基于ARM的溫濕度監測系統

袁 立， 呂洪武， 王宏志

（長春工業大學計算機科學與工程學院，吉林長春 130012）

0 引 言

隨著我國科研實力快速穩定的發展，在實驗室管理中對實驗室環境提出了更高的要求。實驗室環境直接影響到實驗能否順利進行。因此，實驗室環境的實時監測對科學技術的發展有著重要的意義。

實驗室環境監測中溫度和濕度是重要參數［1］。傳統的實驗室環境監測系統中采用的PC機控制監控系統具有精準、穩定等優勢，但是也存在著成本過高、系統龐大等諸多問題［2］。

文中的主要研究目標是從監測實驗室溫度和濕度出發，針對高等院校中實驗室環境，通過采用嵌入式開發技術和室內環境檢測技術，在測量環境溫度和濕度的前提下，研究設計一種成本低、實用性高、易便攜的溫濕度監測系統。

1 系統方案設計

實驗室溫濕度監測系統由ARM芯片對溫濕度傳感器控制，通過傳感器實現對溫濕度數據的采集，并對采集的數據進行處理與顯示。ARM芯片具有高性能、低功耗的特點，可以應用在嵌入式Web服務器設計等諸多領域［3］。當溫濕度數據超出或低于設定溫濕度值時，由ARM驅動報警裝置實現報警功能。該實驗室溫濕度監測系統原理結構如圖1所示。

圖1 系統原理結構

2 系統功能設計與實現

2.1 系統硬件電路設計

系統主控芯片選用三星公司的基于ARM7TDMI內核的S3C44B0微處理器［4］，該芯片內部有8 KB Cache。ARM7TDMI體系結構的特點是集成了Thumb代碼壓縮器，片內有ICE斷點調試硬件和1個32位的硬件乘法器，S3C44B0內置系統存儲控制器，LCD控制器等，還有2個通用DMA控制器（ZDMA），2個外圍DMA控制器（BDMA），1個支持多主設備的I2C控制器，1個IIS總線控制器，5個PWM定時器和1個內部定時器，看門狗定時器Watch Dog，71個通用可編程的I／O口和8個外部中斷源，具有8通道輸入的10位ADC和具有日歷功能的實時時鐘RTC。

溫濕度傳感器則選用DHT11［5］溫濕度傳感器，該傳感器是一款溫濕度一體化的數字傳感器。該傳感器包括一個電阻式測濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個MCU相連接。通過與微處理器簡單的電路連接就能夠實時采集本地濕度和溫度。DHT11與MCU之間采用一個I／O端口完成輸入、輸出雙向傳輸通信。傳感器內部40 bit的濕度和溫度數據一次性傳給主機，校驗數據采用校驗和的方式，能有效保證數據傳輸的準確性。DHT11功耗很低，5 V電源電壓下，工作平均最大電流0.5 m A。DHT11的技術參數如下：工作電壓范圍：3.3～5.5 V；工作電流：平均0.5 m A；輸出：單總線數字信號；測量范圍：濕度20%RH～90%RH，溫度0～50℃；精度：濕度±5%RH，溫度±2℃；分辨率：濕度1%RH，溫度1℃。

傳感器數據輸出的是未編碼的二進制數據。數據（濕度、溫度、整數、小數）之間分開處理。DHT11的數據格式十分簡單，和MCU的一次通信最長為3 ms左右。

ARM芯片S3C44B0的PG2引腳和DHT11傳感器的DATA引腳相連，DHT11采用3.3 V供電，如圖2所示。

圖2 ARM芯片與DHT11連線圖

S3C44B0的PG2引腳是一個復用多功能引腳，可以設置成輸出引腳、外部中斷引腳等。PG2引腳還有一個可以設置成使能或禁止的上拉電阻。

系統通過預先設定的溫、濕度閾值作為主要判斷依據，當實驗室環境中監測到的溫、濕度數據超過或低于設定的閾值范圍時，屏幕就會顯示當前溫、濕度數值，并且發出警告，由蜂鳴器發出報警。系統使用模塊化任務設計，主要任務包括溫濕度監測、ARM I／O控制、數據顯示、閾值設定等。

2.2 系統軟件設計

嵌入式系統使用μC／OS-II［6］操作系統，該系統是一個實時操作系統內核［7］，包含了任務調度、文件管理、任務管理、時間管理、內存管理以及任務間通信和同步等基本功能。μC／OS-II的目標是實現一個基于優先級調度的搶占式實時內核，并在這個內核之上提供最基本的系統服務，例如信號量、郵箱、消息隊列、內存管理、中斷管理等。μC／OS-II獲得廣泛使用不僅僅是因為它的源代碼開放，還有一個重要原因，就是它的可移植性。μC／OS-II的大部分代碼是用C語言寫成的，只有與處理器硬件相關的一部分代碼用匯編語言編寫。可以說，μC／OS-II在最初設計時就考慮到了系統的可移植性，這一點和同樣源代碼開放的Linux很不一樣，后者在開始的時候只是用于x86體系結構，然后才將與硬件相關的代碼單獨提取出來。

目前μC／OS-II支持ARM，Power PC，MIPS，68K／Cold Fire和x86等多種體系結構。

文中軟件程序開發選用CodeWarrior for ADS v1.2［8］，該軟件支持ARM10之前的所有ARM系列微控制器，支持軟件調試及JTAG硬件仿真，支持匯編、C和C＋＋源程序。CodeWarrior for ADS v1.2集成開發環境主要提供了下面一些功能：

