基于ARM的船舶新風控制系統設計與實現

田炳麗 姚梓豪 李 超

（1.青島海軍潛艇學院作戰指揮系，山東青島 266071；2.哈爾濱工程大學青島創新發展基地，山東青島 266071；3.自然資源部第一海洋研究所海洋與氣候研究中心，山東青島 266071）

0 引言

船舶的正常驅動需要足夠的空氣供給，船舶的柴油機、鍋爐等燃燒設備的燃燒，機艙環境的冷卻等都依賴于足量空氣的供給及其所產生的空氣流[1]。目前，船舶新風系統主要采用常規的機械通風、機械結合循環冷卻裝置通風、射流通風這三種方式，這三種通風方式各有其特點，不同船舶應根據實際情況并結合自身需求采用不同方式[2]。我國新風系統的發展尚處于初級階段，本文根據實際需求，設計了一套基于ARM、多參數新風傳感器、風機和無線傳輸模塊的船舶新風控制系統[3-4]，新風傳感器的參數可通過無線傳輸模塊從單片機傳輸到手機App上，通過單片機和手機App界面手動或自動控制風機，實現室內環境的遠程監控。

1 新風系統總體設計

1.1 總體方案設計

結合傳統新風系統以及現代智能工業的特點，基于新風系統智能化、自動化、網絡化要求，本文設計的新風控制系統包括新風傳感器、風機、無線模塊等。通過新風傳感器采集空氣質量的相關數據，送入單片機進行數據分析及處理，其中新風傳感器采集到的數據主要有溫度、濕度、二氧化碳濃度等。單片機外接DTU模塊，處理完新風傳感器數據后送入無線模塊。無線模塊內部安裝手機SIM卡進行聯網，將新風傳感器數據送入Internet，可以和其他手機App通信，手機App可以實時顯示空氣質量數據，并可以手動發送指令來控制風扇的啟動和關閉，以此來實現室內環境的遠程監控。

1.2 硬件設計

整個系統硬件主要包括控制模塊、數據采集模塊、無線通信模塊、風機，系統總體框架如圖1所示。

1.2.1 控制器芯片的選擇

控制器的芯片要根據整個系統的功能要求選取，實現人機交互、實時監控的功能，還要負責指令接收和數據處理，實現與服務器的通信。本設計采用STM32F103ZET6芯片，它具有72 MHz CPU，閃存高達1 MB。控制器的接口包含電動機控制外圍設備以及CAN、USB全速接口。STM32系列的ARM Cortex-M3具有32位閃存，微控制器工作時不僅具有低功率、低電壓的優點，而且實時性能極佳，可以實現數據高速更新傳送。

在本設計中，芯片接收傳感器數據并進行處理，芯片的串口通過無線模塊與服務器進行通信，實時傳輸空氣質量數據，同時接收服務器傳輸的指令并根據指令控制風機。

1.2.2 傳感器的選擇

采用多合一空氣質量傳感器模組SNL-AIRC05。該傳感器模組可以采集空氣中二氧化碳濃度、甲醛、TVOC、PM2.5/PM1/PM10顆粒物、溫度、濕度8種空氣質量參數，測量精準，更新快速，為室內環境調溫、調濕、通風及凈化提供決策數據。該傳感器測量精度、誤差及范圍如表1所示。

表1 傳感器性能參數

1.2.3 無線模塊的選擇

采用正點原子開發的一款高性能全網通4G DTU產品——ATK-M751，它以高速率、低延遲和無線數傳為核心功能，可快速實現應用場景下的無線傳輸方案，保證了實時監控功能的實現。它支持TCP、UDP、HTTP等多種協議，支持連接多種云服務器（如原子云、阿里云、百度云和OneNET），支持TCP/UDP/HTTP/MQTT數據透傳，支持USB無線網卡，支持自動定時采集任務，支持自定義心跳包和注冊包數據，支持上位機/AT指令/短信/透傳等指令配置參數，并且支持RS232和RS485兩種串行接口，可以廣泛用于無線數傳、智能家居等諸多領域。

1.2.4 驅動模塊的選擇

在本設計中，為簡化接線，減少控制器的引腳占用，降低電路設計成本，采用PWM調節電子開關控制板，即大功率MOS管模塊。該模塊是電子開關控制板，采用雙MOS并聯有源輸出，內阻更低、電流更大，功率穩定，滿足本設計中風機設備的使用；寬電壓、完美支持PWM，只需控制器的一個引腳提供高低電平信號，就可實現風機的開關功能。

1.3 云服務器

本設計采用原子云服務器，根據對數據庫的讀寫功能來對控制器的輸出控制進行設計和實現，同時根據五合一新風傳感器的通信協議設計控制器的數據分析處理功能和傳感器驅動功能。最后根據控制器的輸出控制來配置手機App，這樣就能夠實現實時監控環境空氣質量各參數的功能。

2 系統的軟件設計

新風系統監控功能的實現離不開相關軟件的支持，本設計中軟件的總體方案包括數據分析及處理，App界面設計，以實現遠程在手機或電腦上查看各種空氣質量參數和控制風機運轉的功能。系統軟件功能圖如圖2所示。

圖2 系統軟件功能圖

系統的軟件設計即根據設計要求對控制器、手機App軟件功能的設計。中央控制器分為主函數、驅動函數、數據處理及顯示函數。主函數與數據顯示函數能夠實現控制器的實時監控功能，主函數與數據處理函數實現傳感器控制字和空氣質量數據的發送以及空氣參數和控制指令的接收。通過App界面（圖3）可以查看相應的空氣質量參數，也可以發送指令。

