基于STM32的內(nèi)河船舶艙內(nèi)環(huán)境在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張劍鋒，范雄方，楊 輝，胡海軍

（1.重慶交通大學(xué)航運(yùn)與船舶工程學(xué)院，重慶400000；2.重慶交通大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院，重慶400000）

引言

上世紀(jì)六十年代，計(jì)算機(jī)和自動(dòng)化技術(shù)迅速發(fā)展，日本、丹麥等發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)船舶監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究較為深入，率先設(shè)計(jì)出集中式機(jī)艙監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，七十年代初設(shè)計(jì)出集散式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，八十年代初推出現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［1］。在九十年代后期，總線(xiàn)式檢測(cè)系統(tǒng)不斷完善和成熟，被廣泛使用于船舶艙內(nèi)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控中。然而國(guó)內(nèi)船舶艙內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研發(fā)和應(yīng)用晚于國(guó)外，直到八十年代后期才研制出一些具有代表性的檢測(cè)系統(tǒng)［2］。

近年來(lái)，隨著船舶行業(yè)的蓬勃發(fā)展、電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用、嵌入式系統(tǒng)的更新?lián)Q代以及網(wǎng)絡(luò)速度的不斷提高［3］，人們對(duì)船艙環(huán)境的安全度和舒適度、對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)的快速性和實(shí)時(shí)性提出了新要求。目前大型客運(yùn)輪船、集裝箱船和遠(yuǎn)洋航行船等船舶都搭載有非常先進(jìn)的船舶環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［4］。

但對(duì)于在長(zhǎng)江、黃河流域和其他內(nèi)陸河流行駛的小、中型船舶來(lái)說(shuō)，由于存在航行的重要通航水域復(fù)雜、船只流量大、船艙使用頻率高和人員流動(dòng)快等因素，使得船舶艙內(nèi)環(huán)境復(fù)雜多變［5］，對(duì)船艙進(jìn)行系統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測(cè)極為重要。在對(duì)長(zhǎng)江和嘉陵江上的上百艘船舶進(jìn)行調(diào)查后發(fā)現(xiàn)：雖然大多數(shù)船上安裝有必要的滅火裝置，但船員出于對(duì)監(jiān)測(cè)設(shè)備安裝成本的考慮，很多船舶僅安裝有傳統(tǒng)的溫度計(jì)、濕度計(jì)等極為簡(jiǎn)單的檢測(cè)裝置，還有少數(shù)船舶安裝的監(jiān)測(cè)裝置不能正常使用，甚至有的船舶沒(méi)有安裝監(jiān)測(cè)裝置和報(bào)警裝置。

為了降低監(jiān)測(cè)裝置安裝成本、保障船艙設(shè)備設(shè)施正常運(yùn)行、加大船舶運(yùn)輸貨物監(jiān)測(cè)力度、提高船員與乘客舒適度和安全度，本文設(shè)計(jì)出基于STM32單片機(jī)的環(huán)境在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集裝置、數(shù)據(jù)處理裝置、網(wǎng)絡(luò)傳輸裝置和物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)組成。該系統(tǒng)能夠在監(jiān)測(cè)面板、手機(jī)和電腦屏幕上實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)艙內(nèi)溫度、濕度和煙霧濃度等參數(shù)，當(dāng)某項(xiàng)參數(shù)超過(guò)設(shè)計(jì)閾值時(shí)，能夠及時(shí)報(bào)警。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行試運(yùn)行和調(diào)試后，能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期監(jiān)測(cè)功能，達(dá)到較為滿(mǎn)意的效果。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

