一種多傳感器的無線環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)

西京學(xué)院控制工程學(xué)院　代嚴(yán)滿　陳　恒　竇洋洋　胡宗華

一種多傳感器的無線環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)

西京學(xué)院控制工程學(xué)院代嚴(yán)滿陳恒竇洋洋胡宗華

本環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)低層部分主要使用了STM32F103系列單片機(jī)作為開發(fā)基礎(chǔ)，利用模塊化設(shè)計(jì)的思想，加入了PM2.5、甲醛濃度、數(shù)字光照等多種高精度傳感器并配有一塊3.2寸的USART HMI觸摸屏來進(jìn)行下位機(jī)的數(shù)據(jù)顯示。另外，利用C#語言進(jìn)行了上位機(jī)的程序設(shè)計(jì)和開發(fā)，上下位機(jī)之間將通過WIFI無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。實(shí)驗(yàn)證明，本設(shè)計(jì)符合時(shí)代發(fā)展的需求，且經(jīng)濟(jì)實(shí)用操作簡便。

STM32F103；WIFI無線；C#語言；環(huán)境監(jiān)控

0　引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息通信技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)控制技術(shù)的迅猛發(fā)展以及智能傳感器的普遍應(yīng)用，人們的生活質(zhì)量得到了不斷的提高，現(xiàn)今人們更加注重個(gè)性、人性化和智能化的生活方式，因此對家庭居住環(huán)境的要求也不斷的在提高，由此帶動(dòng)了智能家居系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的不斷更新和快速發(fā)展，當(dāng)今智能家居已成為未來家居環(huán)境的發(fā)展潮流。本文正是在此潮流的影響下，設(shè)計(jì)并開發(fā)了一款經(jīng)濟(jì)實(shí)用的多傳感器自適應(yīng)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，旨在為人們帶來更健康、更安全的生活環(huán)境。

1　STM32單片機(jī)

根據(jù)系統(tǒng)的擴(kuò)展和擴(kuò)充性的要求，本系統(tǒng)低層控制芯片選型了ST公司LQFP-64封裝的STM32F103RCT6型高性能芯片，芯片工作電壓2.0V到3.6V，工作溫度-40度到85度間。該芯片內(nèi)部集成有32位Cortex-M3內(nèi)核，最大時(shí)鐘頻率達(dá)到72MHz，程序存儲(chǔ)器大小具有256kB，數(shù)據(jù)RAM大小為48kB，以及SPI、I2C等多種總線形式以供綜合開發(fā)使用。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)總體框圖

圖2　PCB原理圖

2　系統(tǒng)低層設(shè)計(jì)

（1）系統(tǒng)低層設(shè)計(jì)主要包括STM32F103單片機(jī)最小系統(tǒng)電路、各傳感器數(shù)據(jù)傳輸電路、USART HMI觸摸屏顯示傳輸電、外圍控制電路以及WIFI模塊數(shù)據(jù)傳輸電路，此外，我們根據(jù)實(shí)際使用的情況和器件的尺寸大小對PCB電路進(jìn)行了合理的布局和設(shè)計(jì)，達(dá)到了即美觀又實(shí)用的效果。PCB原理圖如圖2所示。

（2）WIFI無線模塊使用了原子公司的ATK-RM04模塊。該模塊是ALIENTEK推出的一款高性能UART-ETH-WIFI（串口-以太網(wǎng)-無線網(wǎng)）模塊，其中板載了Hi-Link公司的HLK-RM04模塊，并且該模塊已經(jīng)通過了FCC，CE認(rèn)證。ATK-RM04模塊采用串口（RS232/ LVTTL）與MCU（或其他串口設(shè)備）通信，內(nèi)置有TCP/IP協(xié)議棧，能夠?qū)崿F(xiàn)用戶的串口、以太網(wǎng)、無線網(wǎng)（WIFI）3個(gè)接口之間的轉(zhuǎn)換。如圖3所示模塊功能結(jié)構(gòu)圖。

