氣密空間多環境信息智能監測系統

金立艷 齊永宏 趙明輝 韋學勇

摘要：為滿足氣密空間內環境信息實時監測與存儲的需求，該文設計一款基于 STM32的多環境參數監測系統。該系統具有實時數據采集、數據存儲、歷史數據查詢及報警閾值等功能。其中報警閾值功能可有效保證系統及時提供報警信息，方便監測氣密空間內環境。系統由參數采集模塊與人機交互模塊構成，模塊之間通過 RS232接口實現參數設定、實時數據顯示及歷史數據查詢顯示功能。試驗結果表明該環境監測儀在12 h 內與標準傳感器對氣密空間內環境信息的采集數據呈現良好的一致性，其數值波動皆處于設置的閾值以內。該文設計的環境監測系統對氣密空間內環境監測具有良好的實用性和可靠性，具有廣闊的應用前景。

關鍵詞： STM32控制器;氣密空間;環境監測;人機交互

中圖分類號： TP274文獻標志碼： A文章編號：1674–5124（2021）12–0131–05

Multi-environmental information intelligent monitoring system for airtight space

JIN Liyan1，QI Yonghong2，ZHAO Minghui2，WEI Xueyong2

（1. Nanjing Vocational Institute of Transport Technology， Nanjing 211188， China;2. School of MechanicalEngineering， Xian Jiaotong University， Xian 710049， China）

Abstract： To meet the requirements of real-time collection and storage of environmental information in airtight spaces， this paper designs a multi-environment parameter monitoring system based on the STM32 controller. The system has the functions of real-time collection and storage of information， historical information query， and alarm threshold. The alarm threshold function can effectively ensure that the system provides timely alarm information to facilitate the monitor of the environment in the airtight space. The system is composed of an acquisition module and a human-computer interaction module. The modules communicate through the RS232 interfacetoachieveparametersetting，real-timedatadisplay，andhistoricalquerydisplayfunctions. The experiment suggests that the environmental monitoring instrument has a good consistency with the standard sensor in thecollectionof environmental information in theairtightspace within 12 h，and its numerical fluctuationsarewithinthesetthreshold. Theenvironmentalmonitordesignedinthispaperhasgood practicability and reliability for environmental monitoring in airtight spaces and has a wide range of application prospects.

Keywords： STM32 controller; airtight space; environmental monitoring; human-computer interaction

0引言

穩定的密閉環境是保障眾多產品測試順利進行的重要實驗基礎。實驗過程中，內部環境往往會受外部環境和儀器自身氣密性的影響，從而使內部環境與預期實驗條件不符。當環境誤差超過預定閾值時就會對試驗產品的性能及實驗結果產生不容忽視的影響。

通常，溫濕度、顆粒物濃度、大氣壓強、氧氣濃度等是氣密實驗空間內的重要環境信息，對以上信息進行精準、實時監測對穩定實驗環境，確保測試結果的準確性具有重要意義[1-3]。鑒于環境質量監測的重要性，研究者設計了多種類型的環境檢測儀對空間環境信息進行監測。張寶[4]等以51單片機為核心，結合多種傳感器對室內的環境參數進行監測。邵延華[5]等使用 GPRS 將數據發送到云服務器進行存儲，提高了環境監測工作的靈活性，有效解決了環境監測站只能針對固定地點進行監測的問題。莫康信[6]等設計了一種基于 ZigBee 技術的環境數據采集監控系統，實現了光伏電站環境參數的實時監測。嚴學陽[7]等設計了一種基于 STM32的手持環境監測系統，功耗低、攜帶方便，具有廣闊應用前景。姚世平[8]等發明了一種智能環境監測儀，結合先進的數據校正算法和標準的校正設備，能夠對10個環境監測項目進行精準測量。

目前，市場上也具有各種環境監測儀，但其一般采用外部有線供電的方式，其功耗大且功能單一，難以滿足氣密實驗環境中特定參數長時間監測的需求。例如江蘇吉華電子科技有限公司生產的 JH- KQ 型微型環境空氣質量監控系統主要針對室外空氣中的顆粒物進行監測而不能對氧濃度、壓強等參數進行監測。深圳博云創環境科技有限公司生產的 BYS700-GXX 型環境檢測儀主要針對室外 CO、 O3、PM2.5等參數進行測量，而不能對氧濃度、壓強等參數進行監測。四零易聯（蘇州）智能科技有限公司設計了一種智能環境監測儀，主要測量室外的溫濕度、噪音和煙霧等參數，并且體積大、功耗高[9]。

