基于STM32的內河船舶艙內環境在線監測系統設計

張劍鋒，范雄方，楊 輝，胡海軍

（1.重慶交通大學航運與船舶工程學院，重慶400000；2.重慶交通大學交通運輸學院，重慶400000）

引言

上世紀六十年代，計算機和自動化技術迅速發展，日本、丹麥等發達國家對船舶監測技術的研究較為深入，率先設計出集中式機艙監測系統，七十年代初設計出集散式監測系統，八十年代初推出現場總線式監測系統［1］。在九十年代后期，總線式檢測系統不斷完善和成熟，被廣泛使用于船舶艙內網絡監控中。然而國內船舶艙內環境監測系統的研發和應用晚于國外，直到八十年代后期才研制出一些具有代表性的檢測系統［2］。

近年來，隨著船舶行業的蓬勃發展、電子技術的廣泛應用、嵌入式系統的更新換代以及網絡速度的不斷提高［3］，人們對船艙環境的安全度和舒適度、對檢測數據的快速性和實時性提出了新要求。目前大型客運輪船、集裝箱船和遠洋航行船等船舶都搭載有非常先進的船舶環境監測系統［4］。

但對于在長江、黃河流域和其他內陸河流行駛的小、中型船舶來說，由于存在航行的重要通航水域復雜、船只流量大、船艙使用頻率高和人員流動快等因素，使得船舶艙內環境復雜多變［5］，對船艙進行系統的環境監測極為重要。在對長江和嘉陵江上的上百艘船舶進行調查后發現：雖然大多數船上安裝有必要的滅火裝置，但船員出于對監測設備安裝成本的考慮，很多船舶僅安裝有傳統的溫度計、濕度計等極為簡單的檢測裝置，還有少數船舶安裝的監測裝置不能正常使用，甚至有的船舶沒有安裝監測裝置和報警裝置。

為了降低監測裝置安裝成本、保障船艙設備設施正常運行、加大船舶運輸貨物監測力度、提高船員與乘客舒適度和安全度，本文設計出基于STM32單片機的環境在線監測系統，該系統由數據采集裝置、數據處理裝置、網絡傳輸裝置和物聯網云平臺組成。該系統能夠在監測面板、手機和電腦屏幕上實時在線監測艙內溫度、濕度和煙霧濃度等參數，當某項參數超過設計閾值時，能夠及時報警。對系統進行試運行和調試后，能夠實現預期監測功能，達到較為滿意的效果。

1 硬件系統設計

1.1 數據采集系統

1.1.1 MQ-2氣體傳感器

在內河船舶船艙中，一般儲存有酒精、甲烷和液化氣等易燃易爆的燃料，這些燃料在艙內復雜多變的環境下極易發生火災，危及船上人員安全，因此需要對艙內空氣中可燃氣體的濃度進行實時檢測，提前削弱可能發生火災的因素。MQ-2傳感器采用以氧化錫（SnO2）為主的氣敏材料，該材料在空氣中的電導率極低，但隨著可燃性氣體濃度的增加，電導率會變高［6］。氧化錫對于可燃氣體濃度的靈敏度是非線性的，因此電導率的變化也是非線性的，且該非線性趨勢隨著氣體濃度的增加而上升。空氣中甲烷（CH4）含量達到5%以上或氫氣（H2）在空氣中的體積濃度達到4%以上就易引發火災，因此可以在非線性特性曲線的前半段選擇一個區間作為警戒區，以提高檢測靈敏度。

運用氧化錫的這些特點，將其對氣體濃度的敏感度轉化為電壓大小的變化，從而獲取艙內可燃性氣體濃度的大小［7］。表1為MQ-2氣體傳感器對幾種物質的濃度探測范圍，其中ppm為體積濃度，表示每立方米的大氣中含有污染物的體積，如1 ppm為1 cm3/m3。可根據此范圍編制對應程序，設計相關監測閾值。

表1 MQ-2探測范圍

MQ-2傳感器共有4個引腳，分別是電源（5V）、數字輸出、模擬輸出和接地端。為了達到比較好的轉化效果，降低檢測誤差。使用此傳感器的模擬輸出端口監測空氣中甲烷的濃度，將模擬端口接入單片機的PA7口。

