許富景1，2,，馬鐵華1,，2，李新娥1,，2

（1.中北大學(xué) 儀器與科學(xué)動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部實(shí)驗(yàn)室,，山西 太原030051,；

2.中北大學(xué) 電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原030051）

    摘  要： 針對(duì)貯運(yùn)溫濕度監(jiān)測(cè)過(guò)程中,，監(jiān)測(cè)設(shè)備體積大,、功耗高、布線繁雜的難點(diǎn),，提出了一種基于μcos II的嵌入式低功耗貯運(yùn)溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng),。系統(tǒng)采用嵌入式設(shè)計(jì)，提出低功耗策略將系統(tǒng)最低功耗降至200 μA以下,。系統(tǒng)以STM32F407作為中央處理器,，以大容量SD卡作為存儲(chǔ)介質(zhì)，將系統(tǒng)體積降至60×80×20(mm3)以下,，并運(yùn)用ANSYS對(duì)其結(jié)構(gòu)可靠性進(jìn)行了分析,。以紅外通信方式作為數(shù)據(jù)讀取方式，解決了設(shè)備布線繁雜的難點(diǎn)?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明,，系統(tǒng)具有監(jiān)測(cè)精確、布設(shè)靈活,、數(shù)據(jù)讀取便捷的特點(diǎn),。

    關(guān)鍵詞： 貯運(yùn)監(jiān)測(cè)；μcos II,；低功耗,；ANSYS

0 引言

    隨著現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展，許多領(lǐng)域?qū)囟群蜐穸葍蓚€(gè)環(huán)境參數(shù)的要求越來(lái)越高,，這就對(duì)溫度和濕度參量的監(jiān)測(cè)技術(shù)提出更高的要求,。博物館、圖書館等貴重物品的貯存,，糧食,、農(nóng)副產(chǎn)品的貯運(yùn)，石油,、天然氣等能源物資的儲(chǔ)運(yùn)等等都需要合適的溫濕度環(huán)境^[1-3],。這些應(yīng)用場(chǎng)合往往對(duì)監(jiān)測(cè)設(shè)備體積、監(jiān)測(cè)設(shè)備功耗和設(shè)備是否需要外部布線有較高的要求,。目前,，國(guó)內(nèi)該類技術(shù)仍較為欠缺，多數(shù)場(chǎng)合仍需人工操作進(jìn)行監(jiān)測(cè),，不能滿足貯運(yùn)過(guò)程對(duì)非接觸式遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)參數(shù)的要求,。最近幾年隨著ZigBee技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了一部分利用ZigBee實(shí)現(xiàn)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)技術(shù)。該類監(jiān)測(cè)設(shè)備雖然實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè),，然而監(jiān)測(cè)設(shè)備微型化,、智能化、低功耗水平較差^[4],，使得監(jiān)測(cè)設(shè)備難以達(dá)到長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)的應(yīng)用需求,。此外，這類監(jiān)測(cè)設(shè)備一般采用有線數(shù)據(jù)傳輸或者ZigBee傳輸方式,，受到數(shù)據(jù)傳輸速率的影響,，數(shù)據(jù)讀取誤碼率很高，且讀取很不便捷,。

    為了解決上述問(wèn)題,，本文研制了一種基于μcos II的貯運(yùn)過(guò)程溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)通過(guò)嵌入式技術(shù)設(shè)計(jì)的應(yīng)用和低功耗監(jiān)測(cè)策略的制定降低系統(tǒng)功耗,；通過(guò)大規(guī)模集成電路和溫濕度數(shù)字化集成傳感器的應(yīng)用降低系統(tǒng)體積；系統(tǒng)選用大容量SD卡作為存儲(chǔ)介質(zhì),，采用紅外無(wú)線方式讀取數(shù)據(jù)和對(duì)設(shè)備進(jìn)行配置,。既實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)設(shè)備獨(dú)立遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，同時(shí)又滿足了設(shè)備低功耗要求,，大大提高了溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的便攜性和通用性,。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)組成設(shè)計(jì)

    為滿足貯運(yùn)過(guò)程設(shè)備安裝空間小、無(wú)法外部供電以及不能遠(yuǎn)程布線的要求,，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需具備獨(dú)立工作,、無(wú)線操作和數(shù)據(jù)讀取便捷的特點(diǎn)?；讦蘡os II的貯運(yùn)溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用示意圖如圖1所示,，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)完成貯運(yùn)環(huán)境溫濕度信息的采集與存儲(chǔ)，通過(guò)紅外通信方式將數(shù)據(jù)上傳于上位機(jī),，建立相應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)管理,。

