嵌入式环境监测及控制系统设计

信息科学
科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald
129
DOI：10.16660/ki.1674-098X.2017.27.129
嵌入式环境监测及控制系统设计
①
接柏皓 郭俊磊 付美丽 杨自恒(黑龙江大学研究生院 黑龙江哈尔滨 150080)
摘 要：现代人们生活在互联网时代,由物联网进入“互联网+”时代，人们对室内环境的详细参数也有了更高的要求。

室内家居环境是人们日常休息和家人放松的地方，因此对室内环境的监测不仅仅是个人健康的要求，也是对家人负责的态度。

但是现在室内装修和使用的各类家居都大量使用各类漆类和胶类物质，这些物质挥发后会产生很多有害物质。

本设计采用以STM32微控制器为中心，通过传感器采集环境各类信息加以处理，通过不同的决策命令来控制各类调节器调节室内环境。

关键词：嵌入式 环境监测 动态控制
中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：1674-098X(2017)09(c)-0129-02
①作者简介：接柏皓(1993—),男,汉族,安徽宿州人，在读研究生，研究方向：嵌入式。

1 系统设计
系统采用ST M32微控制器-ST M32f407zg t6。

该芯片采用最新的ARMcor tex-m4内核架构,工作频率可以达到168MHz，内置1M的Fl as h 和196的R A M可以满足多数的控制类应用。

基于STM32F407ZGT6微控制器的室内环境监测及控制系统的总体设计设计框图如图1所示。

该系统主要包含以下模块。

1.1 显示模块
用于显示室内环境参数和实时控制的状态，用于本地控制。

1.2 传感器采集模块
用于连接传感器,通过各种传感器采集环境参数并上传至控制器中。

本设计传感器模块包含温度、湿度、PM 2.5各个子模块。

微控制器模块：该设计系统的主要部分，完成对传感器上传的数据进行处理分析，生成相应的控制命令，同时完成各个模块之间的衔接沟通功能，是系统设计的核心。

控制器模块：用于将微控制器生成的命令进行实行的模块，该模块包含指示灯、蜂鸣器、各类通信接口，用于控制各个环境调节执行器。

图1 总体设计设计框图
图2 硬件设计整体框图图3 软件系统框图
图4 软件程序运行流程图
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存储模块：用于存储环境和各类系统中使用的相关参
数，同时用于系统初始化时读取用户设定的参数值。

2 硬件设计
该系统硬件设计的整体框图如图2所示。

图2中通过温度、湿度、PM 2.5传感器采集室内环境参数然后传输给微控制器，微控制器通过处理环境参数生成控制命令，通过控制口将命令输出进执行器，完成对室内环境的调节。

与此同时，还使用DGUS屏幕实时显示环境状态，使用网络接口将环境信息远程传输给PC端，并通过PC端控制微控制器的使用。

同时使用EEPROM存储相关数据，方便用户查阅信息。

本设计采用STM32F407ZGT6，该芯片共144个引脚，采用T QF P 封装。

其核心电路包含时钟电路、晶振电路、下载电路、滤波电路、电源电路。

系统主时钟使用的25MHz晶振，利用PLL倍频到168MHz作为CPU系统时钟。

系统默认使用外部时钟，当外部晶振电路不存在时使用内部时钟。

而内部低速时钟用来当作看门狗和RTC时钟的主时钟源。

R T C 电路：通常提供年月日详细系统时间。

其电路仅仅需要一个32.768k H z 的晶振和一些电阻设计采用PCF8563T芯片提供RTC服务。

看门狗电路：主要任务是在当系统因为不确定因素发生难以恢复的故障时，通过将系统芯片强制复位处理以此保护系统的其他部分，并且防止故障的蔓延。

通信电路:主要包含RS232、RS 485、网络电路。

设计中使用TLP2362电源转换芯片隔离电源噪声，使用ZT13085E 芯片作为458收发器。

使用DP83848作为网络PHY芯片。

存储电路：存储电路采用FM24CL64铁电存储器。

其有存储时间长、操作简单、读写次数多的优点。

3 软件设计
本系统的软件设计采用KEIL u Vision4集成开发环境。

软件系统主要包括系统初始化、环境参数采集、多传感器数据融合、控制命令生成、数据液晶显示以及实时时钟。

软件系统框图如图3所示。

软件系统是以UCO SI I I为操作系统完成多任务设计，uC/OS-III是第3代的实时操作系统内核，支持现代的实时内核所期待的大部分功能。

该系统常用A PI函数仅仅70多个，方便开发者进行编程。

软件程序运行流程图如图4所示。

软件对系统初始化，包括对系统时钟、GPIO口，中断的配置，对各数字传器寄存器进行初始化，I 2C总线、A DC、RTC实时时钟、USART等初始化。

通过监测存储器中相关数据的地址判断该系统是否是首次运行，如果是首次运行则进行正常运行程序；如果不是首次运行，则需要读取存储器中用户保存的设定数据，然后继续运行；这种设定方便一次设定保存之后不用每次开机都反复设定。

传感器初始化之后进行采集环境数据，采集周期是5ms每次，然后对数据处理生成控制命令。

处理后的数据可以传输到屏幕上也可以传输
到网络之上。

4 系统测试
该环境监测仪数据显示是通过S T M 32微处理器的 F S MC总线驱动D GU S 显示屏来实现的，液晶屏数据每50ms更新一次。

图5为哈尔滨黑龙江大学实验室2017年4月25日16时14分采集到的数据。

从DGUS屏上可以看到当时气温为26.0℃，湿度为25.5%RH，PM 2．5的值为9。

因此可以看出正常采集并显示各要素数据。

5 展望
(1)通过对系统的疲劳度测试，系统稳定运行160h无任何错误产生，可以准确监测室内环境。

该设备具有以下优点:
①系统稳定，设计简单。

②选用目前市场上同类器件中性价比较高的元器件，大幅降低了成本。

③系统功耗低。

(2)由于受研究时间和测试条件的限制，系统有以下两方面的问题亟待改进。

①丰富监测环境参数。

②设备小型化、微型化，同时可以支持安卓云服务。

参考文献
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图5 系统测试
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