便攜式溫濕度舒適性測(cè)試儀研究

石小容，伍川輝，靳 行

（西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610031）

便攜式溫濕度舒適性測(cè)試儀研究

石小容，伍川輝，靳 行

（西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610031）

為了解列車(chē)運(yùn)行時(shí)客室內(nèi)溫濕度的動(dòng)態(tài)變化以及該變化對(duì)乘客舒適性的影響，研究設(shè)計(jì)一種便攜式溫濕度舒適性實(shí)時(shí)測(cè)試系統(tǒng)。通過(guò)在高速列車(chē)實(shí)測(cè)溫濕度數(shù)據(jù)和乘客調(diào)查問(wèn)卷的統(tǒng)計(jì)分析基礎(chǔ)上，給出適用于我國(guó)高速列車(chē)的溫濕度舒適性評(píng)價(jià)指標(biāo)。系統(tǒng)以STM32系列處理器和數(shù)字式溫濕度傳感器SHT21為核心，采用模塊化設(shè)計(jì)，由電源模板、溫濕度測(cè)量模塊、存儲(chǔ)模塊和LCD顯示模塊組成。實(shí)驗(yàn)表明該系統(tǒng)可滿足高速列車(chē)客室內(nèi)溫濕度動(dòng)態(tài)變化及乘客溫濕度舒適性的測(cè)試要求。

高速列車(chē)；溫濕度；舒適性；STM32處理器

0 引言

為滿足列車(chē)提速后，旅客對(duì)舒適度要求的提高，以及實(shí)時(shí)了解高速列車(chē)客室內(nèi)溫濕度舒適性狀況，掌握列車(chē)運(yùn)行時(shí)溫濕度的動(dòng)態(tài)變化及該變化對(duì)乘客舒適性感覺(jué)的實(shí)時(shí)影響[1]，研究一套便攜式、抗干擾力強(qiáng)、高精度底耗能的溫濕度舒適性實(shí)時(shí)測(cè)試系統(tǒng)，分析列車(chē)車(chē)內(nèi)溫度、濕度分布情況，得出車(chē)內(nèi)溫濕度舒適性的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)是很有必要的。

1 溫濕度舒適性評(píng)價(jià)方法

我國(guó)高速列車(chē)的服務(wù)對(duì)象以中國(guó)人為主，因此應(yīng)以黃種人為研究對(duì)象[2]，以高速移動(dòng)的列車(chē)為環(huán)境進(jìn)行研究。本文在高速列車(chē)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合調(diào)查問(wèn)卷的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，得出了適用于我國(guó)高速列車(chē)的溫濕度評(píng)價(jià)方法，等級(jí)劃分見(jiàn)表1。

2 硬件設(shè)計(jì)

在硬件上采用以ARM為核心的嵌入式系統(tǒng)架構(gòu)，ARM主控芯片選擇的是ST公司推出的基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM32系列處理器，該芯片具有高性能、低成本、低功耗、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、易開(kāi)發(fā)等特點(diǎn)[3-4]，主控芯片編程實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分析處理和顯示等；外圍部件主要包括傳感器信號(hào)采集模塊、SD卡數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、LCD液晶顯示模塊和高性能聚合物鋰電池。便攜式溫濕度舒適性測(cè)試儀的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

表1 舒適性等級(jí)劃分表

圖1 便攜式溫濕度舒適性測(cè)試儀硬件結(jié)構(gòu)圖

2.1 溫濕度傳感器電路

本測(cè)試儀采用的溫濕度傳感器為SHT21，其數(shù)據(jù)輸出為標(biāo)準(zhǔn)的I2C信號(hào)[4]，它和微控制器STM32F 103ZET6之間通過(guò)I2C接口進(jìn)行通信。溫濕度傳感器SHT21的連接電路如圖2所示。

圖2 I2C總線接口電路

2.2 SD卡存儲(chǔ)電路

本采集器的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采用大容量的SD卡（8GB或者32GB）來(lái)實(shí)現(xiàn)，STM32的SDIO總線采用的是4位總線多塊讀寫(xiě)模式，波特率設(shè)為24MHz，當(dāng)系統(tǒng)只進(jìn)行文件讀寫(xiě)的時(shí)候，讀速度達(dá)到6.74MB/s，寫(xiě)速度達(dá)到4MB/s，完全能夠達(dá)到本測(cè)試儀對(duì)數(shù)據(jù)保存的設(shè)計(jì)要求。同時(shí)SD卡座焊接在主板上，每次使用可以直接插拔SD卡，使用起來(lái)穩(wěn)定可靠又非常簡(jiǎn)單。