    受到Flash數(shù)據(jù)讀取速度和傳輸方式的限制，本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用SD卡作為主存儲(chǔ)介質(zhì)而將Flash存儲(chǔ)器作為備份存儲(chǔ)器,，這樣既更便于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與上位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸,，又增加了數(shù)據(jù)可靠性，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成框圖如圖2所示,。由于溫濕度環(huán)境參量一般變化緩慢,，故正常情況下監(jiān)測(cè)系統(tǒng)按照1 min一次記錄溫濕度信息，當(dāng)環(huán)境參量異常時(shí),，如溫濕度參量發(fā)生突變或超出預(yù)設(shè)危險(xiǎn)閾值時(shí),，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)出預(yù)警且進(jìn)入實(shí)時(shí)采樣模式，此時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)按照1 Hz(可通過(guò)紅外配置)采樣頻率采集環(huán)境信息。兩種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換通過(guò)自行研制的運(yùn)動(dòng)感知開關(guān)進(jìn)行切換,。

    傳感器的性能指標(biāo)直接影響著測(cè)試系統(tǒng)的體積和測(cè)試精度,。為此，本文選取Sensirion公司研制的新一代溫濕度數(shù)字化傳感器SHT25,，其集成體積只有3×3×1.1(mm³),，其中濕度傳感器為電容式相對(duì)濕度傳感器，溫度傳感器為能隙溫度傳感器,，測(cè)量精度相對(duì)熱電偶溫度傳感器和干濕球濕度傳感器較高^[5],。SHT25溫濕度傳感器采用I²C通信接口與外界通信， 其原理圖如圖3所示,。

1.2 紅外設(shè)計(jì)

    常用的短距離無(wú)線通信技術(shù)有藍(lán)牙,、WiFi、紅外,、ZigBee等等,，但其中紅外通信技術(shù)的速率較快、功耗較低,、誤碼率較低,，這里采用紅外通信作為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)讀取與上位機(jī)對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采樣頻率和工作狀態(tài)等參數(shù)進(jìn)行配置的方式，具體指標(biāo)參數(shù)如表1所示,。紅外通信采用IrDA1.2標(biāo)準(zhǔn),，數(shù)據(jù)傳輸格式為3/16歸零碼格式，調(diào)制解調(diào)遵循圖4所示格式,。

1.3 嵌入式設(shè)計(jì)

    基于μcos II的貯運(yùn)溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的中央處理器采用STM32F407型號(hào)ARM,。選用該型號(hào)ARM的主要目的即為嵌入式設(shè)計(jì)^[6-7]。嵌入式系統(tǒng)支持多任務(wù)管理,，實(shí)時(shí)性很強(qiáng),，有利于降低系統(tǒng)功耗和提升設(shè)備智能化水平。目前常用的嵌入式操作系統(tǒng)有μcosII,、Linux和WinCE等,，但μcosII系統(tǒng)代碼量最小，最適合在自主式設(shè)備中移植,，故本文采用μcosII系統(tǒng),。嵌入式系統(tǒng)一般由硬件層、驅(qū)動(dòng)層和應(yīng)用層組成^[8],，基于μcosII的嵌入式開發(fā)框圖如圖5所示,。應(yīng)用層程序中完成了傳感器數(shù)據(jù)的讀取與配置、SD卡的讀寫,、紅外和I2C接口通信,，進(jìn)行了系統(tǒng)低功耗策略設(shè)計(jì)等,。其流程圖如圖6所示。

