基于STM32的封闭环境监测系统

基于STM32的封闭环境监测系统

作者：吉炫玮

来源：《报刊荟萃（下）》2017年第08期

摘 要：随着现代化工业水平技术的提高，产品的质量以及机器的工作效率不再是仅仅只受人为因素的影响，经相关数据表明，环境参数对产品的影响也很重要。但是传统的环境监测采用的大多是有线的方式，这样不仅存在布线难，而且对于复杂的或者有毒有危害的环境，是很难实现的。鉴于此，本文设计了一套封闭环境无线监测系统。 关键词：STM32单片机；封闭环境；温湿度；无线测量模块

随着现代化工业水平技术的提高，越来越多的厂商开始关注环境参数对产品质量以及机器工作效率的影响，他们发现环境中的温湿度、二氧化碳浓度等，都会对产品质量产生很大的影响。但是传统的环境监测采用的大多是有线的方式，这样不仅存在布线难，而且对于复杂的或者有毒有危害的环境，是很难实现的。

基于以上情况的考虑。本设计的目的在于设计一个可以探测复杂封闭环境的无线监测系统，通过特定的收发器，将测量到的环境参数，实时的传送到处于封闭环境之外的终端。从而实现方便测量封闭环境参数的功能。 一、系统方案

本系统使用两片STM32F10X单片机最小系统作为主控芯片，配合DS18B20温度传感器、AMX1001湿度传感器、5110液晶显示、NRF24L01无线传输芯片，实现对封闭环境内部测量、发送、接收的功能。

首先由测量发射部分在封闭环境之内采集到温度和湿度信息。由STM32F10X负责将采集到的信息传送给无线收发芯片NRF24L01。并且控制收发芯片将数据打包。在2.4GHz的频段内，发送到封闭环境之外。这时在封闭环境之外的接收处理部分的无线模块接收到有效信息，其间经过收发的应答确认，确认信息有效后，送STM32F10X处理，从而得到温度湿度信息，并送到显示模块上显示输出，系统图如图1和图2所示： 二、系统硬件设计 1.温度采集模块

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该模块采用美国DALLAS公司推出的数字测温芯片DS18B20。它具有体积小多种封装形式，独特的单总线协议等优点。测量范围从-55摄氏度到+125摄氏度，拥有可以选择的9到12位温度数据分辨率。 2.无线收发模块

该模块采用Nordic公司生产的nRF24L01无线收发芯片。nRF24L01作为单片射频收发芯片，其工作于2.4～2.5GHz世界通用ISM频段，工作电压为1.9～3.6V。可通过SPI协议写入数据，数据传输速率最快可达2Mbit/s，并且具有自动应答和自动再发射功能。芯片融进了增强式ShockBurst技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。该芯片功耗低，6dBm功率发射时，工作电流9mA，接收时工作电流只有12.3mA，可选择的掉电模式和空闲模式使其应用设计更为方便。 3.湿度测量模块

本模块采用广州奥松电子有限公司的新一代AMT1001 湿敏电容温湿度模块。该模块具有精度高，可靠性高，一致性好，带温度补偿，长期稳定性好，使用方便及价格低廉等特点，被广泛应用于暖通空调、加湿器、除湿机、通迅、大气环境监测、工业过程控制、农业、测量仪表等应用领域。 4.显示模块

显示模块这里我们采用5110显示模块。5110显示模块本来是诺基亚5110系列手机的显示屏幕。厂家经过改造，又添加了四个背光灯来使用。由于其支持SPI协议。所以这里我们将5110与STM32F10X的I/O口直接相连。通过I/O口直接模拟SPI协议。来控制5110的显示，将温湿度信息等显示在屏幕上。 5.控制模块

在本系统中主要选用STM32单片机作为微控制芯片，该芯片具有36MHz的时钟频率，并且运行速度也快于传统的51单片机，具备32K～128K的闪存程序存储器，SD卡还能够实现对检测数据的存储。其丰富的引脚足以满足封闭环境监测系统的设计要求。 三、系统软件设计

由于系统分为测量发送，接收处理两个大部分。所以下关于软件的论述将分为两个方面来进行。

1.测量发送部分

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首先收发模块处于接收状态（视为待机状态），不断扫描接收寄存器的值，当值为零时默认没有来自外部的数据请求。继续循环扫描。当某一时刻接收到了特定的数据（由接收处理的模块发送，内容预先约定）。与预先约定的值比较，匹配则认为数据请求已经到达。这时微控制器启动A/D转换，对输入A/D通道的湿度传感器的模拟量进行采集。同时启动DS18B20，采集温度信息。得到这两方面信息后，对信息进行打包，送至发送缓冲器，然后启动无线发送。

2.接收处理部分

首先收发模块处于发送状态（视为待机状态），这时扫描时间标志。微控制器首先通过无线模块发送数字起始信号。然后转入接收状态，等待对方的数据信号，得到数据包后，对数据进行处理，处理后调用显示，最后进入发送待机状态。 四、评测与结论

通过实际的测量，测试通信距离约为50米。由于程序中我们设定数据更新时间为10s一周期，所以，测试更新时间为10s。

温度精度为0.2摄氏度，湿度精度为1.5%RH。

通过实验，我们能够准确的测量出封闭环境中温湿度的参数值，验证了实验的可靠性。 参考文献：

[1]刘慧韬.基于GPRS的环境监测网络系统研究与实现[D].华中科技大学.2006. [2]董亚超.基于ZigBee技术的无线环境监测网络的开发[D].大连理工大学.2008.