雖然目前已經具有多種環境信息監測的解決方案，但都主要應用于室外或者開放室內的環境信息監測，而不適用于氣密實驗空間環境信息的監測。同時，雖然每種解決方案都具有同時監測多種環境信息的功能，但還沒有一種解決方案能同時監測空氣的溫度、濕度、氣壓、氧氣濃度和 PM2.5濃度參數，因此不能很好地應用于氣密實驗空間內的環境信息監測。因此需要設計出一種適用于氣密實驗空間環境監測同時又滿足氣密試驗空間環境信息監測需求的系統。

針對以上需求，本文設計了一種基于 STM32單片機的低功耗智能多環境參數監測存儲系統。該系統以氣密實驗空間環境的溫度、濕度、氣壓、氧氣濃度和 PM2.5濃度作為主要的測量參數。該系統不但能夠實時通過顯示屏顯示各環境參數變化信息，還能將測量的數據保存至 SD 卡，用戶可以通過顯示屏操作來查詢氣密空間環境變化的歷史信息。測試結果表明，該環境監測系統性能可靠，滿足氣密空間環境的監測需求，具有廣闊的應用前景。

1系統總體設計

本環境監測系統由采集模塊和交互模塊兩部分組成。采集模塊是基于 STM32單片機開發的數據采集模塊，該模塊能夠根據系統設定的采樣頻率實時采集多路環境參數，同時將數據通過接口傳輸給交互模塊;交互模塊同樣是基于STM32單片機開發的人機交互單元，使用電容式觸摸顯示屏、SD 卡等外設，實現了參數設置、開關控制、數據顯示、數據存儲和歷史數據的曲線圖顯示等功能。此外環境監測系統還具有兩路 RS232接口，一路用于實現人機交互模塊與采集模塊之間的通信，另外一路預留（后續可供其他控制單元作為采集端使用，可實現氣密空間內部環境的閉環控制）[10]。

2硬件設計

本系統的控制單元采用基于 ARM Cortex-M3內核144引腳的 STM32F103ZET6單片機。該款芯片具有3路串行外設接口（SPI），5路通用異步收發傳輸器（USART）和2路二線制同步串行總線（IIC）等硬件接口，且外設豐富，Flash 容量較大，可以滿足監測系統中采集單元控制和通信的需求。硬件總體設計結構框圖如圖1所示。

環境監測系統的具體工作步驟為：

1）通過溫度傳感器、濕度傳感器、氣壓傳感器、氧氣濃度傳感器和 PM2.5濃度傳感器實時采集氣密空間內的環境信息，并將信息傳輸至處理器進行數據濾波和校正處理。

2）采集模塊通過 RS232接口將處理后的環境信息傳輸至交互模塊。

3）交互模塊通過觸摸屏設定監測儀對各環境參數的報警觸發閾值。當采集到的環境數值信息超過用戶設定的閾值后系統會通過蜂鳴器發出報警提示音。用戶可以通過按鍵關閉報警與顯示功能以降低系統功耗。

4）交互模塊接收數據并進行校驗，校驗無誤后將數據在觸摸屏上顯示并存儲至本地的 SD 卡。隨后將數據與用戶設定的閾值進行比較以確認氣密空間內部環境是否正常。

交互模塊與采集模塊的實物圖如圖2所示。

2.1采集模塊硬件設計

該模塊主要由 STM32F103ZET6單片機、溫濕度傳感器 SHT35、氣壓傳感器 MS8607、氧氣傳感器 ZE03-O2、PM2.5傳感器 SPS30、RS232信號轉換電路和電源調理電路組成[11]。本文所使用的傳感器性能指標如表1所示。

2.2交互模塊硬件設計

該模塊主要由 STM32單片機、觸摸屏控制電路、氣壓傳感器 MS8607、SD 卡存儲電路、RS232信號轉換電路、電源調理電路和采集模塊電源控制電路組成[12]。

由于采集模塊驅動的通風風機功耗較大且主控制器的 IO 輸出端口驅動能力不足，本文設計了采集模塊電源控制電路作為采集模塊與交互模塊的中間控制與隔離環節，如圖3所示。該電路能有效控制并消除采集模塊功率變化導致整體電路供電不穩定的影響。

3軟件設計

系統的軟件設計主要包括兩個部分。一部分是采集模塊軟件：主要用于實現各種環境信息采集、數據處理及信息上傳等功能;另一部分是交互模塊軟件：主要用于實現環境信息接收、數據校驗、數據存儲、歷史波形顯示、閾值判斷及人機交互等功能。

