智能溫控系統設計

文柳

（遵義市產品質量檢驗檢測院，中國遵義，563000）

0 前言

智能溫控系統，使現代化電子技術、嵌入式系統及傳感器技術相結合的綜合產物。在具體的存儲環境中，智能化、綜合化的信息處理正在逐漸取代人工參與的工作量。一方面能夠減小工作量，另一方面也能通過較為完整的采集、處理控制的嵌入式系統實現任務。同樣地，定制化的溫控系統能夠應對各類的環境。通過單片機作為核心控制器，對環境的采集、控制能夠進行多樣化，精細化的把控。

隨著人們對于室內存儲環境要求的不斷提高，系統的自動化、智能化一方面展現了當下發展的方向，同時也代表了社會的技術創造性突飛猛進。

單片微控制器，又稱單片機。是集成電路芯片較為典型的一種類型。可以構成搭載多種外設的功能性系統。并且體積小，功能強。隨著技術的不斷發展，單片機的功能會變得更強，價格更低。這就為它廣闊的應用前景打下了堅實的基礎。而智能家居、智能溫控類系統通過微電子技術、傳感器技術、嵌入式技術等，利用傳感器獲得外界環境信息。并通過單片機對多個環境數據數據進行處理，控制對應的外部設備來調整外部環境或者發送信息等。

1 系統總體方案

本系統由硬件軟件兩個部分組成：硬件結構是嵌入式系統的基礎和運行平臺，通過該平臺為系統的運行提供物理支持與通信接口，主要包括嵌入式處理器芯片和外圍設備。本系統包含采集模塊和功能性驅動模塊。其中溫濕度傳感器、光照強度傳感器為；觸摸屏、藍牙模塊、步進電機、PWM、存儲模塊為功能性模塊。

軟件是系統運行的核心部分，性能越強大的處理器越需要軟件進行資源的合理分配調度。系統總體框圖如圖1。

圖1 系統總體設計框圖

2 硬件設計

本系統選用STM32F103ZET6作為核心處理器，這是基于ARM Cortex-M3系列的處理器，其中包含512K字節的FLASH容量，并且包含豐富的資源；GPIO、定時器、串口、USB、ADC、FSMC接口、硬件IIC、硬件SPI等。STM32如圖2。

圖2 STM32微處理器

系統最小系統包括復位電路、晶振電路、調試下載接口電路、微處理芯片。對于STM32來說，還需要啟動選擇電路這一部分。復位電路與時鐘電路如圖3、圖4。

圖3 復位電路

圖4 時鐘電路

值得注意的是，BOOT選擇電路的BOOT0，BOOT1電平狀態的不同決定了芯片在復位完成后從哪個區域進行執行，且第一種方法使最為常見的使用方法。BOOT選擇電路如圖5。

圖5 BOOT選擇電路

溫濕度傳感器具備了數字模塊采集和溫濕度兩種信號獲取技術，能夠同時進行溫濕度信號檢測并進行輸出。

溫濕度傳感器如圖6。

圖6 溫濕度傳感器

能夠滿足0-50℃的溫度測量以及20%-90%的濕度測量。基本包括系統運行的各類環境條件。

光照采集一種兩線式串行總線接口的集成電路，可以根據收集的光線強度數據來進行環境監測，其具有高分辨率，可支持較大范圍的光照強度變化。

電容式觸摸屏，它支持多點觸摸，能夠很好地滿足游戲，電影、辦公等人機交互的應用。對于工作環境相對惡劣的工業控制來說并不適用。而電阻式觸摸屏則沒有這些限制，因此在工業控制領域的輸入操作設備中占有絕對優勢。本系統涉及的人機交互很大一部分就是通過單片機驅動實現。模塊接口如圖7。

圖7 模塊接口圖

電阻觸摸屏的屏體部分是一塊多層復合薄膜,由一層玻璃或有機玻璃作為基層,表面涂有一層透明的導電層,上面再蓋有一層外表面經過硬化處理、光滑防刮的塑料層。當外力使兩層ITO接觸時，電阻就會發生變化。控制器通過這個變化的電阻的變化情況來判斷觸碰點的坐標。

3 軟件設計

本系統通過STM32F103ZET6為硬件基礎，結合各類采集模塊、功能模塊以及觸摸屏模塊為硬件基礎，并結合FREERTOS進行應用層任務的調度，以此實現智能溫控系統的基本任務。軟件設計應滿足低耦合高內聚的定性標準。基于這種要求，采用-重精簡、高效、低成本的嵌入式實時操作系統就顯得非常重要。軟件任務框架如表1。

表1 任務軟件框架圖

因為該系統涉及操作系統，則對于軟件構成來說，對于軟件層次的劃分與使用就顯得格外重要。對于系統的穩定運行來說系統層和應用服務層來說是格外重要的。硬件層是通過各類元器件外設的數據手冊編寫的驅動代碼。

應用層是實現需求的軟件部分，是由多個包含任務句柄、優先級、堆棧、功能函數等部分的任務組成。可以根據需求實現對應的任務。并且多個任務之間可以通過隊列、信號量、事件標志組、任務通知進行通信。

本系統將整個代碼劃分為三個部分：初始化部分、FREERTOS部分、應用任務部分。

初始化部分首先初始化使用到的外設，并分配應用層各個任務的優先級、堆棧。并通過開始任務創建各個應用任務。

本系統的存儲記錄設計使用的存儲芯片通過協議進行通信。存儲芯片空間較大，因此寫入以扇區為操作單位，并需要在寫入前對該扇區進行擦除操作。發送時以字節為最基本的單位。

首先初始化用于校準存儲地址的i，并讀取溫濕度、光照強度的數值。并將數據依次發送，直到扇區寫入完畢重新從地址開始寫入。并將數據通過串口連接的藍牙之間進行通信，并通過連接到電腦的藍牙將數據顯示到串口上位機中。

報警任務優先級較高，為了確保出現溫濕度、光照強度異常時能夠及時響應。主要通過聲光報警來進行預警。

4 總結與展望

本系統從硬件的選型、系統架構的設計以及軟件的控制方式等基本角度出發，通過參考學習大量相關文獻，實現了基于FREERTOS的智能溫控系統的嵌入式方案，并且本系統在實現功能的同時也保證了一定的可靠性以及定制化的功能。該系統能夠在保障穩定性的同時降低成本，在一定程度上提高了系統的靈活性。

在具體的實現過程中，由于時間和能力有限，在硬件方面考慮并不周全，對于軟件部分的實現也并不是十分順利，多次出現了邏輯導致的BUG。浪費了大量的時間，導致未能按照周進度的預期實現系統的功能開發。盡管最終實現了基本的功能要求，但在操作系統的使用上并不夠深度，沒能在本次設計中充分體現出使用操作系統的優勢。同時，測量的參數也十分有限，沒能從多個角度去分析系統。本系統還可以加入遠程的訪問、APP的對接、語音模塊、能耗分析等。從而實現真正意義上的“智能”。