM Cortex-M4 架構(gòu)的STM32F407，主頻高達(dá)168 MHz，具備1 MB Flash存儲(chǔ)器和192 KB SRAM，能夠支持復(fù)雜任務(wù)的實(shí)時(shí)處理和多種外設(shè)的連接。平臺(tái)設(shè)計(jì)包含多種關(guān)鍵硬件模塊，以滿足系統(tǒng)運(yùn)行和功能擴(kuò)展的需求。

平臺(tái)配備了一塊2.8英寸真彩LCD液晶顯示屏，分辨率為240像素×320像素，支持16位真彩顯示，采用SPI接口與STM32F407處理器連接。顯示屏用于實(shí)時(shí)顯示溫濕度數(shù)據(jù)、系統(tǒng)狀態(tài)及告警信息，同時(shí)通過(guò)GPIO控制屏幕背光亮度，提升用戶交互體驗(yàn)。環(huán)境數(shù)據(jù)采集由板載HTU21D高精度溫濕度傳感器實(shí)現(xiàn)，該傳感器支持I2C通信，與處理器的I2C接口直接連接，可提供分辨率高達(dá)12/14位的濕度和溫度數(shù)據(jù)，測(cè)量精度分別為±2% RH和±0.3°C。此外，傳感器支持低功耗模式切換和電量檢測(cè)，確保在不同環(huán)境下的穩(wěn)定運(yùn)行。

平臺(tái)還集成了W25X64存儲(chǔ)器，用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和系統(tǒng)日志記錄。該存儲(chǔ)器為64 Mbit Flash類型，采用SPI接口與處理器通信，具有32 768個(gè)可編程頁(yè)（每頁(yè)256字節(jié)） 和多級(jí)擦寫功能，其低功耗特性和小體積設(shè)計(jì)非常適合嵌入式應(yīng)用場(chǎng)景。系統(tǒng)的狀態(tài)指示和告警通過(guò)RGB 三色高亮LED 指示燈和蜂鳴器實(shí)現(xiàn)。RGB LED采用PWM信號(hào)控制，可組合呈現(xiàn)多種顏色以表示不同的狀態(tài)信息；蜂鳴器則通過(guò)PWM輸出不同頻率的聲音，用于事件提醒。

硬件系統(tǒng)通過(guò)STM32F407處理器作為核心，如圖1所示，采用標(biāo)準(zhǔn)化的總線結(jié)構(gòu)和GPIO接口實(shí)現(xiàn)各組件的連接：HTU21D傳感器通過(guò)I2C總線連接，實(shí)現(xiàn)溫濕度數(shù)據(jù)采集；W25X64存儲(chǔ)器通過(guò)SPI接口與處理器通信，用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；2.8英寸LCD屏幕采用SPI接口連接，同時(shí)通過(guò)GPIO控制背光；RGB三色LED和蜂鳴器則分別通過(guò)PWM信號(hào)控制，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)狀態(tài)指示和告警功能；電源管理模塊通過(guò)I2C接口與處理器通信，提供電池狀態(tài)監(jiān)測(cè)和充放電管理。此外，平臺(tái)提供多種擴(kuò)展接口（如UART、RS485和ADC） 連接外部設(shè)備，支持工業(yè)應(yīng)用和多功能擴(kuò)展。

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在典型配置下，Contiki操作系統(tǒng)僅占用約2 KB 的RAM和40 KB的Flash存儲(chǔ)器，其資源需求非常低，適用于資源受限的嵌入式設(shè)備。作為一款開(kāi)源操作系統(tǒng)，Contiki基于BSD許可協(xié)議發(fā)布，允許用戶自由修改和分發(fā)，無(wú)須支付版權(quán)費(fèi)用，這為開(kāi)發(fā)溫濕度控制系統(tǒng)提供了良好的基礎(chǔ)。Contiki支持動(dòng)態(tài)加載程序，并通過(guò)輕量級(jí)線程模型共享任務(wù)棧以節(jié)省RAM。其可選功能包括任務(wù)搶占、事件通信機(jī)制和GUI子系統(tǒng)，提升了系統(tǒng)的靈活性和功能性。嵌入式系統(tǒng)通常通過(guò)死循環(huán)運(yùn)行，而Contiki內(nèi)核采用事件驅(qū)動(dòng)模式，將執(zhí)行權(quán)交給觸發(fā)事件的進(jìn)程以完成任務(wù)。本文設(shè)計(jì)的溫濕度測(cè)量系統(tǒng)中，測(cè)量應(yīng)用功能以進(jìn)程的形式實(shí)現(xiàn)，并將其設(shè)置為自啟動(dòng)進(jìn)程。在啟動(dòng)系統(tǒng)之后，第一步是初始化硬件（如串口與時(shí)鐘） ；第二步是啟動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)程與自啟動(dòng)進(jìn)程；第三步是通過(guò)死循環(huán)調(diào)用Temp_Hum_run（）函數(shù)。事件處理過(guò)程中，按照進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)執(zhí)行所有進(jìn)程。該流程的代碼如下所示，展示了Temp_Hum_run（）函數(shù)的調(diào)用過(guò)程[6]。