2 系統(tǒng)可靠性分析

    監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)大規(guī)模集成電路的使用,、溫濕度數(shù)字化傳感器的集成以及低功耗策略的制定三個(gè)方面減小體積,，最終將監(jiān)測(cè)系統(tǒng)體積控制在60×80×20(mm³)以內(nèi)。系統(tǒng)殼體材料選用材質(zhì)較輕的鋁合金材料,，因?yàn)楸O(jiān)測(cè)系統(tǒng)體積較小,、殼體較薄，且要具有較高的可靠性和一定的抗沖擊性能,。利用ANSYS有限元分析法對(duì)殼體抗沖擊性能進(jìn)行靜態(tài)分析,。選取單元類型為SOLID45，則建模結(jié)果如圖7所示^[9],。分析可知,，20 000 g加速度載荷對(duì)于貯運(yùn)過(guò)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所處環(huán)境應(yīng)是極限加速度值，此時(shí)利用ANSYS靜態(tài)分析仿真監(jiān)測(cè)系統(tǒng)形變結(jié)果,。分別在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)X,、Y、Z方向施加20 000 g加速度載荷,，則其靜態(tài)形變量分別如圖8,、圖9、圖10所示,。仿真結(jié)果顯示，在20 000 g加速度載荷作用下,，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)殼體最大形變量為0.03 mm,，遠(yuǎn)小于殼體厚度，不會(huì)對(duì)系統(tǒng)本身造成損傷,，結(jié)構(gòu)可靠性較高,。

3 系統(tǒng)測(cè)試

    為綜合驗(yàn)證貯運(yùn)環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能，選取某小型倉(cāng)庫(kù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),。試驗(yàn)時(shí)在監(jiān)測(cè)對(duì)象包裝箱上布設(shè)環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn),。環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)在貯存狀態(tài)下每天采集一次環(huán)境參數(shù)，而運(yùn)輸過(guò)程則按照1 kHz采樣頻率進(jìn)行采集,。貯運(yùn)環(huán)境溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖11所示,，貯運(yùn)濕度監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖12所示。

    與標(biāo)準(zhǔn)溫度,、濕度傳感器對(duì)貯運(yùn)環(huán)境測(cè)量結(jié)果對(duì)比,，環(huán)境參數(shù)智能監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)測(cè)量誤差如表2所示。由表2可知,，溫度測(cè)量誤差小于0.8%,，濕度測(cè)量誤差小于1%。

4 結(jié)論

    針對(duì)目前貯運(yùn)溫濕度監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中，監(jiān)測(cè)設(shè)備體積大,、功耗高,、布線繁雜的難點(diǎn)，本文提出一種基于μcos II的貯運(yùn)溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng),。系統(tǒng)以STM32F407作為中央處理器提出低功耗策略,，將系統(tǒng)最低功耗降至200 μA以下。系統(tǒng)通過(guò)大規(guī)模集成電路的應(yīng)用,，以SD卡作為存儲(chǔ)介質(zhì),，將系統(tǒng)體積降至60×80×20(mm³)以下，并對(duì)結(jié)構(gòu)可靠性進(jìn)行了ANSYS仿真,。系統(tǒng)以紅外通信方式作為數(shù)據(jù)讀取方式,，解決了設(shè)備布線繁雜的難點(diǎn)。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明,，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)溫度測(cè)量誤差小于0.8%,，濕度測(cè)量誤差小于1.0%，系統(tǒng)布設(shè)靈活,、數(shù)據(jù)讀取方便,。

參考文獻(xiàn)

[1] 楊柳，毛志懷,，蔣志杰,，等.基于無(wú)線傳輸?shù)募Z倉(cāng)溫濕度遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012,，28(4)：155-159.

[2] 昌凱,，薛棟梁，孫強(qiáng),，等.圖書館溫濕度智能控制系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)科學(xué),，2014，41(11)：436~439.

[3] 齊林,，韓玉冰,，張小栓，等.基于WSN的水產(chǎn)品冷鏈物流實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),，2012,，43(8)：134-140.

[4] 王長(zhǎng)清，岳新偉.基于ZigBee技術(shù)的博物館藏品微環(huán)境檢測(cè)保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].河南師范大學(xué)學(xué)報(bào),，2012,，40(3)：34-37.

[5] 高葵.基于Sensirion SHT系列傳感器的分布式溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2008,，29(21)：5476-5478.

[6] 解欣,，商建東,，胡東方.基于STM32的機(jī)載吊艙控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2014,，22(10)：3203-3205.

[7] 劉淼,，王田苗，魏洪興,，等.基于?滋COS-II的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)性分析[J].計(jì)算機(jī)工程,，2006，32(22)：222-226.

[8] 李曉丹.基于STM32的物聯(lián)網(wǎng)嵌入式網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,，2015,，51(4)：61-65.

[9] 李新娥，祖靜,，馬鐵華,，等.用于火炮膛內(nèi)壓力測(cè)試的電容式傳感器的設(shè)計(jì)[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2011,，32(3)：640-645.