1.1.2 MQ-135空氣質量傳感器

引發火災的原因很多，可燃氣體濃度過高只是誘發火災的一個因素，不能監測到人為因素（船上吸煙隨意丟棄的煙頭）、電氣設備短路等引發的火災。當火災發生時，空氣中的硫化物和煙霧等有害物質含量劇增，可以使用MQ-135傳感器檢測空氣中此類有害氣體的濃度［8］。艙內火災一旦發生，由于大多數船艙處于封閉和半封閉狀態，該傳感器能夠快速監測到有害氣體濃度的變化，并將該變化立即傳送給STM32單片機進行處理。圖1為該傳感器的靈敏度特性，橫坐標為氣體濃度，變化范圍在10 ppm～1000 ppm；縱坐標為該傳感器的Rs/Ro（電阻比），其中Rs表示傳感器在不同濃度氣體中的電阻值，Ro表示傳感器在100 ppm氨氣（NH3）中的電阻值。

此傳感器價格便宜，測量準確、反應速度快、使用壽命長并且穩定可靠。該傳感器引腳和MQ-2傳感器相似，本次設計使用單片機的PA6口接入此傳感器的模擬量輸出口。

圖1 MQ-135靈敏度特性

1.1.3 DHT-11溫濕度傳感器

河面濕度大，船上的貨物（蔬菜瓜果、干貨等）極易受潮，需要將艙內的溫度和濕度保持在合理的范圍。為了保障船上人員舒適，延長貨物保存時間，需對船舶艙內環境的溫濕度進行監測。本次設計使用DHT-11溫濕度傳感器同時采集船舶艙內環境中的溫度和濕度，其內部由電阻式感濕器件、NTC測溫器件和一塊小型單片機組成，性能參數見表2。

表2 DHT-11傳感器性能參數

該傳感器性價比高，抗干擾能力強，使用數字信號進行輸出。該傳感器有4個引腳，由電源（5 V）端、串行數據、空引腳和接地端組成［6］。使用單片機PB14端口連接傳感器的串行數據，對串行數據進行訪問和分析。

1.2 數據處理裝置

數據處理裝置是系統進行運算分析、數據通信必不可少的核心部件，也是價格最高的裝置。對目前的芯片市場進行調查后，充分考慮到使用成本和實用性的要求，本次設計使用ARM處理器（Advanced RISCMachines）的STM32F103C8T6型號的芯片［9］。

這款芯片性能高、價格和功耗低，而且能夠滿足本次設計的要求，采用圖2所示的基于STM32單片機為核心的集成板進行監測系統的設計開發。

圖2 STM32最小核心系統

圖3 所示為該系統核心的電路圖，該電路圖主要集成有STM32F103C8T6主控制器、Micro USB接口、BOOT（分為0和1兩個管腳，作用是讓芯片復位后從不同區域開始執行程序）選擇、RTC（Real Time Clock）晶振、電源指示燈、主晶振、復位鍵、SWD（Serial Wire Debug）調試接口和PC13指示燈。

圖3 系統核心電路圖

此芯片為32位的處理器，最高能達到72 MHz的主頻。除了具備一般單片機（如Intel 80C51、STC 90C516等）的相關配置以外，還具有51個I/O接口、8個定時器，通信接口豐富。工作環境能在-40℃～105℃下穩定運行。使用ST-Link（意法半導體公司開發的基于STM32單片機的測試工具）調試器對STM32單片機系統進行設計和測試，現在已經更新到了第三代，本次設計使用的是運用成熟的ST-Link/V2對系統進行仿真和調試［10］。在使用的過程中非常方便穩定，單片機系統組成框圖如圖4所示。

