許富景1，2，馬鐵華1，2，李新娥1，2

（1.中北大學 儀器與科學動態(tài)測試教育部實驗室，山西 太原030051；

2.中北大學 電子測試技術國家重點實驗室，山西 太原030051）

    摘  要： 針對貯運溫濕度監(jiān)測過程中，監(jiān)測設備體積大、功耗高、布線繁雜的難點，提出了一種基于μcos II的嵌入式低功耗貯運溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)采用嵌入式設計，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卡作為存儲介質，將系統(tǒng)體積降至60×80×20(mm3)以下，并運用ANSYS對其結構可靠性進行了分析。以紅外通信方式作為數據讀取方式，解決了設備布線繁雜的難點?，F場試驗表明，系統(tǒng)具有監(jiān)測精確、布設靈活、數據讀取便捷的特點。

    關鍵詞： 貯運監(jiān)測；μcos II；低功耗；ANSYS

0 引言

    隨著現代社會的發(fā)展，許多領域對溫度和濕度兩個環(huán)境參數的要求越來越高，這就對溫度和濕度參量的監(jiān)測技術提出更高的要求。博物館、圖書館等貴重物品的貯存，糧食、農副產品的貯運，石油、天然氣等能源物資的儲運等等都需要合適的溫濕度環(huán)境^[1-3]。這些應用場合往往對監(jiān)測設備體積、監(jiān)測設備功耗和設備是否需要外部布線有較高的要求。目前，國內該類技術仍較為欠缺，多數場合仍需人工操作進行監(jiān)測，不能滿足貯運過程對非接觸式遠程實時監(jiān)測參數的要求。最近幾年隨著ZigBee技術的發(fā)展，出現了一部分利用ZigBee實現的遠程監(jiān)測技術。該類監(jiān)測設備雖然實現了遠程監(jiān)測，然而監(jiān)測設備微型化、智能化、低功耗水平較差^[4]，使得監(jiān)測設備難以達到長時間監(jiān)測的應用需求。此外，這類監(jiān)測設備一般采用有線數據傳輸或者ZigBee傳輸方式，受到數據傳輸速率的影響，數據讀取誤碼率很高，且讀取很不便捷。

    為了解決上述問題，本文研制了一種基于μcos II的貯運過程溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)通過嵌入式技術設計的應用和低功耗監(jiān)測策略的制定降低系統(tǒng)功耗；通過大規(guī)模集成電路和溫濕度數字化集成傳感器的應用降低系統(tǒng)體積；系統(tǒng)選用大容量SD卡作為存儲介質，采用紅外無線方式讀取數據和對設備進行配置。既實現了監(jiān)測設備獨立遠程監(jiān)測，同時又滿足了設備低功耗要求，大大提高了溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)的便攜性和通用性。

1 系統(tǒng)設計

1.1 系統(tǒng)組成設計

    為滿足貯運過程設備安裝空間小、無法外部供電以及不能遠程布線的要求，監(jiān)測系統(tǒng)需具備獨立工作、無線操作和數據讀取便捷的特點?；讦蘡os II的貯運溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)應用示意圖如圖1所示，監(jiān)測系統(tǒng)完成貯運環(huán)境溫濕度信息的采集與存儲，通過紅外通信方式將數據上傳于上位機，建立相應數據庫對數據進行統(tǒng)計管理。

    受到Flash數據讀取速度和傳輸方式的限制，本監(jiān)測系統(tǒng)采用SD卡作為主存儲介質而將Flash存儲器作為備份存儲器，這樣既更便于監(jiān)測系統(tǒng)與上位機的數據傳輸，又增加了數據可靠性，監(jiān)測系統(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)測系統(tǒng)按照1 min一次記錄溫濕度信息，當環(huán)境參量異常時，如溫濕度參量發(fā)生突變或超出預設危險閾值時，監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)出預警且進入實時采樣模式，此時監(jiān)測系統(tǒng)按照1 Hz(可通過紅外配置)采樣頻率采集環(huán)境信息。兩種狀態(tài)的轉換通過自行研制的運動感知開關進行切換。

    傳感器的性能指標直接影響著測試系統(tǒng)的體積和測試精度。為此，本文選取Sensirion公司研制的新一代溫濕度數字化傳感器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濕度傳感器，溫度傳感器為能隙溫度傳感器，測量精度相對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 紅外設計

    常用的短距離無線通信技術有藍牙、WiFi、紅外、ZigBee等等，但其中紅外通信技術的速率較快、功耗較低、誤碼率較低，這里采用紅外通信作為監(jiān)測系統(tǒng)數據讀取與上位機對監(jiān)測系統(tǒng)采樣頻率和工作狀態(tài)等參數進行配置的方式，具體指標參數如表1所示。紅外通信采用IrDA1.2標準，數據傳輸格式為3/16歸零碼格式，調制解調遵循圖4所示格式。

