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(shū)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(xiàn)有較高的要求。目前，國(guó)內(nèi)該類(lèi)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(mǎn)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(lèi)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(lèi)監(jiān)測(cè)設(shè)備一般采用有線(xiàn)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(xiàn)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(mǎn)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(mǎn)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(xiàn)的要求，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需具備獨(dú)立工作、無(wú)線(xiàn)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(kāi)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(xiàn)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(kāi)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(xiě)、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?xún)?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(lèi)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(xiàn)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(xiàn)繁雜的難點(diǎn)?，F(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。

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