圖3 手機App圖

2.1 控制器的軟件設計

控制器程序是保證系統有效運行的主要部分，既要能夠實現數據采集接收以及轉發，還要能夠對數據進行分析處理，控制風機運轉。

2.1.1 主函數

以控制系統的要求作為根據，控制器的主程序主要由初始化、串口3云平臺數據收發、串口2傳感器數據讀取、輸出控制、數據處理等函數構成。

新風傳感器的數據由手機App界面顯示，串口2完成傳感器數據采集任務，串口3完成遠程通信功能，包括數據收發、傳感器數據更新、控制指令更新，更新后的數據可以在手機App上顯示，同時完成云數據更新。主函數流程圖如圖4所示。

圖4 主函數流程圖

2.1.2 數據收發函數

數據收發函數分為兩部分，分別為串口2傳感器數據收發函數和串口3的4G DTU遠程數據收發函數。本設計采用中斷接收方式接收數據，在初始化過程中對中斷標志位進行初始化，為簡化程序，在中斷回調函數中對兩個串口進行設置，其中接收服務器風機控制指令的優先級比傳感器接收數據的優先級高，優先處理風機控制指令后再處理傳感器數據。數據收發函數流程圖如圖5所示。

圖5 數據收發函數流程圖

2.1.3 顯示函數

由于ATK-M751具有RS232和RS485接口，故可當作普通串口使用，要發送具體格式給手機App只需要在云平臺內的數據接收中顯示正確格式即可。考慮到傳感器數據存在緩沖區，同時顯示過程中名稱以及變量名變化，基于數據的靈活性，可在STM32編程軟件中對串口3重新定義printf函數，使其能夠靈活顯示各空氣質量參數，在保證數據顯示靈活性的同時又可以簡化編程。

2.1.4 驅動函數

本設計中所采用的風機驅動模塊為雙MOS開關驅動模塊，只需供電和一個開關或PWM信號即可啟動風機運行。控制模式由控制信號決定，若只需要控制風機的啟動與停止，則只需控制器的一個引腳提供高低電平作為開關信號；若需要對風機進行調速控制，則需要控制器提供一個PWM信號根據占空比進行調速。在本設計中，為簡化流程，只對風機進行開關控制，故應用引腳電平的置位和復位功能來對風機進行控制。

2.2 云服務器的配置

原子云平臺為設備提供了安全可靠的聯網通信能力，可連接大量設備，支持設備采集數據傳輸至云平臺，配合ATK-M751自動定時采集任務實現實時監控，同時提供云端API，服務器可通過云端API將控制指令發送至設備端，實現遠程控制。原子云通信流程圖如圖6所示。

圖6 原子云通信流程圖

上行數據：設備通過配置ATK-M751與原子云建立遠程通信連接，上報數據只需通過發布主題功能即可將數據發送到原子云平臺，將處理好的數據轉發，手機App只需訂閱該主題就能顯示處理好的數據，或通過上位機進行顯示。

下行指令：手機App發布相關主題后，用戶下達控制指令，指令將通過API發送到云平臺，將控制指令轉發，設備只需訂閱相關主題即可接收控制指令，控制風機。

2.3 系統軟件開發流程

控制系統軟件開發環境是由控制器芯片決定的，編程方式有兩種：標準庫和HAL庫。HAL庫相比于標準庫，具有上手容易、配置簡單、功能強大、通用性強等特點。對比分析兩種編程方式，本設計控制器的編程方式采用HAL庫，它可以通過界面對控制器芯片引腳直接定義功能，自動生成代碼初始化系統所使用的引腳，同時將引腳相關功能集成為庫，可直接使用函數來實現所需功能。

3 新風系統的測試與分析

本系統測試主要分為功能測試和性能測試。

功能測試是根據設計要求讀取空氣質量的各種參數，結合收到的指令對風機的運轉進行控制。在系統功能測試過程中，首先要對設備進行聯網，聯網后可在服務器界面看到設備狀態，在查看主機是否成功發送數據至網絡數據庫時，可以在“消息收發”界面查看設備運行狀態。在調試過程中，“消息收發”界面具有消息保留功能，因此可以根據該界面來進行在線調試，調試程序是否正常運行、數據格式是否正確。

本設計中系統的性能測試包括控制系統性能測試以及傳感器采集和輸出功能測試。控制系統采用Keil軟件編程，利用軟件集成的功能可進行在線調試。根據設計要求，新風系統是針對區域內空氣質量的各種指標做檢測，因新風傳感器是采用RS485串口輸出采集數據，因而在調試過程中采用USB轉RS485作為數據接收端口，該傳感器模塊作為信號采集端，運行在發送模式。

在系統功能測試過程中，主機將數據成功發送至網絡數據庫，控制器可以根據數據庫的指令作出相應操作，并反饋數據給主機。在進行性能測試時，將主機收集到的數據與實際空氣質量參數做對比，測試結果與實際結果符合。

系統各功能模塊調試后進行整體聯機測試，各模塊能夠正常運行，系統能夠按照預期完成工作。

4 結束語

本文以新風系統作為研究對象，基于ARM STM32 F103控制器，以SNL-AIRC-05多合一新風傳感模組為數據采集模塊、4G DTU ATK-M751為無線通信模塊，利用原子云平臺等設計了一套新風控制系統，在新風系統基本功能不變的基礎上，提升了新風系統的網絡化和智能化水平。