基于STM32W108的多功能矿用环境监测仪

徐　溪，郑纪玲，徐　钊

(中国矿业大学信电学院，江苏徐州　221008)

0　引言

在煤矿生产中，可能发生安全事故，而对井下环境气体参数(CH4、CO、空气温湿度等)及设备运转情况进行实时监控和故障报警[1]，可在事故发生前进行有效的预警，亦可在矿井突发事故时有助于救护工作有效进行。但现有的监测装置通常选用8位或者16位的控制芯片处理采集数据，并通过CAN总线或者RS485总线传送数据，这使得多数监测装置的数据处理能力有限，且对数据的有线传输方式使得其有成本高昂、维护困难等缺点。

文中设计一种基于STM32W108无线射频芯片的环境监测仪，该控制芯片采用了处理能力较强的32位ARM Cortex-M3内核，且内部集成了2．4 GHz、兼容IEEE 802．15．4的无线收发器，这种完全集成的系统级芯片可满足绝大部分场合的环境监测需求。

该监测仪使用传感装置对井下温湿度和瓦斯浓度进行实时监测，采集的数据存储在Flash中，通过LCD实时显示采集数据。在联机使用时，应用ZigBee无线通信功能与主机间进行双向无线通信；在脱机使用时，可经由数据接口连接上位机进行数据采集。而针对目前在用的便携式环境监测仪难以脱机持久工作的缺点，设计了一种具有运动状态感知功能的监测仪，当监测到目标保持一段时间的静止状态时，可使控制芯片进入“深度睡眠”状态，从而大幅度节省电能。

在充分考虑数据采集、机内存储、实时显示、无线发送和低功耗要求后，对系统进行软硬件设计。系统框图如图1所示。

图1　系统结构图

1　系统硬件设计

1．1传感器系统设计

1．1．1湿温度传感器模块

温湿度传感器采用SHT11，该器件是具有I2C总线接口的单片全校准数字式相对湿度和温度传感器，具有数字式输出、免调试、免标定、免外围电路及全互换的特点[2]。

由于STM32W108本身并没有I2C总线接口，在设计中，STM32W108通过2条GPIO线模拟I2C接口与SHT11进行通信。

1．1．2瓦斯传感器模块

瓦斯传感器选用MJC4/2．8 J型催化甲烷传感器模块，测定环境中瓦斯的浓度。MJC4/2．8J型催化甲烷传感器采用载体催化元件为检测元件，敏感元件产生一个与甲烷的含量成比例的微弱信号，经过由放大器件AD620及其外围电路组成的放大电路后产生一个输出信号，送入控制芯片内A/D转换输入口，进行A/D转换[3-4]。图2为甲烷传感器模块的原理图。

图2　甲烷传感器模块原理图

1．1．3加速度传感器模块

加速度传感器模块采用的芯片型号为ADXL345，其通过SPI口与控制芯片相连。

由于该便携式监测仪经常在脱机状态下由移动目标携带，所以大部分情况下其只能通过内部电池进行供电，但是频繁的更换电池或者充电给使用和维护带来了诸多不便，而加速度传感模块的有效使用可大幅度节省系统电能，减少充电频率，延长电池工作寿命。

其具体的节能工作过程为：开始时，该监测仪处于“深度睡眠状态”，当该监测仪“运动”时，加速度传感器将感知得到的加速度信号作为外部中断传输给控制芯片，将其“唤醒”，系统进入正常工作状态；当MCU根据加速度信号判断监测仪保持一段时间的静止状态时，系统的稳压器、振荡器和所有外设被关断，控制芯片进入“深度睡眠状态”，等待被唤醒[5]。

1．2USB接口电路设计

当环境监测仪在脱机模式下工作时，可通过USB接口上传Flash中的数据至PC，而由于控制芯片本身并没有USB接口，设计中采用FT232RL来实现UART到USB接口的转换，该芯片功耗低、引脚少、无需很多的外围器件。