圖4 系統組成框圖

1.3 網絡傳輸裝置

與遠洋航行船舶不同的是，在內陸河流行駛的船舶一般在4G/3G/2G的覆蓋范圍之內，甚至在某些地段的河流（如重慶朝天門碼頭、武漢長江航運中心等）能夠使用5G通信［11］。另外，為了方便乘客和船員對網絡的需求，內河船舶大多在船上安裝有WIFI裝置，這方便了網絡傳輸裝置與物聯網云平臺的直接連接，本次設計采用這種無線模式實現對環境檢測裝置的遠程管理。目前市場上WIFI設備非常多，價格不一，如CC3200、MT7681等，綜合考慮成本與性能因素，最終選用ATK-ESP8266作為系統的WIFI網絡傳輸裝置。該裝置價格低廉、性能高、開發環境便利、兼容3 V與5 V的單片機，與主控芯片連接極為方便。此模塊主要是通過串口與STM32進行通訊，模塊內部集成了TCP/IP協議（Transmission Control Protocol/Internet Protocol），能夠完成WIFI模塊和STM32串口通訊之間的信號轉換［12］。支持WIFI STA（WIFI Station）、串口轉AP（Access Point）和WIFI STA＋WIFI AP三種模式。由于主控芯片的電源在設計時預留了多個3.3 V電源接口，所以可以用主控器多余的電源接口為ATK-ESP8266提供電源，中間要加入以線性穩壓器RT9193-33為核心的穩壓模塊，在使用時只需把VCC（電源），GND（接地），TXD（Transmit External Data），RXD（Receive External Data）與主控器的電源、GND、PB11和PB10連接起來。

1.4 其他擴展裝置

總共設計了四個按鍵，其中KEY1鍵為普通按鍵，又是WIFI初始化鍵、喚醒鍵，為高電平觸發，連接到PA0口；KEY2鍵是作為普通的按鍵使用，連接在PB5上，為低電平觸發。KEY3鍵為確認或者翻頁按鍵，低電平有效。KEY4鍵是功能選項鍵，也是WIFI配置鍵。

使用以SSD1306芯片為核心的0.96寸顯示屏，SCK（時鐘信號）和SDA（數據信號）分別連接單片機的PB12和PB13口。

報警器使用的是S8550三極管來驅動的蜂鳴器，工作電壓在3.3 V～5 V，報警聲能達到70 dB～80 dB。當溫濕度等值超過預設值，STM32會向PA3輸入低電平信號，即該模塊的I/O口呈低電平，蜂鳴器就會長鳴報警。

系統硬件的設計思路如圖5所示：主控制器STM32F103C8采集溫濕度和煙霧濃度等數據，然后與設計閾值對比判斷，將結果在LCD液晶顯示器上顯示出來，并通過WIFI上傳至物聯網平臺。一旦CPU檢測到低于設定值的參數，蜂鳴器就會發出報警。用戶可通過物聯網官網下載手機端物聯網應用，監測各傳感器數值。

圖5 系統結構框圖

2 軟件系統設計

2.1 系統軟件設計流程

整個系統的軟件設計流程如圖6所示，首先對系統各個硬件資源分配和初始化（如頻率、定時器、系統引腳和模擬轉換等）；然后把得到的溫濕度值、易燃氣體和有害氣體濃度值經對應引腳上傳單片機，單片機將各種傳感器檢測的數值作為判斷的條件進行判斷，超出設計值就改變蜂鳴器引腳狀態，否則返回繼續監測；將不斷檢測的數據（包括異常值）通過UART（異步串行全雙工）通信串口與WIFI模塊通信。WIFI模塊先與艙內的WIFI網絡連接，再與物聯網云平臺進行連接，并在終端上實時顯示艙內環境狀況和異常狀態。

2.2 外設軟件設置

由于MQ-7和MQ-135的引腳輸出信號為模擬量信號，所以軟件部分要用到STM32的ADC功能（模數轉換

圖6 系統軟件設計流程圖

功能）［10］。STM32F103C8T6單片機內有3個ADC功能，本次設計采用ADC1進行資源的配置和處理。為了對傳感器的數據進行采樣、量化和編碼，首先要對ADC進行系統初始化，ADC使能和校準等操作。ADC的參數設置主要有：ADC的工作模式、通道模式、轉換模式、數據對齊方式和通道數目等。在編寫ADC設置時，進行連續轉換模式設置，數據左對齊，軟件觸發，獨立模式，1個通道數，掃描模式設置，使能指定ADC外設，使能復位校準，等待復位校準結束，開啟A/D校準，等待A/D校準結束，最后進行通道采樣值、通道地址獲取等設置。在軟件編寫過程中，為了方便開發和理清邏輯關系，大量使用庫函數對程序進行開發。

DHT-11的DATA接口和單片機進行串行通訊，為單總線數據格式，通訊一次時間大約4 ms。傳輸一次的數據為40 bit，從高位到低位依次為：濕度整數8位、濕度小數8位、溫度整數8位、溫度小數8位和校驗碼8位。根據DHT-11數據手冊中的時序圖可知，通信流程為：主機發送開始數據，在收到答復后主機拉高信號線，再一次性接收40位的數據［13］。在程序設計時，根據此傳感器發送數據的形式，需要按傳感器等待信號處理的時間進行程序設計。

