基于STM32和RTEMS的環境監測系統的設計與實現

朱 慧，王軍陣，陳 琳，黃人杰

（中國衛星海上測控部 江蘇 江陰214413）

基于STM32和RTEMS的環境監測系統的設計與實現

朱 慧，王軍陣，陳 琳，黃人杰

（中國衛星海上測控部 江蘇 江陰214413）

基于STM32微處理器及REMS嵌入式實時操作系統，設計并實現溫濕度、光照強度和粉塵濃度的環境監測系統。數據終端采集數據，通過串口將環境數據上傳至監控主機。采用Qt5.4.2實現可視化界面，完成環境參數的實時監控，并實現數據存儲、歷史查詢和報警等功能。

環境監測；STM32；RTEMS；Qt

隨著科技的不斷發展進步，環境參數對倉庫物品的存儲、工業產品的生產、科學實驗和不間斷工作設備的影響越來越不容忽視[1-3]，從糧食儲藏、溫室培養、工作車間、無塵實驗室到裝備機房農業和工業的工作過程中，都對溫濕度等室內環境參數提出了更高的要求[4-8]。目前，國內的許多環境監測系統采用的是定時巡查，觀測和記錄各項分立的環境參數并根據參數進行相應的處理，無法24小時實時監測室內環境參數的變化，在無人值守時，無法及時發現問題并處理，這在一些對環境參數要求較高的室內無疑是一個非常不利的因素。因此，急需一種全天候在線實時監測系統。

文中根據環境監控特點和需求，提出了一種基于STM32和RTEMS的環境參數監測系統。通過STM32F407采集室內溫度、濕度、光照強度和粉塵濃度環境參數信息，采用嵌入式操作系統RTEMS4.11作為室內環境監測的軟件平臺，實現環境數據的實時顯示，并將環境參數信息通過串口上傳至監控主機，在監控主機上基于Qt5.4.2編寫圖形用戶接口，實現對環境參數的實時監控、存儲和閾值報警等功能。

1 系統硬件設計

環境監測系統主要是以STM32F407為核心，基于Cortex-M4的STM32F407微處理器具有低功耗、高性能、外設完善等優點。采用溫濕度傳感器STH11、光強度傳感器BH1750和粉塵濃度傳感器GP2Y1010AU0F對室內環境進行檢測，實現對室內環境參數的實時測量和LCD數字顯示，并通過串口上傳到監控主機完成對室內環境參數的在線實時監測。硬件電路主要由電源模塊、復位模塊、鍵盤模塊、LCD顯示模塊、通信模塊和環境采集模塊等組成，總體結構如圖1所示。

1.1 STM32F407與溫濕度傳感器電路設計

圖1 環境監測系統的結構框圖

溫濕度傳感器選用瑞士Sensirion公司生產的SHT11，該傳感器具有二線串行接口的單片全校準數，測量范圍為-40～123.8℃。對于14位的分辨率為0.01℃。每個傳感器芯片都在極為精確的溫濕度總標定，標準系數以程序形式存在OTP內存中，在測量中可以自動校準，無需外部模擬電子電路，可以方便、快速的進行系統集成，具有100%的互換性。SHT11與STM32的連接電路圖如圖2所示SHT11提供二線數字串行接口SCK和DATA，支持CRC傳輸校驗。高度集成，講溫度感測、濕度感測、信號變換、A/D轉換和加熱器等功能集成到一個芯片上，串行時鐘輸入線SCK用于STM32微控制器與SHT11之間的通信同步。

圖2 SHT11與STM32F407的接口電路

1.2 STM32F407與光照傳感器的電路設計

光照強度傳感器選用BH1750，BH1750環境光傳感器內置16位的模數轉換器，它能夠直接輸出一個數字信號，它是半導體制造商BOHM為適應便攜式移動終端而開發處的具有優良光譜靈敏度特性、16bit串行輸出數字環境亮度傳感器。芯片工作電壓為3.3 V，內置了16bit數模轉換器，可對廣泛的亮度進行1勒克斯的高精度測定，當物體在均勻的光照下它能夠在每平方米獲得1l勒克斯的光通量，它們的光強度是1l勒克斯，實現了照明度數字值的直接輸出。

為了充分利用光源，可在光照采集處增加一個光源的反射裝置，以提高光照傳感器數據采集效率。BH1750與STM32F407的連接電路圖如圖3所示，控制器通過BH1750采集環境光的強弱的數據。主控制器與BH1750之間的通信使用標準的I2C協議，選用了STM32F407的I2C1外設模塊，并將其SCL和SDA分別映射到PB6和PB7管腳。