1）按照工程項目的方式來組織源代碼文件、庫文件以及其它文件。

2）設置各種生成選項，以生成不同配置的映像文件。

3）一個源代碼編譯器。它保存了代碼中定義的各種符號，使用戶可以在源代碼中方便地跳轉。

4）在文本文件中進行字符串的搜索和替換。

5）文本文件比較功能。

6）用戶還可以根據自己的愛好設置集成環境的特色界面。

ARM芯片與DHT11通信過程如圖3所示。

圖3 ARM芯片與DHT11通信過程

主機信號由ARM芯片的PG2引腳發出。

在CodeWarrior for ADS v1.2軟件開發環境下，結合系統的功能可將程序分為：主程序、溫濕度監測任務、報警功能任務、系統數據顯示任務等。通過μC／OS-II操作系統對任務的調度，實現了溫濕度的監測和報警。系統主程序流程如圖4所示。

圖4 系統主程序流程

ARM啟動傳感器DHT11后，DHT11發送響應信號，把總線拉高80μs，準備發送數據，每一位數據都以50μs低電平時隙開始，高電平的長短決定了數據位是0還是1。

溫濕度監測任務的程序流程如圖5所示。

圖5 溫度檢測流程

主要完成DHT11的啟動，定時器2的設置，溫濕度數據的讀取等功能。定時器2中斷服務程序流程如圖6所示。

主要完成中斷引腳設置，定時器5的初始化及啟動等功能。

EINT2中斷服務程序流程如圖7所示。

圖6 Time2中斷服務程序流程

圖7 EINT2中斷服務程序流程

其作用是保存在發生中斷時TCNTO5寄存器的當前值。

處理傳感器數據的算法是：根據高電平之前出現的上升沿時刻TCNTO5寄存器的值（設為T1），以及高電平之后出現的下降沿時刻TCNTO5寄存器的值（設為T2），來計算高電平的時間，其中T1和T2的值可從全局數組Timer5data［84］中得到。若（T1－T2）＜28，則此高電平傳輸的位為0；若68＜（T1－T2）＜75，則此高電平傳輸的位為1。

2.3 系統調試與實現

將搭建好的硬件平臺通過串行接口連接到PC機上，使用CodeWarrior for ADS集成開發環境，配以JTAG仿真器，將映像文件加載到嵌入式控制模塊中，進行系統調試和測試實驗等工作。

結合設計實物，對系統的測量精確度進行了校驗。校驗方式主要通過測量多組溫濕度數據與標準溫濕度狀況相對比，監測結果見表1。

表1 測量分析數據

由表1結果可以看出，溫度監測精度誤差小于等于1.7℃，濕度精度誤差小于等于3.0%RH，滿足系統的應用設計要求，并且能夠達到實驗室對溫度和濕度的監測要求。

此外，分別作了溫濕度報警功能的測試。設定溫度閾值為4～10℃時，在環境溫度超出溫度設定閾值后，蜂鳴器報警。設定濕度閾值為40%RH～50%RH，在環境濕度超出濕度設定閾值后，蜂鳴器報警。

最后，使用Tektronix的TDS2002型示波器驗證軟件驅動程序的正確與否，某次從顯示器讀到的數據為濕度36.0%RH，溫度15.0℃，則對應的數據為：0010 0100，0000 0000，0000 1111， 0000 0000，0011 0011，如圖8所示。

圖8 系統運行時示波器顯示波形

由以上數據就可得到濕度和溫度的值，計算方法：濕度＝濕度整數×濕度小數＝36.0%RH；溫度＝溫度整數×溫度小數＝15.0℃；校驗＝濕度整數＋濕度小數＋溫度整數＋溫度小數＝51.0（濕度＋溫度）（校驗正確）。

串行接口實驗數據如圖9所示。

圖9 串行接口實驗數據圖

3 結 語

以高校實驗室環境溫濕度為研究背景，利用嵌入式開發、室內環境監測等技術，通過合理地構建ARM嵌入式開發平臺，對實時環境溫度和濕度進行監測和預警。實驗結果表明，系統設計滿足易便攜、穩定性好、成本低等要求，具有一定的實際應用價值。

［1］ 戴善溪，張效民.基于ZigBee技術的數字式溫濕度監測網絡設計［J］.國外電子測量技術，2010，33（2）：47-49.

［2］ 周云輝，王嬌，錢云飛.基于嵌入式的環境溫濕度監測系統設計［J］.電子測量技術，2012，35（9）：80-82.

［3］ 宮麗男，呂洪武，王宏志.基于ARM9的嵌入式Web服務器的設計［J］.長春工業大學學報：自然科學版，2009，30（5）：323-326.

［4］ 王海民，王宏志.STM32以太網控制系統［J］.長春工業大學學報：自然科學版，2014，35（1）：60-65.

［5］ 廣州奧松電子有限公司.數字溫濕度傳感器DHT11［EB／OL］（2013-04-30）［2013-12-15］.http：／／www.aosong.com.

［6］ Jean J Labrosse.嵌入式實時操作系統μC﹨OS-Ⅱ［M］.邵貝貝，譯.北京：北京航空航天大學出版社，2003.

［7］ 熊茂華，楊震倫.ARM9嵌入式系統設計與開發應用［M］.北京：清華大學出版社，2007.

［8］ 杜春雷.ARM體系結構與編程［M］.北京：清華大學出版社，2003.