1.1.1 MQ-2氣體傳感器

在內(nèi)河船舶船艙中，一般儲(chǔ)存有酒精、甲烷和液化氣等易燃易爆的燃料，這些燃料在艙內(nèi)復(fù)雜多變的環(huán)境下極易發(fā)生火災(zāi)，危及船上人員安全，因此需要對(duì)艙內(nèi)空氣中可燃?xì)怏w的濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，提前削弱可能發(fā)生火災(zāi)的因素。MQ-2傳感器采用以氧化錫（SnO2）為主的氣敏材料，該材料在空氣中的電導(dǎo)率極低，但隨著可燃性氣體濃度的增加，電導(dǎo)率會(huì)變高［6］。氧化錫對(duì)于可燃?xì)怏w濃度的靈敏度是非線(xiàn)性的，因此電導(dǎo)率的變化也是非線(xiàn)性的，且該非線(xiàn)性趨勢(shì)隨著氣體濃度的增加而上升?？諝庵屑淄椋–H4）含量達(dá)到5%以上或氫氣（H2）在空氣中的體積濃度達(dá)到4%以上就易引發(fā)火災(zāi)，因此可以在非線(xiàn)性特性曲線(xiàn)的前半段選擇一個(gè)區(qū)間作為警戒區(qū)，以提高檢測(cè)靈敏度。

運(yùn)用氧化錫的這些特點(diǎn)，將其對(duì)氣體濃度的敏感度轉(zhuǎn)化為電壓大小的變化，從而獲取艙內(nèi)可燃性氣體濃度的大?。?］。表1為MQ-2氣體傳感器對(duì)幾種物質(zhì)的濃度探測(cè)范圍，其中ppm為體積濃度，表示每立方米的大氣中含有污染物的體積，如1 ppm為1 cm3/m3?？筛鶕?jù)此范圍編制對(duì)應(yīng)程序，設(shè)計(jì)相關(guān)監(jiān)測(cè)閾值。

表1 MQ-2探測(cè)范圍

MQ-2傳感器共有4個(gè)引腳，分別是電源（5V）、數(shù)字輸出、模擬輸出和接地端。為了達(dá)到比較好的轉(zhuǎn)化效果，降低檢測(cè)誤差。使用此傳感器的模擬輸出端口監(jiān)測(cè)空氣中甲烷的濃度，將模擬端口接入單片機(jī)的PA7口。

1.1.2 MQ-135空氣質(zhì)量傳感器

引發(fā)火災(zāi)的原因很多，可燃?xì)怏w濃度過(guò)高只是誘發(fā)火災(zāi)的一個(gè)因素，不能監(jiān)測(cè)到人為因素（船上吸煙隨意丟棄的煙頭）、電氣設(shè)備短路等引發(fā)的火災(zāi)。當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，空氣中的硫化物和煙霧等有害物質(zhì)含量劇增，可以使用MQ-135傳感器檢測(cè)空氣中此類(lèi)有害氣體的濃度［8］。艙內(nèi)火災(zāi)一旦發(fā)生，由于大多數(shù)船艙處于封閉和半封閉狀態(tài)，該傳感器能夠快速監(jiān)測(cè)到有害氣體濃度的變化，并將該變化立即傳送給STM32單片機(jī)進(jìn)行處理。圖1為該傳感器的靈敏度特性，橫坐標(biāo)為氣體濃度，變化范圍在10 ppm～1000 ppm；縱坐標(biāo)為該傳感器的Rs/Ro（電阻比），其中Rs表示傳感器在不同濃度氣體中的電阻值，Ro表示傳感器在100 ppm氨氣（NH3）中的電阻值。

此傳感器價(jià)格便宜，測(cè)量準(zhǔn)確、反應(yīng)速度快、使用壽命長(zhǎng)并且穩(wěn)定可靠。該傳感器引腳和MQ-2傳感器相似，本次設(shè)計(jì)使用單片機(jī)的PA6口接入此傳感器的模擬量輸出口。

圖1 MQ-135靈敏度特性

1.1.3 DHT-11溫濕度傳感器

河面濕度大，船上的貨物（蔬菜瓜果、干貨等）極易受潮，需要將艙內(nèi)的溫度和濕度保持在合理的范圍。為了保障船上人員舒適，延長(zhǎng)貨物保存時(shí)間，需對(duì)船舶艙內(nèi)環(huán)境的溫濕度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。本次設(shè)計(jì)使用DHT-11溫濕度傳感器同時(shí)采集船舶艙內(nèi)環(huán)境中的溫度和濕度，其內(nèi)部由電阻式感濕器件、NTC測(cè)溫器件和一塊小型單片機(jī)組成，性能參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 DHT-11傳感器性能參數(shù)