int main（）{

/*初始化操作，分別為時(shí)鐘與進(jìn)程*/

clock_init（）;

process_init（）;

/*啟動(dòng)進(jìn)程，分別為系統(tǒng)進(jìn)程與自啟動(dòng)進(jìn)程*/

process_start（amp;etimer_process， NULL）;

autostart_start（autostart_processes）;

/*死循環(huán)，調(diào)用Temp_Hum_run（）函數(shù)*/

while（1）{

Temp_Hum_run（）; //溫濕度控制系統(tǒng)

if（poll_requested）{

do_poll（）;

}

do_event（）;

}

return 0;

}

溫濕度控制系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。系統(tǒng)整體功能由多個(gè)模塊組成，每個(gè)模塊協(xié)同工作以實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境溫濕度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制。

1） 溫濕度采集模塊：負(fù)責(zé)采集環(huán)境中的溫度和濕度數(shù)據(jù)。該模塊通過(guò)傳感器獲取的原始數(shù)據(jù)可能受到外部噪聲影響，因此需要進(jìn)行信號(hào)處理。

2） 濾波去噪模塊：采用擴(kuò)展卡爾曼濾波算法，對(duì)采集到的溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，去除外部干擾，確保后續(xù)控制模塊使用的為精確的環(huán)境參數(shù)。

3） 控制模塊：根據(jù)溫濕度數(shù)據(jù)與設(shè)定的目標(biāo)值進(jìn)行對(duì)比，啟動(dòng)相應(yīng)的控制設(shè)備以維持環(huán)境的適宜性。

① 空調(diào)控制：當(dāng)溫度偏離設(shè)定范圍時(shí)，控制空調(diào)設(shè)備調(diào)節(jié)室溫。

② 加濕器控制：當(dāng)濕度低于設(shè)定值時(shí)，啟動(dòng)加濕器進(jìn)行濕度調(diào)節(jié)。

4） 存儲(chǔ)與管理模塊：支持對(duì)歷史溫濕度數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、讀取和刪除等操作。通過(guò)該模塊，用戶可以將當(dāng)前數(shù)據(jù)保存至W25X64存儲(chǔ)器，便于后續(xù)分析或記錄留存。

5） 溫濕度告警模塊：當(dāng)溫濕度數(shù)據(jù)超出設(shè)定的安全范圍時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出告警信號(hào)，以便及時(shí)采取措施。

3 實(shí)驗(yàn)

為全面驗(yàn)證機(jī)房溫濕度控制系統(tǒng)的功能與可用性，本實(shí)驗(yàn)在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件下進(jìn)行了多項(xiàng)測(cè)試，詳細(xì)記錄了初始設(shè)置、系統(tǒng)運(yùn)行表現(xiàn)以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析。

3.1 實(shí)驗(yàn)初始設(shè)置

實(shí)驗(yàn)在模擬機(jī)房環(huán)境中進(jìn)行，環(huán)境初始溫度設(shè)置為23°C，相對(duì)濕度為50%。實(shí)驗(yàn)空間內(nèi)模擬了多種情況，如溫度逐漸升高（至30°C） 和濕度增加（至75%） ，以測(cè)試系統(tǒng)在不同環(huán)境變化下的性能。硬件系統(tǒng)接入電源，處理器STM32F407初始化并加載程序，HTU21D 溫濕度傳感器開(kāi)始實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)。W25X64存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)溫濕度數(shù)據(jù)，系統(tǒng)通過(guò)2.8英寸LCD屏實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前環(huán)境參數(shù)，同時(shí)預(yù)留RGB指示燈和蜂鳴器用于告警信號(hào)的顯示與提示。