SD卡和STM32通過(guò)SDIO總線來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，原理圖如圖3所示。

圖3 STM32與SD卡接口圖

2.3 LCD顯示電路

LCD顯示屏選用的是Solomon Systech公司的SSD1289，有240（RGB）×320的點(diǎn)象素，能實(shí)現(xiàn)262，144灰度級(jí)別的畫(huà)面顯示。SSD1289有8位、9位、16位、

18位總線形式，可以快速有效地傳輸圖像數(shù)據(jù)，還提供18位的RGB接口。它集成了LCD控制器，所以能有效節(jié)約CPU的資源，擁有較大的靈活性和擴(kuò)展性。

LCD和STM32通過(guò)FSMC總線來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，硬件原理如圖4所示。

2.4 電源電路和PCB印刷電路板設(shè)計(jì)

STM32F103ZET6的供電電壓為2.7～3.6V，SD卡的電源輸入為2.0～3.4 V，因此選取常用的3.3 V作為二者的供壓源。LCD的供電電壓為5V，通過(guò)具有較高的電源抑制比、超低噪聲、較好的電壓線性和負(fù)載瞬態(tài)效應(yīng)以及較小的電壓漂移的線性低壓穩(wěn)壓器LM1117和78L05變壓得到所需3.3V和5V工作電壓。同時(shí)，在輸入端、輸出端和電源地之間連接0.1μF和10μF的旁路電容使輸入電壓更加平滑，并獲取穩(wěn)定純凈的電壓輸出，提高紋波和噪聲抑制，且增強(qiáng)穩(wěn)定性。

印刷電路板設(shè)計(jì)主要從外部連接、尺寸大小、散熱性等方面考慮。在保證印刷電路板上信號(hào)傳輸可靠及器件之間散熱良好的前提下，減小芯片之間的間距，選用貼片式芯片、電容、電阻等來(lái)縮小占據(jù)的空間。傳感器芯片SHT21焊接于印刷電路板上，為了使測(cè)量的溫濕度更加準(zhǔn)確，減小印刷電路板上熱傳遞對(duì)傳感器的影響，在SHT21附近處加入銑削狹縫設(shè)計(jì)，減少熱傳遞。

3 軟件設(shè)計(jì)

在軟件上采用RT-Thread嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，編程實(shí)現(xiàn)電源時(shí)鐘管理、溫濕度數(shù)據(jù)采集、分析與處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和LCD實(shí)時(shí)顯示等功能。

程序設(shè)計(jì)主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示3大部分，主程序流程如圖5所示。

對(duì)于優(yōu)先級(jí)問(wèn)題，首先要保證采集數(shù)據(jù)的正確性，所以定時(shí)器的優(yōu)先級(jí)（硬件優(yōu)先級(jí)）要設(shè)置為最高，然后針對(duì)RT-Thread的幾個(gè)線程的優(yōu)先級(jí)（軟件優(yōu)先級(jí)）設(shè)置如下：

（1）為了實(shí)時(shí)讀取采集的數(shù)據(jù)，防止數(shù)據(jù)的不連續(xù)，數(shù)據(jù)采集線程優(yōu)先級(jí)是最高的。

（2）其次是數(shù)據(jù)處理線程的優(yōu)先級(jí)，保證SD卡存儲(chǔ)和分析處理的實(shí)時(shí)性和完整性。

（3）最后是LCD顯示線程的優(yōu)先級(jí)最低，以供用戶查看相關(guān)信息。

當(dāng)定時(shí)器定時(shí)時(shí)間到后，定時(shí)器中斷處理函數(shù)將發(fā)送一個(gè)事件信號(hào)給數(shù)據(jù)采集線程，數(shù)據(jù)采集線程通過(guò)I2C接口讀取溫濕度傳感器數(shù)據(jù)；然后將數(shù)據(jù)按一定順序存入緩沖區(qū)段中，直到存滿一個(gè)緩沖區(qū)段后發(fā)送一個(gè)事件信號(hào)給數(shù)據(jù)處理線程。