該傳感器性?xún)r(jià)比高，抗干擾能力強(qiáng)，使用數(shù)字信號(hào)進(jìn)行輸出。該傳感器有4個(gè)引腳，由電源（5 V）端、串行數(shù)據(jù)、空引腳和接地端組成［6］。使用單片機(jī)PB14端口連接傳感器的串行數(shù)據(jù)，對(duì)串行數(shù)據(jù)進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)和分析。

1.2 數(shù)據(jù)處理裝置

數(shù)據(jù)處理裝置是系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)算分析、數(shù)據(jù)通信必不可少的核心部件，也是價(jià)格最高的裝置。對(duì)目前的芯片市場(chǎng)進(jìn)行調(diào)查后，充分考慮到使用成本和實(shí)用性的要求，本次設(shè)計(jì)使用ARM處理器（Advanced RISCMachines）的STM32F103C8T6型號(hào)的芯片［9］。

這款芯片性能高、價(jià)格和功耗低，而且能夠滿(mǎn)足本次設(shè)計(jì)的要求，采用圖2所示的基于STM32單片機(jī)為核心的集成板進(jìn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。

圖2 STM32最小核心系統(tǒng)

圖3 所示為該系統(tǒng)核心的電路圖，該電路圖主要集成有STM32F103C8T6主控制器、Micro USB接口、BOOT（分為0和1兩個(gè)管腳，作用是讓芯片復(fù)位后從不同區(qū)域開(kāi)始執(zhí)行程序）選擇、RTC（Real Time Clock）晶振、電源指示燈、主晶振、復(fù)位鍵、SWD（Serial Wire Debug）調(diào)試接口和PC13指示燈。

圖3 系統(tǒng)核心電路圖

此芯片為32位的處理器，最高能達(dá)到72 MHz的主頻。除了具備一般單片機(jī)（如Intel 80C51、STC 90C516等）的相關(guān)配置以外，還具有51個(gè)I/O接口、8個(gè)定時(shí)器，通信接口豐富。工作環(huán)境能在-40℃～105℃下穩(wěn)定運(yùn)行。使用ST-Link（意法半導(dǎo)體公司開(kāi)發(fā)的基于STM32單片機(jī)的測(cè)試工具）調(diào)試器對(duì)STM32單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和測(cè)試，現(xiàn)在已經(jīng)更新到了第三代，本次設(shè)計(jì)使用的是運(yùn)用成熟的ST-Link/V2對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真和調(diào)試［10］。在使用的過(guò)程中非常方便穩(wěn)定，單片機(jī)系統(tǒng)組成框圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)組成框圖

1.3 網(wǎng)絡(luò)傳輸裝置

與遠(yuǎn)洋航行船舶不同的是，在內(nèi)陸河流行駛的船舶一般在4G/3G/2G的覆蓋范圍之內(nèi)，甚至在某些地段的河流（如重慶朝天門(mén)碼頭、武漢長(zhǎng)江航運(yùn)中心等）能夠使用5G通信［11］。另外，為了方便乘客和船員對(duì)網(wǎng)絡(luò)的需求，內(nèi)河船舶大多在船上安裝有WIFI裝置，這方便了網(wǎng)絡(luò)傳輸裝置與物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的直接連接，本次設(shè)計(jì)采用這種無(wú)線(xiàn)模式實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境檢測(cè)裝置的遠(yuǎn)程管理。目前市場(chǎng)上WIFI設(shè)備非常多，價(jià)格不一，如CC3200、MT7681等，綜合考慮成本與性能因素，最終選用ATK-ESP8266作為系統(tǒng)的WIFI網(wǎng)絡(luò)傳輸裝置。該裝置價(jià)格低廉、性能高、開(kāi)發(fā)環(huán)境便利、兼容3 V與5 V的單片機(jī)，與主控芯片連接極為方便。此模塊主要是通過(guò)串口與STM32進(jìn)行通訊，模塊內(nèi)部集成了TCP/IP協(xié)議（Transmission Control Protocol/Internet Protocol），能夠完成WIFI模塊和STM32串口通訊之間的信號(hào)轉(zhuǎn)換［12］。支持WIFI STA（WIFI Station）、串口轉(zhuǎn)AP（Access Point）和WIFI STA＋WIFI AP三種模式。由于主控芯片的電源在設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)留了多個(gè)3.3 V電源接口，所以可以用主控器多余的電源接口為ATK-ESP8266提供電源，中間要加入以線(xiàn)性穩(wěn)壓器RT9193-33為核心的穩(wěn)壓模塊，在使用時(shí)只需把VCC（電源），GND（接地），TXD（Transmit External Data），RXD（Receive External Data）與主控器的電源、GND、PB11和PB10連接起來(lái)。