1.3 嵌入式設計

    基于μcos II的貯運溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)的中央處理器采用STM32F407型號ARM。選用該型號ARM的主要目的即為嵌入式設計^[6-7]。嵌入式系統(tǒng)支持多任務管理，實時性很強，有利于降低系統(tǒng)功耗和提升設備智能化水平。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、驅動層和應用層組成^[8]，基于μcosII的嵌入式開發(fā)框圖如圖5所示。應用層程序中完成了傳感器數據的讀取與配置、SD卡的讀寫、紅外和I2C接口通信，進行了系統(tǒng)低功耗策略設計等。其流程圖如圖6所示。

2 系統(tǒng)可靠性分析

    監(jiān)測系統(tǒng)通過大規(guī)模集成電路的使用、溫濕度數字化傳感器的集成以及低功耗策略的制定三個方面減小體積，最終將監(jiān)測系統(tǒng)體積控制在60×80×20(mm³)以內。系統(tǒng)殼體材料選用材質較輕的鋁合金材料，因為監(jiān)測系統(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有限元分析法對殼體抗沖擊性能進行靜態(tài)分析。選取單元類型為SOLID45，則建模結果如圖7所示^[9]。分析可知，20 000 g加速度載荷對于貯運過程監(jiān)測系統(tǒng)所處環(huán)境應是極限加速度值，此時利用ANSYS靜態(tài)分析仿真監(jiān)測系統(tǒng)形變結果。分別在監(jiān)測系統(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。仿真結果顯示，在20 000 g加速度載荷作用下，監(jiān)測系統(tǒng)殼體最大形變量為0.03 mm，遠小于殼體厚度，不會對系統(tǒng)本身造成損傷，結構可靠性較高。

3 系統(tǒng)測試

    為綜合驗證貯運環(huán)境參數監(jiān)測系統(tǒng)功能，選取某小型倉庫進行現場試驗。試驗時在監(jiān)測對象包裝箱上布設環(huán)境參數監(jiān)測節(jié)點。環(huán)境參數監(jiān)測節(jié)點在貯存狀態(tài)下每天采集一次環(huán)境參數，而運輸過程則按照1 kHz采樣頻率進行采集。貯運環(huán)境溫度監(jiān)測結果如圖11所示，貯運濕度監(jiān)測結果如圖12所示。

    與標準溫度、濕度傳感器對貯運環(huán)境測量結果對比，環(huán)境參數智能監(jiān)測節(jié)點測量誤差如表2所示。由表2可知，溫度測量誤差小于0.8%，濕度測量誤差小于1%。

4 結論

    針對目前貯運溫濕度監(jiān)測領域中，監(jiān)測設備體積大、功耗高、布線繁雜的難點，本文提出一種基于μcos II的貯運溫濕度監(jiān)測系統(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)通過大規(guī)模集成電路的應用，以SD卡作為存儲介質，將系統(tǒng)體積降至60×80×20(mm³)以下，并對結構可靠性進行了ANSYS仿真。系統(tǒng)以紅外通信方式作為數據讀取方式，解決了設備布線繁雜的難點。現場試驗表明，該監(jiān)測系統(tǒng)溫度測量誤差小于0.8%，濕度測量誤差小于1.0%，系統(tǒng)布設靈活、數據讀取方便。

參考文獻

[1] 楊柳，毛志懷，蔣志杰，等.基于無線傳輸的糧倉溫濕度遠程監(jiān)測系統(tǒng)[J].農業(yè)工程學報，2012，28(4)：155-159.

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

[3] 齊林，韓玉冰，張小栓，等.基于WSN的水產品冷鏈物流實時監(jiān)測系統(tǒng)[J].農業(yè)機械學報，2012，43(8)：134-140.

[4] 王長清，岳新偉.基于ZigBee技術的博物館藏品微環(huán)境檢測保護系統(tǒng)設計與實現[J].河南師范大學學報，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)測系統(tǒng)[J].計算機工程與設計，2008，29(21)：5476-5478.

[6] 解欣，商建東，胡東方.基于STM32的機載吊艙控制系統(tǒng)設計[J].計算機測量與控制，2014，22(10)：3203-3205.

[7] 劉淼，王田苗，魏洪興，等.基于?滋COS-II的嵌入式數控系統(tǒng)實時性分析[J].計算機工程，2006，32(22)：222-226.

[8] 李曉丹.基于STM32的物聯網嵌入式網關的設計[J].計算機工程與應用，2015，51(4)：61-65.

[9] 李新娥，祖靜，馬鐵華，等.用于火炮膛內壓力測試的電容式傳感器的設計[J].儀器儀表學報，2011，32(3)：640-645.