圖3 BH1750與STM32F407的接口電路

1.3 STM32F407與粉塵濃度傳感器的電路設計

粉塵濃度傳感器可以感應空氣中的塵埃粒子。GP2Y1010AU0F是夏普公司生產的一款光學空氣質量傳感器，內部裝有紅外發光二極管和光電晶體管，其發射的紅外光經空氣中塵埃微粒反射后被探測，輸出為模擬電壓，其值與粉塵濃度成正比。GP2Y1010AU0F可測量0.8 um以上的微小粒子，如煙草煙霧顆粒等非常細小的微粒都可以被檢測到。該傳感器工作所需電流低（最大20 mA，典型值11 mA），可使用高達7 V的直流電源供電，并且具有價格便宜、體積小、重量輕和便于安裝等優點。本設計中采用STM32F407的PB8驅動粉塵濃度傳感器的LED，將粉塵濃度傳感器輸出通過LM318連接到STM32F407微控制器的PC1引腳，并經過計算可以得到空氣中的粉塵濃度，粉塵濃度傳感器與STM32F407單片機連接的電路如圖4所示。

圖4 STM32F407與GP2Y1010AU0F的接口電路

2 系統軟件設計與實現

2.1 系統軟件設計

RTEMS是一個為嵌入式系統設計的自由的開源實時操作系統，并且是無版稅開源的，能移植于各種微處理器，支持ADA，POSIX等開發，其最初是為美國國防系統開發，后廣泛應用于航空航天、軍工以及民用各個領域，現在由OAR公司負責版本的升級和維護。本設計方案將RTEMS4.11移植到STM32F407微控制器上，嵌入式操作系統RTEMS對多處理器提供了很好的支持，具有較高的靈活性和易用性，通過實施調度將控制權交給當前最高優先級任務。各任務之間使用信號量、消息郵箱、消息隊列來實現通信，保證了任務之間的同步性與互不干擾性，軟件結構框圖如圖5所示。

主要包括傳感器信息采集任務、顯示任務和通信任務等，其中，顯示任務主要顯示當前時間、溫度、濕度、光照強度和粉塵濃度，實現現場環境參數的可視化；3個傳感器信息采集任務主要負責溫濕度、光照強度和粉塵濃度環境參數的采集；通信任務則負責將采集的環境參數通過串口實時發送給PC機，供PC機對數據進行分析、存儲和處理操作。

圖5 嵌入式RTEMS系統軟件結構框圖

2.2 系統整體實現

PC機系統軟件則采用C++語言，基于Qt5.4.2進行開發，軟件系統的主要功能包括通過SerialPort獲取嵌入式采集終端的環境參數，對數據作進一步的處理，實現環境參數的自動存儲，提供查詢功能，將實時接收的環境參數顯示到監測系統界面，并實現各參數的超限報警功能，系統正常運行時的界面如圖6所示。

圖6 系統顯示界面

3 結束語

以基于CORTEX-M4的微處理器STM32F407及嵌入式操作系統RTEMS為系統核心，提出了一種環境檢測系統的設計方法。采用溫濕度傳感器SHT11、光照強度傳感器BH1750和粉塵傳感器GP2Y1010AU0F進行室內環境參數采集，簡化了系統開發的復雜度。軟件設計采用了可靠性高、開源免費的嵌入式操作系統RTEMS，便于系統的后續擴展，利于維護?；赒t5.4.2設計了室內環境監控上位機軟件，完成了對室內環境參數的實時監控，環境參數的存儲、歷史數據的查詢和閾值報警等功能。系統具有體積小、成本低廉和易于擴展等特點，可廣泛應用于大部分室內環境監測領域。

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Design and realization of environmental monitoring system based on STM32 and RTEMS

ZHU Hui，WANG Jun-zhen，CHEN Lin，HUANG Ren-jie
（China Satellite Marine Tracking and Control Department，Jiangyin 214413，China）

In this paper，the design and realization of environmental monitoring system including humiture，illumination and dust concentration base on the microprocessor of STM32 and the embedded real-time operating system of RTEMs.The collected data of terminal is transmitted to monitoring computer via serial interface.The real-time monitoring is completed with the visualization interface base on Qt5.4.2 which contains data storage，historical query and alarm.

environmental monitoring； STM32； RTEMS； Qt

TP391

A

1674－6236（2017）16-0077-03

2016-07-03稿件編號：201607012

朱 慧（1983—），女，江蘇鹽城人，工程師。研究方向：網絡管理。