1.4 其他擴(kuò)展裝置

總共設(shè)計(jì)了四個(gè)按鍵，其中KEY1鍵為普通按鍵，又是WIFI初始化鍵、喚醒鍵，為高電平觸發(fā)，連接到PA0口；KEY2鍵是作為普通的按鍵使用，連接在PB5上，為低電平觸發(fā)。KEY3鍵為確認(rèn)或者翻頁(yè)按鍵，低電平有效。KEY4鍵是功能選項(xiàng)鍵，也是WIFI配置鍵。

使用以SSD1306芯片為核心的0.96寸顯示屏，SCK（時(shí)鐘信號(hào)）和SDA（數(shù)據(jù)信號(hào)）分別連接單片機(jī)的PB12和PB13口。

報(bào)警器使用的是S8550三極管來(lái)驅(qū)動(dòng)的蜂鳴器，工作電壓在3.3 V～5 V，報(bào)警聲能達(dá)到70 dB～80 dB。當(dāng)溫濕度等值超過(guò)預(yù)設(shè)值，STM32會(huì)向PA3輸入低電平信號(hào)，即該模塊的I/O口呈低電平，蜂鳴器就會(huì)長(zhǎng)鳴報(bào)警。

系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)思路如圖5所示：主控制器STM32F103C8采集溫濕度和煙霧濃度等數(shù)據(jù)，然后與設(shè)計(jì)閾值對(duì)比判斷，將結(jié)果在LCD液晶顯示器上顯示出來(lái)，并通過(guò)WIFI上傳至物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。一旦CPU檢測(cè)到低于設(shè)定值的參數(shù)，蜂鳴器就會(huì)發(fā)出報(bào)警。用戶(hù)可通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)官網(wǎng)下載手機(jī)端物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，監(jiān)測(cè)各傳感器數(shù)值。

圖5 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程

整個(gè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)流程如圖6所示，首先對(duì)系統(tǒng)各個(gè)硬件資源分配和初始化（如頻率、定時(shí)器、系統(tǒng)引腳和模擬轉(zhuǎn)換等）；然后把得到的溫濕度值、易燃?xì)怏w和有害氣體濃度值經(jīng)對(duì)應(yīng)引腳上傳單片機(jī)，單片機(jī)將各種傳感器檢測(cè)的數(shù)值作為判斷的條件進(jìn)行判斷，超出設(shè)計(jì)值就改變蜂鳴器引腳狀態(tài)，否則返回繼續(xù)監(jiān)測(cè)；將不斷檢測(cè)的數(shù)據(jù)（包括異常值）通過(guò)UART（異步串行全雙工）通信串口與WIFI模塊通信。WIFI模塊先與艙內(nèi)的WIFI網(wǎng)絡(luò)連接，再與物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)進(jìn)行連接，并在終端上實(shí)時(shí)顯示艙內(nèi)環(huán)境狀況和異常狀態(tài)。