此外，当检测仪处在脱机模式下进行上传数据或者实验测试时，可通过USB接口对检测仪进行供电，而对锂电池的充电操作亦可通过该接口进行。由于USB接口接入的是5 V电压，可通过芯片LP2985将其转换为3．3 V电源为系统供电。图3为该USB接口连接示意图。

图3　USB接口电路连接示意图

1．3系统电源设计

该监测仪有2种供电模式，即在联机模式下由锂离子电池供电，而在脱机模式下由USB接口对其进行供电，以减少电池电能消耗，使用拨动开关在2种供电模式间进行切换。

通过芯片TPS79428可实现3．3 V电压到2．8 V电压间的转换，为瓦斯传感器供电，而芯片MAX828实现2．8 V到-2．8 V电压间的转换，±2．8 V电压同时为瓦斯传感器模块中的放大器提供电能。具体电路连接图如图4所示。

图4　电源电路连接原理图

2　软件设计

对该监测仪的软件设计采用模块化设计思想，在IAR EWARM集成开发环境中使用C语言编写程序，使得程序的编写、修改以及调试较方便。

2．1主程序

STM32W108固件程序主要实现控制芯片对传感器、LCD、串行Flash存储器的操作，以及USB、按键、电源等的操作。当控制芯片与传感器进行通信时，控制芯片发送请求给传感器，传感器返回响应，控制芯片充当master，初始化所有通信，传感器充当slave，响应这些请求。该环境监测仪完整运行的程序流程图如图5所示[6]。

图5　主程序结构框

2．2无线传感网络

无线传感网络是一种由许多传感器节点组成的一种自组织无线网络。网络中一般有一个或者几个基站用来采集传感器节点数据[7]。

该设计依托EmberZNet协议栈构建一套无线传感器网络，可使监测仪相互间较方便地进行无线通信。该网络由上位机软件、汇聚节点、路由节点、传感器节点4部分组成，具体结构如图6所示。

图6　无线传感网络结构示意图

而在具体的无线通信中，监测仪可简单地分为叶子节点和协调者两个角色：叶子节点采集数据并无线发送给协调者，协调者负责建立网络并接受叶子节点采集的数据[8]。

3　结束语

该矿用环境监测仪以STM32W108为核心控制单元，拥有丰富的外设功能模块，根据矿井的特殊工作环境，设计了联机和脱机2种工作模式。在联机工作模式下，该监测仪可实时采集井下环境参数，将数据存储于Flash中，并于LCD上实时显示，同时可自行进行无线组网并与主机进行无线通信；在脱机工作模式下，可通过USB接口将Flash中的数据上传至PC，以便后期对数据进行分析。除此以外，灵活的使用加速度传感器模块，可最大幅度降低电池的电能消耗，延长监测仪的工作时间和电池的使用寿命。该便携式低功耗矿用环境监测仪功能丰富，工作模式多样，拥有广阔的应用前景。

参考文献：

[1]张东，李长录．基于ZigBee技术的煤矿安全监测系统设计．煤矿安全，2010(7)：77-80．

[2]陶佰睿，顾丁，苗凤娟，等．一种基于单片机的湿度传感器校准实验平台设计与实现 ．传感技术学报，2013(3)：435-438．

[3]王泉，戴剑波，王平，等．无线瓦斯传感器节点的设计 ．仪表技术与传感器，2009(5)：54-56．

[4]WOBSCHALL D．A wireless gas monitor with IEEE 1451 Protocol．IEEE Sensors Applications Symposium，2006(7-9)：162-164．

[5]TANI Y，YOKOTA Y，YAYOTA M，et al．Automatic recognition and classification of cattle chewing activity by an acoustic monitoring method with a single-axis acceleration sensor．Computers and Electronics in Agriculture，2013(3)：54-65．

[6]王忠鹏，栗明，赵治乾，等．手持式多参数环境检测记录仪设计 ．电子世界，2012，11(21)：125-126．

[7]赖成瑜．低功耗无线传感器网络节点的设计 ．工矿自动化，2009(5)：115-118．

[8]张大踪．一种低功耗无线传感器网络节点的设计 ．仪表技术与传感器，2006(10)：54-57．