3.1采集模塊軟件設計

該軟件的主要功能是接收交互模塊命令并執行相應的采集操作，采集完成后依據系統默認的標定參數對數據進行校正處理，隨后數據以約定格式封裝為一幀并通過 RS232接口上傳至交互模塊。采集模塊軟件設計的主程序流程圖如圖4所示。

3.2交互模塊軟件設計

該部分軟件主要分為主函數采集程序、數據存儲程序、用戶設置程序和數據導出程序。在系統運行前首先要設置好溫度、濕度、氣壓、氧氣濃度及 PM2.5濃度的參數（上限閾值、下限閾值），這些參數是氣密環境是否達到所設標準的判斷依據。在氣密空間充氣的過程中用戶需要實時監測內部環境參數的變化來反饋充氣過程，這需要將系統設置為快速采樣。交互模塊軟件設計的主程序流程圖如圖5所示。

考慮到人性化理念，該模塊將觸摸顯示屏作為人機交互接口，使環境監測系統的功能更加靈活化、高效化。此處主要設計了如圖6所示的4種友好窗口。歷史數據界面主要記錄一天內環境數據的變化， SD 卡中存儲著開機以來的歷史數據，在記錄周期為1 h 的情況下 SD 卡最多可存儲連續1年的數據。

4試驗驗證

為了對比本文設計的環境監測系統與標準傳感器之間的性能差異，需要對環境監測系統和標準傳感器進行相同條件下的對比試驗。

4.1試驗驗證平臺和試驗過程

對比試驗采用如圖7所示的柔性罐體包裝箱作為被測氣密空間，將環境監測系統的采集模塊與標準傳感器（高精度測量儀表）固定在被測氣密環境內的相同部位，將環境監測系統的交互模塊安裝在罐體底部。使用柔性罐體可能與實際的氣密空間有所區別，例如在溫濕度、氣壓的穩定性等方面。我們此次的試驗目的是為了對比環境監測系統與標準傳感器的性能差異，不是對比柔性罐體與氣密空間的差異。當柔性罐體的溫濕度、氣壓環境信息發生變化時，環境監測系統和標準傳感器的輸出值均會產生相同趨勢的變化。因此，柔性罐體與氣密空間之間的環境信息差異不會對試驗結果產生影響。

通過交互模塊設定系統的閾值參數，設定完成后采集模塊采集內部環境數據并通過 RS232接口將數據傳輸至交互模塊進行顯示和存儲。

選擇2020年6月20日作為起始測量試驗點，60 min 作為一個采集存儲周期，使監測儀連續運行12 h。

4.2試驗數據分析

環境監測系統的采集數據和罐體標準傳感器的采集數據對比如圖8所示。

環境監測儀與標準傳感器對濕度和 PM2.5的采集數據折線圖如圖8（a）（左側軸為濕度坐標軸，右側軸為 PM2.5坐標軸）所示，可以看到在12 h 以內，環境監測儀與標準傳感器的采集數據呈現良好的一致性。圖8（b）展示了兩種儀器對溫度以及氧濃度的對比分析，可以看到兩種儀器對溫度的采集數據呈現良好的一致性，對氧濃度參數具有0.4%的最大誤差。當氧濃度誤差閾值設定為0.5%時，該誤差可以被忽略。環境監測儀與標準傳感器對壓強的采集數據折線圖如圖8（c）所示，兩種儀器采集的最大壓強誤差為300 Pa，該誤差在壓強誤差閾值為500 Pa 時可以被忽略。

通過以上兩組數據對比可以看到在12 h 內，環境監測儀與標準傳感器對溫度、濕度以及 PM2.5的采集數據呈現良好的一致性，其數值波動都處于設置的閾值以內。因此本文設計的環境監測系統達到了預期的目標，滿足氣密空間環境的監測需求。

5 結束語

本文設計了一種用于氣密空間中多環境參數信息智能監測的環境監測儀，該儀器結構簡單、功耗低、成本低、實用性強。環境檢測儀可通過人機交互模塊進行系統參數配置，實時采集并存儲數據，同時將數據以折線圖的形式顯示環境參數的變化趨勢。試驗結果表明該環境監測儀與標準傳感器對環境信息的采集值呈現良好的一致性，兩者的數值波動皆處于設置的閾值以內。本文設計的多參數環境存儲監測儀可有效監測并記錄氣密空間內部環境的變化，為工程人員分析、優化氣密試驗環境提供可靠的依據，具有非常廣泛的應用價值。

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（編輯：譚玉龍）