奚志豪++許鵬

摘 要：本項目設計了一種以STM32F407處理器為核心的車間環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，由多個終端模塊和一個匯總模塊組成。多個終端模塊安裝于車間各個位置，主要采集車間溫濕度、粉塵濃度、可燃氣體濃度及噪音等信息；匯總模塊安裝于車間辦公室中，綜合獲取存儲各個終端模塊采集的數(shù)據(jù)，并實時顯示在7寸工業(yè)屏上，同時對異常環(huán)境數(shù)據(jù)告警。終端模塊和匯總模塊采取ZigBee無線通信[1]形式傳輸數(shù)據(jù)，具有布局靈活、節(jié)省成本、穩(wěn)定性高的特點。這套系統(tǒng)能夠實時監(jiān)測車間多點環(huán)境情況，并對異常狀況告警，因此一方面可以減少車間環(huán)境對工作生產(chǎn)或設備運行的影響，另一方面也可以幫助管理者真正地了解生產(chǎn)一線工作環(huán)境。

關鍵詞：ZigBee無線通信；STM32F407；環(huán)境監(jiān)測

中圖分類號：TP274 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）27-0093-02

1 概述

當今社會，隨著工業(yè)制造精度的提高及工業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)流程以及工業(yè)生產(chǎn)設備對車間環(huán)境的要求越來越高。本項目的研究為工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)代化提供有力的支撐，具有深刻的現(xiàn)實意義。首先，該設備可以同時測量大量的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)，給設備調試研發(fā)人員提供了大量的數(shù)據(jù)參考。其次，該設備大大降低了設備維護的難度縮減了發(fā)現(xiàn)問題的時間，保證了設備工作在高效穩(wěn)定的一個狀態(tài)。這對于提高產(chǎn)品的質量是有很大幫助。

該項目的終端模塊能實時監(jiān)測環(huán)境參數(shù)（包括溫度，濕度，噪音，粉塵濃度，可燃氣體濃度）[2]，對溫濕度度過高或粉塵濃度過高的環(huán)境異常實時告警，可以避免設備的損壞和產(chǎn)品的質量下降；噪聲的監(jiān)測主要是處于對操作員工身體健康的考慮，若噪聲過高，應當及時做好防護措施；可燃氣體濃度的監(jiān)測主要應用于特殊場合，如煉鐵高爐等，若過高極易發(fā)生火災，需及時開啟通風設備。通過環(huán)境參數(shù)可以排除一些安全隱患，為員工的人身安全增添了一份保障。

系統(tǒng)架構靈活、技術新穎，模塊操作簡單，環(huán)境參數(shù)值范圍設定都可以在觸摸屏上完成，迎合了當今對產(chǎn)品高要求的趨勢，對未來工業(yè)方面的發(fā)展具有深遠的意義。

2 系統(tǒng)架構設計

本項目設計了一種以STM32F407處理器為核心的車間環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)[3]，由多個終端模塊和一個匯總模塊組成。多個終端模塊安裝于車間各個位置，主要采集車間溫濕度、粉塵濃度、可燃氣體濃度及噪音等信息；匯總模塊安裝于車間辦公室中，綜合獲取存儲各個終端模塊采集的數(shù)據(jù)，并實時顯示在7寸工業(yè)屏上，同時對異常環(huán)境數(shù)據(jù)告警。終端模塊和匯總模塊采取ZigBee無線通信形式傳輸數(shù)據(jù)，具有布局靈活、節(jié)省成本、穩(wěn)定性高的特點。系統(tǒng)架構如圖1所示。

3 系統(tǒng)的硬件設計

3.1 ZigBee模塊選型

Zigbee是IEEE 802.15.4協(xié)議的代名詞。根據(jù)這個協(xié)議規(guī)定的技術是一種短距離、低功耗的無線通信技術。其優(yōu)勢包括：自動組網(wǎng)，網(wǎng)絡容量大。在有模塊加入和撤出時，網(wǎng)絡具有自動修復功能；網(wǎng)絡時延短；模塊功耗低，通訊速率低；傳輸距離可擴展；可靠性好，安全性高等。

3.2 終端模塊硬件設計

終端模塊采用Cortex-M4系列的微處理器芯片STM32F407，接口功能豐富。終端模塊上使用SDS011型PM2.5傳感器監(jiān)測粉塵濃度，使用MQ7模塊監(jiān)測可燃氣體濃度，使用DHT11傳感器采集溫濕度，使用音頻模塊采集環(huán)境噪聲。

終端模塊的I/O接口設計如下：DHT11數(shù)據(jù)口接STM32的PB11；噪音傳感器數(shù)據(jù)口接STM32的PA6；MQ7數(shù)據(jù)口接STM32的PA5；SDS011型PM2.5傳感器接STM32的PA10（USART1）；ZigBee的P0_2（USART_RX）接STM32的PA2（USART2）。