顯示屏采用IIC通信（Inter-Integrated Circuit BUS），這種通信必須在發送或者接收數據前，識別到IIC總線上的從地址。設備必須回復從地址，以一個字節的大小通過從地址位（SA0位）并且配置讀寫選擇位（R/W位）。IIC總線上的信息傳送是根據SCL系統（System Clock Line）的時鐘信號，在單獨的一個SCL時鐘周期內發送一次數據位［14］。具體設置根據SSD1306顯示屏的使用手冊，配合編碼器對本次設計使用到的漢字進行編碼錄入。

報警器采用有源蜂鳴器模塊，內部帶有震蕩源，在軟件設計時采用PWM（脈寬調制）控制技術，通過使用2 kHz～5 kHz的方波，讓報警器發出4種不同節奏的聲音，通過聲音的快慢和尖銳度表示超過設計閥值的大小。

2.3 物聯網云平臺

設備連接網絡需要使用ATK-ESP8266模塊建立通訊，在配置通訊功能時，難度較大。而使用機智云物聯網開發平臺時，GA gent固件自動兼容ATK-ESP8266模塊，GA gent是一款能夠提供手機和云端到設備的應用程序，進行簡單的操作就能實現入網配置、發現WIFI、綁定設備等功能［15］。GA gent在實際使用過程中，只需要專注于對設備的運行邏輯進行開發，功能十分強大，在云平臺下載固件，提取其中的通訊代碼，將代碼進行配置后運用對應的燒錄工具移植到模塊中，即可完成配置入網。

系統設備可通過Air Link和Soft AP兩種接入模式進行聯網，第一種模式主要是接收特定編碼，在手機連接WIFI以后，通過手機APP與編碼進行校正，自動完成設備與手機連接；第二種模式相當于熱點，手機可以直接與設備連接。以上兩種模式可以通過調用giz wits Set Mode（）配置接口函數實現，此函數還能配置WIFI設備復位。

還需要對設備進行下行處理（處理云平臺或者手機APP發送過來的控制命令）和上行處理（主要是上報設備狀態），相關函數的調用和使用方法見表3和表4。

表3 下行調用函數說明

表4 上行調用函數說明

在下行處理階段，需處理控制事件的相關代碼，在giz wits Event Process（）函數中。除了用戶的事件，還有關于WIFI模塊連接狀態的事件、NTP（Network Time Protocol）網絡時間獲取事件。

在user Handle（）函數庫中，有上報用戶設備狀態的相關代碼，使用該函數可以完成用戶區上報型數據的處理。

在用戶創建數據點時，此函數可保存設備的當前狀態值，并將獲取到的狀態值賦值到狀態結構體中，供用戶區的設備進行調用。賦值完的數據通過giz wits Handle（）上報到云端，不需要關注變化上報和定時上報。

在對相關函數進行調用和配置后，在云平臺的開發者中心選擇MCU（Microcontroller Unit）開發，輸入產品密匙，即可下載生成的代碼，將代碼移植到Keil uVsion5 MDK（一款使用C語言對單片機進行軟件開發的系統）中，即可完成代碼的相關配置。

表5 數據點設置

使用物聯網云平臺建立好數據點后，啟動虛擬設備，如圖7所示，對云平臺上虛擬設備的通信進行在線調試和修改。在軟件設計時，使物聯網平臺每200 ms與檢測系統進行數據交流。在不斷更新數據值的同時判斷是否存在環境異常量，若存在異常量，則會使手機振動0.2 s，提醒使用者檢查船艙內是否存在異常。

對終端界面進行調試見表5，需要對本次設計的數據點進行參數設置，包括數據類型，數據的范圍及對應的分辨率。

3 實驗結果與分析

3.1 系統測試

將系統的軟件程序用UVsion5軟件編譯，使用STLink/V2仿真器將程序下載到STM32芯片中［16］。

圖7 機智云服務器數據點設置

設備上電后，觀察設備是否能正常工作，軟件的各項功能能否正常運行，對設備不斷調試并分析誤差，圖8所示為船艙環境在線監測系統實物圖。

圖8 船艙環境在線監測系統

在手機下載智能云APP，打開手機WIFI連接路由器，打開手機APP，跳過登錄界面，在“我的設備中”點擊右上角的“＋”號，點擊一鍵配置，輸入WIFI密碼，選擇“樂鑫8266模組”。同時將檢測系統上電，長按KEY4鍵進入WIFI配置。手機點擊確定并同意，此時設備和手機會自動連接，連接好以后輸入WIFI密碼，設備會自動和智能云平臺連接，待手機進入監測界面，則表明手機和設備已經通過云平臺連接。