2.2 外設(shè)軟件設(shè)置

由于MQ-7和MQ-135的引腳輸出信號(hào)為模擬量信號(hào)，所以軟件部分要用到STM32的ADC功能（模數(shù)轉(zhuǎn)換

圖6 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖

功能）［10］。STM32F103C8T6單片機(jī)內(nèi)有3個(gè)ADC功能，本次設(shè)計(jì)采用ADC1進(jìn)行資源的配置和處理。為了對(duì)傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣、量化和編碼，首先要對(duì)ADC進(jìn)行系統(tǒng)初始化，ADC使能和校準(zhǔn)等操作。ADC的參數(shù)設(shè)置主要有：ADC的工作模式、通道模式、轉(zhuǎn)換模式、數(shù)據(jù)對(duì)齊方式和通道數(shù)目等。在編寫(xiě)ADC設(shè)置時(shí)，進(jìn)行連續(xù)轉(zhuǎn)換模式設(shè)置，數(shù)據(jù)左對(duì)齊，軟件觸發(fā)，獨(dú)立模式，1個(gè)通道數(shù)，掃描模式設(shè)置，使能指定ADC外設(shè)，使能復(fù)位校準(zhǔn)，等待復(fù)位校準(zhǔn)結(jié)束，開(kāi)啟A/D校準(zhǔn)，等待A/D校準(zhǔn)結(jié)束，最后進(jìn)行通道采樣值、通道地址獲取等設(shè)置。在軟件編寫(xiě)過(guò)程中，為了方便開(kāi)發(fā)和理清邏輯關(guān)系，大量使用庫(kù)函數(shù)對(duì)程序進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

DHT-11的DATA接口和單片機(jī)進(jìn)行串行通訊，為單總線(xiàn)數(shù)據(jù)格式，通訊一次時(shí)間大約4 ms。傳輸一次的數(shù)據(jù)為40 bit，從高位到低位依次為：濕度整數(shù)8位、濕度小數(shù)8位、溫度整數(shù)8位、溫度小數(shù)8位和校驗(yàn)碼8位。根據(jù)DHT-11數(shù)據(jù)手冊(cè)中的時(shí)序圖可知，通信流程為：主機(jī)發(fā)送開(kāi)始數(shù)據(jù)，在收到答復(fù)后主機(jī)拉高信號(hào)線(xiàn)，再一次性接收40位的數(shù)據(jù)［13］。在程序設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)此傳感器發(fā)送數(shù)據(jù)的形式，需要按傳感器等待信號(hào)處理的時(shí)間進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。

顯示屏采用IIC通信（Inter-Integrated Circuit BUS），這種通信必須在發(fā)送或者接收數(shù)據(jù)前，識(shí)別到IIC總線(xiàn)上的從地址。設(shè)備必須回復(fù)從地址，以一個(gè)字節(jié)的大小通過(guò)從地址位（SA0位）并且配置讀寫(xiě)選擇位（R/W位）。IIC總線(xiàn)上的信息傳送是根據(jù)SCL系統(tǒng)（System Clock Line）的時(shí)鐘信號(hào)，在單獨(dú)的一個(gè)SCL時(shí)鐘周期內(nèi)發(fā)送一次數(shù)據(jù)位［14］。具體設(shè)置根據(jù)SSD1306顯示屏的使用手冊(cè)，配合編碼器對(duì)本次設(shè)計(jì)使用到的漢字進(jìn)行編碼錄入。

報(bào)警器采用有源蜂鳴器模塊，內(nèi)部帶有震蕩源，在軟件設(shè)計(jì)時(shí)采用PWM（脈寬調(diào)制）控制技術(shù)，通過(guò)使用2 kHz～5 kHz的方波，讓報(bào)警器發(fā)出4種不同節(jié)奏的聲音，通過(guò)聲音的快慢和尖銳度表示超過(guò)設(shè)計(jì)閥值的大小。

2.3 物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)