數(shù)據(jù)處理線程包括溫濕度數(shù)據(jù)的分析處理和數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)兩大部分。由于測(cè)試儀使用的環(huán)境是在高速動(dòng)車(chē)上，所處環(huán)境電磁干擾大，因此先對(duì)采集到的溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行降低干擾的預(yù)處理。由于高速列車(chē)車(chē)廂內(nèi)的溫濕度變化緩慢，不可能出現(xiàn)溫濕度突變的情況，針對(duì)這一明顯特征，采用5點(diǎn)平均值濾波法，就能濾除掉由于電磁干擾引起的毛刺干擾；再按照表1的舒適性評(píng)價(jià)分級(jí)表得出舒適性評(píng)價(jià)等級(jí)；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)將溫度、濕度、季節(jié)信息、空調(diào)狀態(tài)和評(píng)價(jià)等級(jí)存入大容量的SD卡中，以供后期數(shù)據(jù)分析處理。

數(shù)據(jù)處理線程的總體設(shè)計(jì)流程如圖6所示。

圖4 STM32與LCD接口圖

圖5 主程序流程圖

圖6 數(shù)據(jù)處理線程流程圖

LCD顯示線程主要是完成界面顯示和刷新，該測(cè)試儀的主界面主要分為系統(tǒng)信息、環(huán)境信息和數(shù)據(jù)信息3部分。

4 試驗(yàn)結(jié)果

以夏季某線某型車(chē)的溫濕度測(cè)試數(shù)據(jù)為例，該組數(shù)據(jù)測(cè)試位置為離地板1.2m[5-6]，在列車(chē)各個(gè)部位各測(cè)得一組數(shù)據(jù)，并在該溫濕度狀況下對(duì)車(chē)內(nèi)舒適度進(jìn)行測(cè)試[7-8]，結(jié)果如圖7和圖8所示。

圖7是溫度為23.8℃（1級(jí)）時(shí)的舒適度問(wèn)卷調(diào)查結(jié)果，在此狀況下，不舒適的測(cè)試樣本數(shù)為16，占整個(gè)數(shù)據(jù)中的23.33%，對(duì)比表1，不舒適的比例小于25%，可看出該溫濕度值在等級(jí)為1級(jí)的溫度范圍內(nèi)。圖8是相對(duì)濕度為68.2%（2級(jí)）時(shí)的舒適度問(wèn)卷調(diào)查結(jié)果，該數(shù)據(jù)表明，在此狀況下，不舒適的測(cè)試

圖7 溫度問(wèn)卷調(diào)查結(jié)果

圖8 濕度問(wèn)卷調(diào)查結(jié)果

樣本數(shù)為21，在整個(gè)數(shù)據(jù)中的比例為42.8%，同時(shí)對(duì)比表1，符合不舒適的比例小于50%，可看出該溫濕度值在等級(jí)為2級(jí)的濕度范圍內(nèi)。根據(jù)對(duì)比結(jié)果表明，溫濕度舒適性測(cè)試結(jié)果完全符合要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

使用本測(cè)試儀可以在運(yùn)行中的高速列車(chē)上實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)溫濕度舒適性狀況，對(duì)列車(chē)綜合舒適性評(píng)價(jià)提供參考，以供列車(chē)設(shè)計(jì)人員對(duì)列車(chē)進(jìn)一步優(yōu)化，以及列車(chē)乘務(wù)人員對(duì)車(chē)內(nèi)的溫濕度舒適性進(jìn)行實(shí)時(shí)地調(diào)整。

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Research of portable temperature and humidity comfort tester

SHI Xiao-rong，WU Chuan-hui，JIN Hang
（College of Mechanical Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

In order to know the dynamic change of the temperature and humidity in the passenger compartment when the train running and the impact of the change on passenger comfort，a portable real-time temperature and humidity comforttestsystem wasdesigned.A comfort evaluation index of temperature and humidity which is suitable for our country’s high-speed train was given by measuring temperature and humidity data and statistical analysis of passenger questionnaire.The system is designed with STM32 processor and digital temperature and humidity sensor SHT21 as the core.It adopts modularizing design including power supply module，temperature and humidity measurement module，storage module and LCD display module.Experimental results show that the system can satisfy the test requirements both in dynamic change of temperature and humidity，and the comfort test of passengers in the high-speed train compartment.

high-speed train；temperature and humidity；comfort；STM32

U238；U292.91+4；TH811；TP212.1+1

：A

：1674-5124（2014）01-0069-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.01.019

2013-03-15；

：2013-05-17

“十一五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃（2009BAG2A01）

石小容（1980-），女，四川瀘州市人，碩士研究生，專(zhuān)業(yè)方向?yàn)樽詣?dòng)測(cè)試與PC儀器。