王浩博 唐晨棟 張宇

摘 要：針對當(dāng)下市場中大部分環(huán)境監(jiān)測設(shè)備功能不完善的問題，文中提出并設(shè)計(jì)了一種室內(nèi)氣體環(huán)境的智能監(jiān)控系統(tǒng)，所設(shè)置的功能可以極大程度地滿足用戶需求。系統(tǒng)采用多種傳感器，可以測量多種氣體的濃度。將STM32單片機(jī)作為核心處理器，增加系統(tǒng)的運(yùn)算能力，另設(shè)置了警戒閾值，實(shí)現(xiàn)了超過閾值時蜂鳴器報警、短信通知的功能。采用GSM模塊無線傳輸測量數(shù)據(jù)，使系統(tǒng)能夠?qū)y量的結(jié)果實(shí)時傳輸至PC機(jī)中。為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化，采用LabVIEW軟件完成上位機(jī)設(shè)計(jì)，顯示不同氣體的數(shù)據(jù)曲線，得到多種氣體的濃度變化情況，實(shí)現(xiàn)了在PC機(jī)上顯示測量結(jié)果的功能。

關(guān)鍵詞：STM32單片機(jī);LabVIEW;環(huán)境監(jiān)測;GSM;傳感器;通信

中圖分類號：TP274+.3文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2095-1302（2019）09-00-04

0 引 言

LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench，LabVIEW）是當(dāng)前頗受業(yè)界人士推崇與青睞的一種圖形化開發(fā)環(huán)境。最初，LabVIEW的主要功能為測量測試，經(jīng)過多年的發(fā)展，LabVIEW已能夠很好地完成大部分測量測試任務(wù)。如今，它被廣泛用于各種測量設(shè)備中，被工業(yè)、學(xué)術(shù)以及科研等領(lǐng)域作為測量測試、儀器控制必不可少的工具，用戶可以通過工具包組成完整的測試程序[1]。

國內(nèi)外的智能家居行業(yè)隨著測量技術(shù)的逐步發(fā)展，產(chǎn)品準(zhǔn)確性得到了明顯提高，隨著用戶對測量結(jié)果的重視程度不斷增加，智能家居系統(tǒng)將會向提升運(yùn)算速度、無線傳輸以及實(shí)時發(fā)送測量結(jié)果的方向發(fā)展[2]。針對上述情況，以STM32F103VET6作為嵌入式MCU，以SIM900A通信模塊實(shí)現(xiàn)無線傳輸功能，以LabVIEW上位機(jī)實(shí)時顯示測量結(jié)果，設(shè)計(jì)了基于LabVIEW的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，將多種傳感器采集的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送至STM32F103VET6單片機(jī)，通過SIM900A通信模塊將采集結(jié)果發(fā)送至電腦以及手機(jī)，創(chuàng)新性地利用LabVIEW對數(shù)據(jù)的處理功能方便用戶更直觀地了解采集結(jié)果。無線傳輸以及上位機(jī)顯示功能能夠方便用戶對緊急情況及時做出反應(yīng)，使系統(tǒng)更加人性化。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)擁有一個檢測點(diǎn)、一個后臺和一個用戶端，在對各檢測點(diǎn)的結(jié)構(gòu)組成進(jìn)行全面研究與分析后發(fā)現(xiàn)，其均由溫度傳感器、甲醛傳感器、煙霧傳感器、單片機(jī)等組成。另外，單片機(jī)作為系統(tǒng)的關(guān)鍵構(gòu)成部分，以系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能為重點(diǎn)依據(jù)，控制器需要控制數(shù)據(jù)采集、指令解析、數(shù)據(jù)通信等。本系統(tǒng)中單片機(jī)一方面控制通信模塊發(fā)送信息，另一方面還需控制報警，當(dāng)某一測量值超限時蜂鳴器鳴叫。后臺為LabVIEW上位機(jī)，用戶端為用戶手機(jī)。系統(tǒng)總設(shè)計(jì)如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 嵌入式微處理器

在一塊較小的電路板上嵌入一塊具有特定功能的微處理器芯片—嵌入式微處理器[2]，由于外圍電路可滿足特定功能，因此嵌入式電路板體積明顯縮小。近年來，嵌入式處理器發(fā)展的越來越成熟，其高性能、低功耗的特性已能夠滿足絕大部分設(shè)備的需求[3]。本系統(tǒng)選用意法半導(dǎo)體企業(yè)獨(dú)立研發(fā)的STM32F103VET6芯片，在對這款芯片的性能參數(shù)進(jìn)行深入分析后發(fā)現(xiàn)，其內(nèi)核為32位Cortex-M3，內(nèi)置兩種不同規(guī)格的存儲器，分別為512 KB的閃存和64 KB的SRAM存儲器。芯片的運(yùn)行頻率為72 MHz，內(nèi)置12位ADC以及DAC，11個定時器。電源通過USB接口接入5 V電壓供電。晶振電路支持兩種不同規(guī)格的時鐘源，一是運(yùn)行頻率為23.768 kHz的時鐘源，為低速時鐘源;另一個是運(yùn)行頻率為8 MHz的時鐘源，為高速時鐘源。另外，復(fù)位電路的常用方式有兩種，即上電型與按鈕型，復(fù)位時電源復(fù)位輸出低電平作用于RESET管腳[4]。