設(shè)備連接網(wǎng)絡(luò)需要使用ATK-ESP8266模塊建立通訊，在配置通訊功能時(shí)，難度較大。而使用機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)時(shí)，GA gent固件自動(dòng)兼容ATK-ESP8266模塊，GA gent是一款能夠提供手機(jī)和云端到設(shè)備的應(yīng)用程序，進(jìn)行簡(jiǎn)單的操作就能實(shí)現(xiàn)入網(wǎng)配置、發(fā)現(xiàn)WIFI、綁定設(shè)備等功能［15］。GA gent在實(shí)際使用過(guò)程中，只需要專(zhuān)注于對(duì)設(shè)備的運(yùn)行邏輯進(jìn)行開(kāi)發(fā)，功能十分強(qiáng)大，在云平臺(tái)下載固件，提取其中的通訊代碼，將代碼進(jìn)行配置后運(yùn)用對(duì)應(yīng)的燒錄工具移植到模塊中，即可完成配置入網(wǎng)。

系統(tǒng)設(shè)備可通過(guò)Air Link和Soft AP兩種接入模式進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，第一種模式主要是接收特定編碼，在手機(jī)連接WIFI以后，通過(guò)手機(jī)APP與編碼進(jìn)行校正，自動(dòng)完成設(shè)備與手機(jī)連接；第二種模式相當(dāng)于熱點(diǎn)，手機(jī)可以直接與設(shè)備連接。以上兩種模式可以通過(guò)調(diào)用giz wits Set Mode（）配置接口函數(shù)實(shí)現(xiàn)，此函數(shù)還能配置WIFI設(shè)備復(fù)位。

還需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行下行處理（處理云平臺(tái)或者手機(jī)APP發(fā)送過(guò)來(lái)的控制命令）和上行處理（主要是上報(bào)設(shè)備狀態(tài)），相關(guān)函數(shù)的調(diào)用和使用方法見(jiàn)表3和表4。

表3 下行調(diào)用函數(shù)說(shuō)明

表4 上行調(diào)用函數(shù)說(shuō)明

在下行處理階段，需處理控制事件的相關(guān)代碼，在giz wits Event Process（）函數(shù)中。除了用戶(hù)的事件，還有關(guān)于WIFI模塊連接狀態(tài)的事件、NTP（Network Time Protocol）網(wǎng)絡(luò)時(shí)間獲取事件。

在user Handle（）函數(shù)庫(kù)中，有上報(bào)用戶(hù)設(shè)備狀態(tài)的相關(guān)代碼，使用該函數(shù)可以完成用戶(hù)區(qū)上報(bào)型數(shù)據(jù)的處理。

在用戶(hù)創(chuàng)建數(shù)據(jù)點(diǎn)時(shí)，此函數(shù)可保存設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)值，并將獲取到的狀態(tài)值賦值到狀態(tài)結(jié)構(gòu)體中，供用戶(hù)區(qū)的設(shè)備進(jìn)行調(diào)用。賦值完的數(shù)據(jù)通過(guò)giz wits Handle（）上報(bào)到云端，不需要關(guān)注變化上報(bào)和定時(shí)上報(bào)。

在對(duì)相關(guān)函數(shù)進(jìn)行調(diào)用和配置后，在云平臺(tái)的開(kāi)發(fā)者中心選擇MCU（Microcontroller Unit）開(kāi)發(fā)，輸入產(chǎn)品密匙，即可下載生成的代碼，將代碼移植到Keil uVsion5 MDK（一款使用C語(yǔ)言對(duì)單片機(jī)進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)）中，即可完成代碼的相關(guān)配置。

表5 數(shù)據(jù)點(diǎn)設(shè)置

使用物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)建立好數(shù)據(jù)點(diǎn)后，啟動(dòng)虛擬設(shè)備，如圖7所示，對(duì)云平臺(tái)上虛擬設(shè)備的通信進(jìn)行在線(xiàn)調(diào)試和修改。在軟件設(shè)計(jì)時(shí)，使物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)每200 ms與檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交流。在不斷更新數(shù)據(jù)值的同時(shí)判斷是否存在環(huán)境異常量，若存在異常量，則會(huì)使手機(jī)振動(dòng)0.2 s，提醒使用者檢查船艙內(nèi)是否存在異常。

對(duì)終端界面進(jìn)行調(diào)試見(jiàn)表5，需要對(duì)本次設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，包括數(shù)據(jù)類(lèi)型，數(shù)據(jù)的范圍及對(duì)應(yīng)的分辨率。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 系統(tǒng)測(cè)試

