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)動態(tài)測試教育部實驗室,，山西 太原030051；

2.中北大學(xué) 電子測試技術(shù)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(shè)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(shè)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(zhì),，將系統(tǒng)體積降至60×80×20(mm3)以下,，并運用ANSYS對其結(jié)構(gòu)可靠性進行了分析。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?，F(xiàn)場試驗表明，系統(tǒng)具有監(jiān)測精確,、布設(shè)靈活,、數(shù)據(jù)讀取便捷的特點。

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

0 引言

    隨著現(xiàn)代社會的發(fā)展,，許多領(lǐng)域?qū)囟群蜐穸葍蓚€環(huán)境參數(shù)的要求越來越高，這就對溫度和濕度參量的監(jiān)測技術(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，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(yīng)用場合往往對監(jiān)測設(shè)備體積,、監(jiān)測設(shè)備功耗和設(shè)備是否需要外部布線有較高的要求,。目前，國內(nèi)該類技術(shù)仍較為欠缺,，多數(shù)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(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實現(xiàn)的遠程監(jiān)測技術(shù)。該類監(jiān)測設(shè)備雖然實現(xiàn)了遠程監(jiān)測,，然而監(jiān)測設(shè)備微型化,、智能化、低功耗水平較差^[4],，使得監(jiān)測設(shè)備難以達到長時間監(jiān)測的應(yīng)用需求,。此外,，這類監(jiān)測設(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(shù)設(shè)計的應(yīng)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(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卡作為存儲介質(zhì),，采用紅外無線方式讀取數(shù)據(jù)和對設(shè)備進行配置,。既實現(xiàn)了監(jiān)測設(shè)備獨立遠程監(jiān)測，同時又滿足了設(shè)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(shè)計

1.1 系統(tǒng)組成設(shè)計

    為滿足貯運過程設(shè)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(shù)據(jù)讀取便捷的特點?；讦蘡os II的貯運溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)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(shù)據(jù)上傳于上位機，建立相應(yīng)數(shù)據(jù)庫對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計管理,。

    受到Flash數(shù)據(jù)讀取速度和傳輸方式的限制,，本監(jiān)測系統(tǒng)采用SD卡作為主存儲介質(zhì)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(shù)據(jù)傳輸,，又增加了數(shù)據(jù)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(yù)設(shè)危險閾值時,，監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)出預(yù)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(zhuǎn)換通過自行研制的運動感知開關(guān)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(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(shè)計

    常用的短距離無線通信技術(shù)有藍牙,、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)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)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(shù)進行配置的方式,，具體指標參數(shù)如表1所示,。紅外通信采用IrDA1.2標準，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

    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(shè)計^[6-7],。嵌入式系統(tǒng)支持多任務(wù)管理，實時性很強,，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,，進行了系統(tǒng)低功耗策略設(shè)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(shù)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(nèi),。系統(tǒng)殼體材料選用材質(zhì)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(jié)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(yīng)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(jié)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(jié)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(jié)構(gòu)可靠性較高。

3 系統(tǒng)測試

    為綜合驗證貯運環(huán)境參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)功能,，選取某小型倉庫進行現(xiàn)場試驗,。試驗時在監(jiān)測對象包裝箱上布設(shè)環(huán)境參數(shù)監(jiān)測節(jié)點。環(huán)境參數(shù)監(jiān)測節(jié)點在貯存狀態(tài)下每天采集一次環(huán)境參數(shù),，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(jié)果如圖11所示，貯運濕度監(jiān)測結(jié)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(jié)果對比，環(huán)境參數(shù)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(jié)論

    針對目前貯運溫濕度監(jiān)測領(lǐng)域中,，監(jiān)測設(shè)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(yīng)用，以SD卡作為存儲介質(zhì),，將系統(tǒng)體積降至60×80×20(mm³)以下,，并對結(jié)構(gòu)可靠性進行了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?，F(xiàn)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(shè)靈活,、數(shù)據(jù)讀取方便,。

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