2.2 傳感器模塊

2.2.1 溫度傳感器

本系統(tǒng)選用的溫度傳感器型號為DS18B20，該傳感器可利用1-Wire總線與STM32F103單片機(jī)通信，因此可使自身抗干擾性能得到進(jìn)一步提升，同時該傳感器監(jiān)測范圍相對較廣，其監(jiān)測區(qū)間為-55～125 ℃，且在監(jiān)測范圍-10～85 ℃之外時誤差可被合理地控制在±0.5 ℃之下，輸出數(shù)字量，正常情況下，其供電范圍為3.0～5.5 V[5]。此型號的傳感器與單片機(jī)的3.3 V及GND口連接，DQ口則與單片機(jī)的PA5口相連。

此型號傳感器支持6種不同形式的信號，分別為復(fù)位脈沖、應(yīng)答脈沖、寫0、寫1、讀0、讀1。溫度測量過程由STM32F103單片機(jī)發(fā)出復(fù)位脈沖開始，STM32F103單片機(jī)輸出480 μs以上的低電平。轉(zhuǎn)變?yōu)榻邮漳Ｊ剑≧x）之前需完成兩項(xiàng)基本操作，首先釋放總線，然后再對總線進(jìn)行上拉處理，由此轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖健Ｔ诖酥?，DS18B20傳感器通過拉低總線60～240 μs的方式輸出低脈沖，并對兩者的連接方法進(jìn)行檢測，以進(jìn)一步確定是否為應(yīng)答信號的值，當(dāng)顯示0時，說明檢測到傳感器，返回1時表示未檢測到傳感器。在讀取檢測結(jié)果時，單片機(jī)一定要先輸出讀時序，并且在該過程中，主機(jī)對總線完全釋放，在15 μs后對總線狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測與采樣。通過圖2可對此傳感器的溫度讀取過程有更直觀、全面的了解。

2.2.2 濕度傳感器

濕度傳感器型號為DHT22，采用3引線連接方式，數(shù)據(jù)線定義為SDA引腳，串行傳輸數(shù)據(jù)，與單片機(jī)U3口相連。運(yùn)行電壓為3.3～5.5 V，測量范圍為0～99.9%RH，當(dāng)溫度為25 ℃時，誤差在±2%RH以內(nèi)[6]。

DHT22傳感器一次采集8位數(shù)據(jù)，循環(huán)采集4次，校驗(yàn)數(shù)據(jù)，共40位。其中，高16位為濕度數(shù)據(jù)，對捕獲到的濕度值進(jìn)行除10處理便能獲取準(zhǔn)確無誤的真實(shí)濕度值。在測量過程中，DHT22在接收到起始指令后立即轉(zhuǎn)變運(yùn)行模式，即由最初的休眠模式轉(zhuǎn)變?yōu)楦咚倌Ｊ?，利用SDA數(shù)據(jù)線傳送數(shù)據(jù)并在結(jié)束時執(zhí)行一次信息收集操作，在下次通信之前，傳感器進(jìn)入休眠模式。為了避免誤差過大，兩次采集的時間間隔必須大于1 s。

2.2.3 甲醛傳感器

甲醛傳感器采用ZE08-CH2O型電化學(xué)甲醛模組，是鄭州煒盛電子科技有限公司生產(chǎn)的產(chǎn)品。該傳感器利用電化學(xué)原理對空氣中存在的甲烷進(jìn)行探測，穩(wěn)定性好，方便使用。內(nèi)部設(shè)計(jì)溫度傳感器可實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償功能，具有數(shù)字輸出和模擬輸出兩種方式。將系統(tǒng)的數(shù)字輸出與STM32單片機(jī)的串口3相連，量程為0～6.69 mg/m3，在0～50 ℃范圍內(nèi)運(yùn)行時其分辨率未達(dá)到0.01 mg/m3。選用主動上傳方式通信，每間隔1 s發(fā)送一組測量值，數(shù)據(jù)共為8位，其中1位起止位，氣體濃度位于Byte4（高位）和Byte5（低位），測量的氣體濃度值計(jì)算式如下：