將系統(tǒng)的軟件程序用UVsion5軟件編譯，使用STLink/V2仿真器將程序下載到STM32芯片中［16］。

圖7 機(jī)智云服務(wù)器數(shù)據(jù)點(diǎn)設(shè)置

設(shè)備上電后，觀(guān)察設(shè)備是否能正常工作，軟件的各項(xiàng)功能能否正常運(yùn)行，對(duì)設(shè)備不斷調(diào)試并分析誤差，圖8所示為船艙環(huán)境在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)物圖。

圖8 船艙環(huán)境在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

在手機(jī)下載智能云APP，打開(kāi)手機(jī)WIFI連接路由器，打開(kāi)手機(jī)APP，跳過(guò)登錄界面，在“我的設(shè)備中”點(diǎn)擊右上角的“＋”號(hào)，點(diǎn)擊一鍵配置，輸入WIFI密碼，選擇“樂(lè)鑫8266模組”。同時(shí)將檢測(cè)系統(tǒng)上電，長(zhǎng)按KEY4鍵進(jìn)入WIFI配置。手機(jī)點(diǎn)擊確定并同意，此時(shí)設(shè)備和手機(jī)會(huì)自動(dòng)連接，連接好以后輸入WIFI密碼，設(shè)備會(huì)自動(dòng)和智能云平臺(tái)連接，待手機(jī)進(jìn)入監(jiān)測(cè)界面，則表明手機(jī)和設(shè)備已經(jīng)通過(guò)云平臺(tái)連接。

圖9所示為手機(jī)APP上面的監(jiān)測(cè)面板，此面板第一欄是監(jiān)測(cè)異常的參數(shù)值數(shù)量，第二欄至第五欄為環(huán)境參數(shù)值，底端顯示的“FFFFFFFFF：true”表示設(shè)備報(bào)警，在正常環(huán)境下不會(huì)出現(xiàn)這個(gè)提示。

圖9 機(jī)智云APP監(jiān)測(cè)面板

對(duì)設(shè)備功能進(jìn)行測(cè)試：對(duì)按鍵1～4進(jìn)行測(cè)試，將設(shè)備模式改為“Mode 1”，按鍵1、2為增大/減小閾值，按鍵3翻頁(yè)，按鍵4功能選擇；將設(shè)備模式改為“Mode 0”進(jìn)入自動(dòng)模式，在系統(tǒng)初始閾值下，使用香煙的煙霧對(duì)空氣質(zhì)量傳感器進(jìn)行測(cè)試，使用酒精燈測(cè)試溫濕度傳感器，使用甲烷氣罐檢測(cè)氣體傳感器，觀(guān)察顯示屏對(duì)應(yīng)傳感器溫濕度和煙霧強(qiáng)度等數(shù)值的變化，低于預(yù)設(shè)值是否會(huì)使蜂鳴器發(fā)出報(bào)警。在做以上操的同時(shí)觀(guān)察手機(jī)APP監(jiān)測(cè)界面是否和顯示屏數(shù)值保持一致。

根據(jù)當(dāng)前實(shí)驗(yàn)測(cè)試環(huán)境，測(cè)試參數(shù)閥值已給出，其中可燃?xì)怏w濃度值設(shè)置為檢測(cè)中烷的探測(cè)濃度值。因此把溫度報(bào)警值設(shè)為45℃，濕度值設(shè)為80%RH，煙霧濃度值設(shè)置為600 ppm，可燃?xì)怏w濃度值設(shè)置為10 000 ppm。當(dāng)超過(guò)設(shè)計(jì)值時(shí)，觀(guān)察到報(bào)警器在0.5 s內(nèi)會(huì)發(fā)出報(bào)警，手機(jī)會(huì)在1 s內(nèi)振動(dòng)提醒；當(dāng)參數(shù)低于設(shè)計(jì)值時(shí)，報(bào)警器在1 s內(nèi)停止報(bào)警。在經(jīng)過(guò)上百次測(cè)試后，報(bào)警器的響應(yīng)時(shí)間為0.5 s，手機(jī)震動(dòng)報(bào)警提醒的時(shí)間為1.2 s。不超過(guò)設(shè)計(jì)值不報(bào)警，監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確度很高。