圖3　模塊功能結(jié)構(gòu)圖

圖4　程序應(yīng)用界面

（3）低層程序設(shè)計(jì)主要包括對STM32單片機(jī)、各型號(hào)傳感器、液晶顯示屏和無線模塊的初始化設(shè)置，以及對所用串口（1、2、3、4）、定時(shí)器（T3、T4）、中斷優(yōu)先級、I/O口等的初始化配置和對數(shù)據(jù)的獲取、顯示和上傳處理。

主程序代碼如下：

void main（）

｛

SystemInit（）；//系統(tǒng)初始化

char DispTemp［50］；//定義顯示數(shù)組

NVIC_PriorityGroupConfig（）；//中斷優(yōu)先級設(shè)置

delay_init（）； //延時(shí)函數(shù)初始化

JTAG_Set（1）；//調(diào)試函數(shù)初始化

Uart1_UserInit（）；//串行口初始化

Uart2_UserInit（）；

Uart3_UserInit（）；

Usart4_Init（9600）；

HMISendstart（）；//HMI顯示器初始化

SensorInit（）； //傳感器初始化

while（1）

｛

Getdata（）； //獲取數(shù)據(jù)

if（ValueShow_Flag）//顯示數(shù)據(jù)

｛

HMISendComands（DispTemp）；

｝

if（（Uart_SendFlag）&&（ValueShow_Flag））//數(shù)據(jù)傳輸

｛

Uart_SendFlag = 0；

Uart_SendBuf［0］ = 0xff；

...

Uart_SendBuf［11］ = 0xaa；

｝｝｝

3　系統(tǒng)上位機(jī)設(shè)計(jì)

在上位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中主要使用了C#語言在Visual Studio 2010集成開發(fā)環(huán)境下進(jìn)行了開發(fā)和調(diào)試。該部分程序通過解析通信協(xié)議來成功獲取下位機(jī)監(jiān)測數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理和顯示，同時(shí)該開發(fā)環(huán)境同時(shí)還帶來了NET Framework 4.0、Microsoft Visual Studio 2010 CTP（ Community Technology Preview--CTP），并且支持開發(fā)面向Windows 7的應(yīng)用程序。如圖4所示為上位機(jī)程序應(yīng)用界面。

4　系統(tǒng)測試

為檢驗(yàn)本系統(tǒng)的實(shí)際性能，特在不同地點(diǎn)和環(huán)境下進(jìn)行了功能測試，如圖5下位機(jī)屏幕所示為某時(shí)刻的各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)，其中可以較清楚直觀的反應(yīng)出當(dāng)時(shí)的環(huán)境質(zhì)量狀況。此外，利用無線技術(shù)可以在另一處上位機(jī)界面上同樣觀察到同時(shí)刻的環(huán)境狀況，并且我

們運(yùn)用了大數(shù)據(jù)分析和數(shù)學(xué)模型計(jì)算，可以給出一定的環(huán)境安全系數(shù)，結(jié)合安全系數(shù)系統(tǒng)將給出提示報(bào)警，如圖6所示。

圖5　下位機(jī)界面顯示

圖6 上位機(jī)界面顯示

5　總結(jié)

本系統(tǒng)將嵌入式系統(tǒng)和無線技術(shù)做了合理的融合，搭配有多種高精度傳感器和一些控制外設(shè)，設(shè)計(jì)并開發(fā)了一款簡單實(shí)用的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)表明本系統(tǒng)具有一定的實(shí)用價(jià)值。

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［5］韓穎.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)得室內(nèi)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)［D］.沈陽工業(yè)大學(xué)碩士論文，2014，3.

［6］趙越.基于C#語言的新型智能機(jī)房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)［D］.吉林大學(xué)碩士論文，2014，5.

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代嚴(yán)滿（1992—），陜西渭南人，在讀研究生，主要研究方向：電路設(shè)計(jì)與控制。

陳恒（1965—），陜西西安人，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向：數(shù)據(jù)采集與智能控制。

竇洋洋（1991—），陜西西安人，在讀研究生，主要研究方向：電源設(shè)計(jì)與控制。

胡宗華（1992—），陜西商洛人，在讀研究生，主要研究方向：數(shù)據(jù)采集與控制。