氣體濃度值=氣體濃度高位×256+氣體濃度低位[7]

2.2.4 煙霧傳感器

本系統(tǒng)選用集多重優(yōu)勢于一身的MQ-2煙霧傳感器對煙霧濃度進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。此傳感器的運(yùn)行電壓小于5 V，內(nèi)置有4個標(biāo)準(zhǔn)接口，可實(shí)現(xiàn)雙路信號輸出[8]。MQ-2煙霧傳感器采用模擬量A0接口與A/D轉(zhuǎn)換器相連的方式輸出數(shù)字量，連接單片機(jī)的PA7口。

2.2.5 GSM通信模塊

GSM是全球移動通信系統(tǒng)（Global System for Mobile communications，GSM）的簡稱，是由歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)組織ETSI制定的一個數(shù)字移動通信標(biāo)準(zhǔn)[10]，其最大優(yōu)勢在于支持短信與數(shù)字語音的高效傳送，在本系統(tǒng)中，GSM模塊的功能是把傳感器采集的信息發(fā)送至手機(jī)及電腦中[11]。

本套系統(tǒng)選用SIM900A無線通信模塊。此模塊由全球知名廠商芯訊通（SIMCom）自主研發(fā)與生產(chǎn)制造，它是一種GPRS通信模塊，同時具備GSM與GPRS這兩大模塊的通信功能，外觀精致，性能可靠。常見的SIM900A運(yùn)行頻率分別為900 MHz與1 800 MHz，采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口，與STM32單片機(jī)基于串口2相連并由此保持正常通信。SIM900A模塊內(nèi)置兩種專用TTL接口，可供3.3～5 V電壓的單片機(jī)使用。在連接之前，需將SIM900A的RXD與單片機(jī)的TXD相連，SIM900A的TXD與單片機(jī)的RXD相連，GND與單片機(jī)的GND相連[12]。SIM900A需接通5 V直流電源，接通后模塊會點(diǎn)亮D5與D6指示燈，模塊的工作狀態(tài)也可以通過兩個指示燈確定。

進(jìn)入AT狀態(tài)：將USB-232串口線與電腦連接，安裝驅(qū)動程序。在計(jì)算機(jī)中找到設(shè)備管理器端口并點(diǎn)擊COM，配置串口助手，同步波特率定義為9 600，發(fā)送AT指令查看SIM900A的運(yùn)行狀態(tài)。GPRS模塊發(fā)送數(shù)據(jù)與GPRS配置分別見表1與表2所列。

3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

3.1 單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要為編寫的程序，用于控制系統(tǒng)各硬件做出指定動作。各硬件之間相對獨(dú)立，軟件的模塊化特征愈加顯著。該系統(tǒng)由定時器程序模塊、溫度采集程序模塊、濕度采集程序模塊、煙霧濃度采集程序模塊、甲醛濃度采集程序模塊、SIM900A無線傳輸程序模塊、按鍵程序模塊組成。程序流程如圖3所示。

系統(tǒng)運(yùn)行時會按照圖3所示的流程進(jìn)行控制，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)連接成功后可通過按鍵1和按鍵2來控制系統(tǒng)狀態(tài)。按下按鍵1時，系統(tǒng)進(jìn)入監(jiān)測狀態(tài)，可對超過閾值的數(shù)據(jù)進(jìn)行報警;按下按鍵2，則系統(tǒng)退出檢測狀態(tài)。

3.2 通信協(xié)議

對于通信協(xié)議這一概念，具體指為實(shí)現(xiàn)正常通信或服務(wù)需雙方彼此共同遵循的制度與規(guī)定。在通信協(xié)議中，主要針對數(shù)據(jù)模塊使用的格式進(jìn)行了明確規(guī)定，同時要求信息單元的各項(xiàng)配置務(wù)必完整，唯有此才能保證數(shù)據(jù)的正常傳送[13]。本系統(tǒng)的無線傳輸功能需要將溫度、濕度、甲醛、煙霧傳感器測量的結(jié)果發(fā)送至電腦以及手機(jī)，這是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。

3.3 后臺軟件設(shè)計(jì)

后臺軟件的設(shè)計(jì)工具為LabVIEW，利用此軟件設(shè)計(jì)上位機(jī)不僅能夠清晰顯示傳感器的測量結(jié)果，還可以利用其強(qiáng)大的運(yùn)算功能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的運(yùn)算處理[14]。