經(jīng)過(guò)以上測(cè)試，設(shè)備能夠滿(mǎn)足要求，穩(wěn)定運(yùn)行。

3.2 誤差分析

在設(shè)備的使用過(guò)程中，存在以下?tīng)顩r：各傳感器正常工作時(shí)，從外部環(huán)境發(fā)生改變到屏幕顯示數(shù)值的改變，期間存在0.4 s左右的延遲。這種現(xiàn)象主要是程序不夠精確，另外設(shè)備接收、轉(zhuǎn)換、處理數(shù)據(jù)均需要一定的時(shí)間；顯示屏的數(shù)值變化和手機(jī)監(jiān)測(cè)界面存在1 s左右的延遲，這種現(xiàn)象主要是由設(shè)備與物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)、物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)與手機(jī)終端存在的正常的網(wǎng)絡(luò)波動(dòng)造成的。

對(duì)本系統(tǒng)的溫度傳感器和空氣質(zhì)量傳感器的反應(yīng)時(shí)間進(jìn)行測(cè)試，在反復(fù)測(cè)試后發(fā)現(xiàn)：傳感器在啟動(dòng)以后需要經(jīng)過(guò)1 min的時(shí)間預(yù)熱，其測(cè)量誤差才會(huì)在規(guī)定的范圍之內(nèi)。溫度突然改變超過(guò)5℃，煙霧濃度突然改變超過(guò)100 ppm時(shí)，傳感器需要10 s的響應(yīng)時(shí)間才能到達(dá)準(zhǔn)確值。在溫度連續(xù)改變0.2℃，煙霧濃度連續(xù)改變10 ppm時(shí)，傳感器的響應(yīng)時(shí)間只需要5 s左右。在發(fā)生火災(zāi)時(shí)，傳感器的反應(yīng)時(shí)間不會(huì)超過(guò)15 s，能夠很快的進(jìn)行報(bào)警。

在對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)使用的過(guò)程中，設(shè)備延遲方面不會(huì)過(guò)大的影響設(shè)備功能的實(shí)現(xiàn)，隨著5G網(wǎng)絡(luò)的不斷推進(jìn)，網(wǎng)絡(luò)延遲時(shí)間將會(huì)得到顯著的減少。

使用簡(jiǎn)單高效的STM32芯片，配合適用于在船上運(yùn)行的傳感器外設(shè)，利用物聯(lián)網(wǎng)通信平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了用戶(hù)與物聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)與單片機(jī)、單片機(jī)與傳感器之間的交互。用戶(hù)使用手機(jī)/電腦通過(guò)WIFI或者5G/4G/3G/2G網(wǎng)絡(luò)通信手段，能非常方便的實(shí)時(shí)查看艙內(nèi)環(huán)境的狀況，在環(huán)境異常時(shí)，終端立刻報(bào)警，用戶(hù)迅速采取有效措施，能夠最大程度地減少財(cái)產(chǎn)損失，保障船上人員生命安全。

為了提高監(jiān)測(cè)的精確度，可以在船艙入口處、中部和出口處等多處安裝檢測(cè)系統(tǒng)。設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了船艙環(huán)境監(jiān)測(cè)的部分功能，只占用了單片機(jī)的一部分引腳和資源，基于此還可以開(kāi)發(fā)出一些擴(kuò)展功能（如船艙防盜門(mén)鎖、船艙智能燈等）。在通信方面還可以運(yùn)用局域網(wǎng)或ZigBee（一種新興的短距、低速、低耗的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)上協(xié)議）通訊等技術(shù)［17］。本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)成本低、效果好，滿(mǎn)足了船員對(duì)內(nèi)河船舶船艙環(huán)境監(jiān)測(cè)、報(bào)警的需求，保證了設(shè)計(jì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和兼容性，為內(nèi)河船舶的智能船舶發(fā)展開(kāi)闊了思路。