圖9所示為手機APP上面的監測面板，此面板第一欄是監測異常的參數值數量，第二欄至第五欄為環境參數值，底端顯示的“FFFFFFFFF：true”表示設備報警，在正常環境下不會出現這個提示。

圖9 機智云APP監測面板

對設備功能進行測試：對按鍵1～4進行測試，將設備模式改為“Mode 1”，按鍵1、2為增大/減小閾值，按鍵3翻頁，按鍵4功能選擇；將設備模式改為“Mode 0”進入自動模式，在系統初始閾值下，使用香煙的煙霧對空氣質量傳感器進行測試，使用酒精燈測試溫濕度傳感器，使用甲烷氣罐檢測氣體傳感器，觀察顯示屏對應傳感器溫濕度和煙霧強度等數值的變化，低于預設值是否會使蜂鳴器發出報警。在做以上操的同時觀察手機APP監測界面是否和顯示屏數值保持一致。

根據當前實驗測試環境，測試參數閥值已給出，其中可燃氣體濃度值設置為檢測中烷的探測濃度值。因此把溫度報警值設為45℃，濕度值設為80%RH，煙霧濃度值設置為600 ppm，可燃氣體濃度值設置為10 000 ppm。當超過設計值時，觀察到報警器在0.5 s內會發出報警，手機會在1 s內振動提醒；當參數低于設計值時，報警器在1 s內停止報警。在經過上百次測試后，報警器的響應時間為0.5 s，手機震動報警提醒的時間為1.2 s。不超過設計值不報警，監測準確度很高。

經過以上測試，設備能夠滿足要求，穩定運行。

3.2 誤差分析

在設備的使用過程中，存在以下狀況：各傳感器正常工作時，從外部環境發生改變到屏幕顯示數值的改變，期間存在0.4 s左右的延遲。這種現象主要是程序不夠精確，另外設備接收、轉換、處理數據均需要一定的時間；顯示屏的數值變化和手機監測界面存在1 s左右的延遲，這種現象主要是由設備與物聯網平臺、物聯網平臺與手機終端存在的正常的網絡波動造成的。

對本系統的溫度傳感器和空氣質量傳感器的反應時間進行測試，在反復測試后發現：傳感器在啟動以后需要經過1 min的時間預熱，其測量誤差才會在規定的范圍之內。溫度突然改變超過5℃，煙霧濃度突然改變超過100 ppm時，傳感器需要10 s的響應時間才能到達準確值。在溫度連續改變0.2℃，煙霧濃度連續改變10 ppm時，傳感器的響應時間只需要5 s左右。在發生火災時，傳感器的反應時間不會超過15 s，能夠很快的進行報警。

在對檢測系統使用的過程中，設備延遲方面不會過大的影響設備功能的實現，隨著5G網絡的不斷推進，網絡延遲時間將會得到顯著的減少。

使用簡單高效的STM32芯片，配合適用于在船上運行的傳感器外設，利用物聯網通信平臺，實現了用戶與物聯網、物聯網與單片機、單片機與傳感器之間的交互。用戶使用手機/電腦通過WIFI或者5G/4G/3G/2G網絡通信手段，能非常方便的實時查看艙內環境的狀況，在環境異常時，終端立刻報警，用戶迅速采取有效措施，能夠最大程度地減少財產損失，保障船上人員生命安全。

為了提高監測的精確度，可以在船艙入口處、中部和出口處等多處安裝檢測系統。設計實現了船艙環境監測的部分功能，只占用了單片機的一部分引腳和資源，基于此還可以開發出一些擴展功能（如船艙防盜門鎖、船艙智能燈等）。在通信方面還可以運用局域網或ZigBee（一種新興的短距、低速、低耗的無線網上協議）通訊等技術［17］。本次設計的系統成本低、效果好，滿足了船員對內河船舶船艙環境監測、報警的需求，保證了設計系統的實時性和兼容性，為內河船舶的智能船舶發展開闊了思路。