通過LabVIEW中自帶的TCP/IP通信組件實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)的數(shù)據(jù)連接，在降低復(fù)雜度的同時可確保網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性[15]。TCP服務(wù)器VI建立時，首先創(chuàng)建TCP偵聽器函數(shù)，接入服務(wù)名稱注冊的端口號，接出偵聽器ID與錯誤輸出;接著創(chuàng)建讀取TCP數(shù)據(jù)函數(shù)，接入連接ID與錯誤輸入，接出接連ID、數(shù)據(jù)輸出和錯誤輸出;最后創(chuàng)建關(guān)閉TCP連接函數(shù)，接入連接ID與錯誤輸入。在運(yùn)行之前，將預(yù)先在下位機(jī)設(shè)定好的端口號填入VI中便可啟動TCP服務(wù)器[16]。

采用LabVIEW自帶的數(shù)值轉(zhuǎn)化模塊時，數(shù)據(jù)需輸出一個判斷語句，當(dāng)發(fā)送語句字節(jié)為48 B時進(jìn)入數(shù)據(jù)處理部分，采用自帶的讀取數(shù)據(jù)功能讀取下位機(jī)數(shù)據(jù)每行對應(yīng)字符串，截取每一行字符串中對應(yīng)的數(shù)值進(jìn)行數(shù)值判斷和數(shù)值分析[17]。

LabVIEW數(shù)據(jù)讀取與處理程序如圖4所示。

該后臺軟件實(shí)現(xiàn)了對現(xiàn)場監(jiān)控的功能，包括顯示采集的信息、處理信息等，顯示界面如圖5、圖6所示。

4 結(jié) 語

該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)環(huán)境的實(shí)時監(jiān)控，盡管在設(shè)計(jì)時本系統(tǒng)的定位是室內(nèi)智能家居，但本系統(tǒng)也可以應(yīng)用于工廠、礦井、汽車、大棚等地[18]。通過GSM無線傳輸功能和LabVIEW的可視化以及數(shù)據(jù)處理功能實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)氣體環(huán)境的實(shí)時監(jiān)控，結(jié)合單片機(jī)控制報警等功能，本系統(tǒng)已能夠有效保證室內(nèi)氣體環(huán)境，較為人性化。本系統(tǒng)能夠優(yōu)化居住環(huán)境，有效降低成本，具有廣泛的應(yīng)用前景。

注：本文通訊作者為張宇。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]鄭對元.精通LabVIEW虛擬儀器程序設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2012：10-39.

[2] Michel Mouly，Marie-Bernadette Pautet. The GSM System for Mobile Communications[M].Telecom Publishing，2000： 15-60.

[3]肖冬瑞.基于STM32及LabVIEW的環(huán)境檢測系統(tǒng)[D].衡陽：湖南工學(xué)院，2015.

[4] ZHANG H，KANG W. Design of the data acquisition system based on STM32[J].Procedia computer science，2013（17）：222-228.

[5]金曉龍，郭斌，孟小艷.基于SPCE061A溫室溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化，2012（9）：45-48.

[6]朱嶸濤，徐愛鈞.單總線傳感器AM2302溫濕度測控系統(tǒng)原理及應(yīng)用[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2016，16（4）：46-48.

[7]韓明軒，李耀.一種甲醛檢測儀[J].電腦知識與技術(shù)（學(xué)術(shù)交流），2015，11（13）：215-216.

[8]張兆民，狄思雨.一種室內(nèi)煙霧處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].價值工程，2018，37（32）：142-144.

[9]朱向慶，鄧浩欣，李嘉寶，等.基于STM32和Android的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2018，26（18）：179-183.

[10]李再揚(yáng)，楊少華.GSM：技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化聯(lián)盟的成功案例[J].中國工業(yè)經(jīng)濟(jì)，2003（7）：89-95.

[11]谷亞寧.基于無線通訊技術(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].杭州：浙江大學(xué)，2013.

[12]隋俊杰，肖詩滿，邵偉恒，等.基于SIM900A的基站無線監(jiān)控系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2016，39（3）：51-54.

[13]劉弈宏.激光陣列空中特效設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].北京：北京理工大學(xué)，2011.

[14]李美平.基于LabVIEW的遠(yuǎn)程無線監(jiān)控系統(tǒng)[D].曲阜：曲阜師范大學(xué)，2014.

[15]龍華偉，顧永剛.LabVIEW8.2.1與DAQ數(shù)據(jù)采集[M].北京：清華大學(xué)出版社，2008：143-145.

[16] LIU Z，DING X L， ZHENG L H.The 2015 International Conference on Advances in Construction Machinery and Vehicle Engineering （ICACMVE2015） [C]// Shanghai：Shanghai Scientific & Technical Publishers，2016：360-363.

[17]徐曉東，鄭對元，肖武.LabVIEW8.5常用功能與編程實(shí)例精選[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009：30-37.

[18]閆林生，肖伸平，鄧鵬，等.基于物聯(lián)網(wǎng)的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].計(jì)算技術(shù)與自動化，2012，31（4）：47-50.