3.3 匯總模塊硬件設計

匯總模塊采用Cortex-M4系列的微處理器芯片STM32F407，為了能夠直觀顯示采集數(shù)據(jù)，使用了工業(yè)級7寸觸摸顯示屏，并保證了系統(tǒng)長期工作的可靠性，此外還使用了工業(yè)級標準雙色告警燈，用于異常告警。

匯總模塊的I/O接口設計如下：ZigBee的P0_3（USART_TX）接STM32的PA10（USART1）；RS485_TX接STM32的PA3（USART2）；RS485_RX接STM32的PA2（USART2）。

4 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)程序是在STM32開發(fā)板上運行，使用C程序設計的編程思想。本系統(tǒng)集合了多種功能，可以將各種功能用子程序來實現(xiàn)，然后通過主程序調用，這樣使得系統(tǒng)整體結構清晰，內容明了增強程序的可讀性，整個系統(tǒng)框圖如圖2所示。

4.1 串口屏的軟件設計

串口屏有產(chǎn)品自帶的開發(fā)工具DWIN DGUS軟件，為用戶提供了一個足夠強大的集成開發(fā)環(huán)境，用DGUS來開發(fā)人機界面，主要借助PC軟件來進行組態(tài)設計，把人機交互和控制過程完全分開，只需要寫點通過串口讀寫變量存儲器的代碼。

4.2 終端模塊的軟件設計

終端模塊在CC2530芯片中編程以協(xié)議棧為基礎，其通信節(jié)點形式為ZigBee網(wǎng)絡中的終端節(jié)點，ZigBee無線通信設置為組播模式。當模塊連入ZigBee網(wǎng)絡后，以1Hz的頻率向匯總模塊（ZigBee協(xié)調器端）發(fā)送數(shù)據(jù)幀字符串。

終端模塊在STM32F4中編程以初始化各個傳感器，以1Hz的頻率讀取各傳感器數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進行校準。整合成自定義的數(shù)據(jù)幀字符串以串口通信發(fā)送給CC2530芯片。

4.3 匯總模塊的軟件設計

匯總模塊在CC2530芯片中編程以協(xié)議棧為基礎，其通信節(jié)點形式為ZigBee網(wǎng)絡中的路由器節(jié)點，ZigBee無線通信設置為組播模式。當模塊創(chuàng)建ZigBee網(wǎng)絡后，以1Hz的頻率從終端模塊接收數(shù)據(jù)幀字符串。

匯總模塊在STM32F4中編程把數(shù)據(jù)幀字符串轉化成串口屏數(shù)據(jù)幀，并以485通信協(xié)議與串口屏進行交互通信。

5 系統(tǒng)功能測試

將系統(tǒng)組裝完成后，先給終端模塊上電，此時已經(jīng)可以觀察到終端模塊TFT顯示屏上顯示的環(huán)境數(shù)據(jù)了。傳感器預熱5分鐘后，再打開匯總模塊。約6s后，可以在匯總模塊串口屏上觀察到環(huán)境數(shù)據(jù)且曲線以1Hz的頻率刷新。說明系統(tǒng)無線數(shù)據(jù)的傳輸已經(jīng)正常工作了。系統(tǒng)實物如圖3所示。

最后我們可以通過點燃打火機（測試可燃氣體傳感器，溫濕度傳感器），播放的聲音（測試噪音傳感器）等手段來檢驗傳感器的靈敏度。經(jīng)檢驗，匯總模塊的報警反應時間在1.5秒左右，符合了設計要求。

6 結束語

智能工業(yè)的實現(xiàn)是基于物聯(lián)網(wǎng)技術的滲透和應用，并與未來先進制造技術相結合，形成新的智能化的制造體系。因此，智能工業(yè)就是把現(xiàn)代通信技術應用到工業(yè)制造中去，使其更便捷、高效、穩(wěn)定、人性化。

這套系統(tǒng)能夠實時監(jiān)測車間多點環(huán)境情況，并對異常狀況告警，因此一方面可以減少車間環(huán)境對工作生產(chǎn)或設備運行的影響，另一方面也可以幫助管理者真正地了解生產(chǎn)一線工作環(huán)境。此外，本系統(tǒng)不僅可以應用于車間環(huán)境監(jiān)測，也可直接應用于智能家居的環(huán)境監(jiān)測。

參考文獻：

[1]李俊斌，胡永忠.基于CC2530的ZigBee通信網(wǎng)絡的應用設計[J].電子設計工程，2011，8.

[2]王蘊 .基于CC2530的辦公環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)[D].長春：吉林大學，2012，5.

[3]陳致遠，朱葉承，周卓泉，等.一種基于STM32的智能家居控制系統(tǒng)[J].電子技術應用，2012，9.

[4]楊普松.基于ZigBee協(xié)議棧的無線環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計[J].科技創(chuàng)新與應用，2015（20）：105.endprint