3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與交互功能

3.2.1 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與展示

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，系統(tǒng)以每秒1次的頻率采集溫濕度數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)顯示清晰、響應(yīng)迅速，能夠在環(huán)境溫濕度發(fā)生變化時(shí)實(shí)時(shí)更新屏幕參數(shù)（如圖3所示） 。當(dāng)溫濕度超出設(shè)定范圍（例如溫度＞28°C或濕度＞70%） ，系統(tǒng)觸發(fā)蜂鳴器警報(bào)，同時(shí)RGB指示燈變?yōu)榧t色閃爍狀態(tài)。

3.2.2 數(shù)據(jù)管理功能測(cè)試

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)保存功能：用戶按下“保存”按鈕后，當(dāng)前采集到的溫濕度數(shù)據(jù)被準(zhǔn)確存儲(chǔ)至W25X64存儲(chǔ)器。通過(guò)多次隨機(jī)驗(yàn)證，數(shù)據(jù)寫入時(shí)間小于200 ms，數(shù)據(jù)完整無(wú)誤。

歷史數(shù)據(jù)讀取功能：實(shí)驗(yàn)?zāi)M了3組數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與讀取操作。通過(guò)按下“讀取”按鈕，系統(tǒng)成功從存儲(chǔ)器中讀取對(duì)應(yīng)的歷史數(shù)據(jù)并在LCD屏上逐條顯示，讀取速度約為150 ms/條。

數(shù)據(jù)刪除功能：按下“刪除”按鈕后，存儲(chǔ)器內(nèi)的歷史數(shù)據(jù)被迅速清空，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，存儲(chǔ)空間完全釋放，無(wú)殘留數(shù)據(jù)。

3.3 數(shù)據(jù)分析與系統(tǒng)評(píng)價(jià)

在模擬的溫濕度變化過(guò)程中，系統(tǒng)能夠在極端環(huán)境（如溫度30°C、濕度75%） 下正常運(yùn)行，采集數(shù)據(jù)與實(shí)際參數(shù)誤差小于±0.2°C和±1% RH，符合設(shè)計(jì)精度要求。系統(tǒng)交互功能表現(xiàn)穩(wěn)定，用戶操作響應(yīng)時(shí)間低于300 ms，操作體驗(yàn)良好。

系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)與管理功能運(yùn)行可靠，證明其在實(shí)際應(yīng)用中能夠勝任機(jī)房環(huán)境溫濕度監(jiān)測(cè)與控制的任務(wù)。未來(lái)可優(yōu)化存儲(chǔ)容量并引入遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控功能，進(jìn)一步提升系統(tǒng)的適用性和智能化水平。

4 結(jié)論

本文基于Contiki嵌入式操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種智能溫濕度控制系統(tǒng)，針對(duì)傳統(tǒng)系統(tǒng)僅支持監(jiān)測(cè)功能的局限性，提出了具備實(shí)時(shí)調(diào)控能力的解決方案。系統(tǒng)運(yùn)行于STM32F407處理器平臺(tái)，能夠?qū)崟r(shí)采集并處理環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)，在超出設(shè)定范圍時(shí)發(fā)出告警并自動(dòng)調(diào)控空調(diào)和加濕器，實(shí)現(xiàn)了智能化的環(huán)境調(diào)控。此外，系統(tǒng)支持?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)、讀取和管理功能，為后續(xù)分析提供了可靠依據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)在多種場(chǎng)景中表現(xiàn)出較高的實(shí)時(shí)性和可靠性，有效保障了環(huán)境溫濕度的穩(wěn)定性，適用于信息機(jī)房、倉(cāng)庫(kù)及生產(chǎn)車間等場(chǎng)景，同時(shí)具備良好的擴(kuò)展能力，可根據(jù)需求集成更多傳感器和設(shè)備。

盡管系統(tǒng)在功能和性能上取得了顯著進(jìn)展，但在極端環(huán)境下的算法效率、資源占用優(yōu)化和長(zhǎng)期數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力方面仍有改進(jìn)空間。未來(lái)的研究將集中于優(yōu)化調(diào)控算法、實(shí)現(xiàn)多傳感器數(shù)據(jù)融合并引入機(jī)器學(xué)習(xí)模型，提升系統(tǒng)的精準(zhǔn)性和自主調(diào)控能力。同時(shí)，計(jì)劃開(kāi)發(fā)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能并與云平臺(tái)集成，進(jìn)一步擴(kuò)展系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景。通過(guò)這些改進(jìn)，本系統(tǒng)有望在工業(yè)控制、智能家居和智慧城市領(lǐng)域中發(fā)揮更大的作用。

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