基于STM32和RTEMS的环境监测系统的设计与实现

朱 慧，王军阵，陈 琳，黄人杰

（中国卫星海上测控部 江苏 江阴214413）

基于STM32和RTEMS的环境监测系统的设计与实现

朱 慧，王军阵，陈 琳，黄人杰

（中国卫星海上测控部 江苏 江阴214413）

基于STM32微处理器及REMS嵌入式实时操作系统，设计并实现温湿度、光照强度和粉尘浓度的环境监测系统。数据终端采集数据，通过串口将环境数据上传至监控主机。采用Qt5.4.2实现可视化界面，完成环境参数的实时监控，并实现数据存储、历史查询和报警等功能。

环境监测；STM32；RTEMS；Qt

随着科技的不断发展进步，环境参数对仓库物品的存储、工业产品的生产、科学实验和不间断工作设备的影响越来越不容忽视[1-3]，从粮食储藏、温室培养、工作车间、无尘实验室到装备机房农业和工业的工作过程中，都对温湿度等室内环境参数提出了更高的要求[4-8]。目前，国内的许多环境监测系统采用的是定时巡查，观测和记录各项分立的环境参数并根据参数进行相应的处理，无法24小时实时监测室内环境参数的变化，在无人值守时，无法及时发现问题并处理，这在一些对环境参数要求较高的室内无疑是一个非常不利的因素。因此，急需一种全天候在线实时监测系统。

文中根据环境监控特点和需求，提出了一种基于STM32和RTEMS的环境参数监测系统。通过STM32F407采集室内温度、湿度、光照强度和粉尘浓度环境参数信息，采用嵌入式操作系统RTEMS4.11作为室内环境监测的软件平台，实现环境数据的实时显示，并将环境参数信息通过串口上传至监控主机，在监控主机上基于Qt5.4.2编写图形用户接口，实现对环境参数的实时监控、存储和阈值报警等功能。

1 系统硬件设计

环境监测系统主要是以STM32F407为核心，基于Cortex-M4的STM32F407微处理器具有低功耗、高性能、外设完善等优点。采用温湿度传感器STH11、光强度传感器BH1750和粉尘浓度传感器GP2Y1010AU0F对室内环境进行检测，实现对室内环境参数的实时测量和LCD数字显示，并通过串口上传到监控主机完成对室内环境参数的在线实时监测。硬件电路主要由电源模块、复位模块、键盘模块、LCD显示模块、通信模块和环境采集模块等组成，总体结构如图1所示。

1.1 STM32F407与温湿度传感器电路设计

图1 环境监测系统的结构框图

温湿度传感器选用瑞士Sensirion公司生产的SHT11，该传感器具有二线串行接口的单片全校准数，测量范围为-40～123.8℃。对于14位的分辨率为0.01℃。每个传感器芯片都在极为精确的温湿度总标定，标准系数以程序形式存在OTP内存中，在测量中可以自动校准，无需外部模拟电子电路，可以方便、快速的进行系统集成，具有100%的互换性。SHT11与STM32的连接电路图如图2所示SHT11提供二线数字串行接口SCK和DATA，支持CRC传输校验。高度集成，讲温度感测、湿度感测、信号变换、A/D转换和加热器等功能集成到一个芯片上，串行时钟输入线SCK用于STM32微控制器与SHT11之间的通信同步。

图2 SHT11与STM32F407的接口电路

1.2 STM32F407与光照传感器的电路设计

光照强度传感器选用BH1750，BH1750环境光传感器内置16位的模数转换器，它能够直接输出一个数字信号，它是半导体制造商BOHM为适应便携式移动终端而开发处的具有优良光谱灵敏度特性、16bit串行输出数字环境亮度传感器。芯片工作电压为3.3 V，内置了16bit数模转换器，可对广泛的亮度进行1勒克斯的高精度测定，当物体在均匀的光照下它能够在每平方米获得1l勒克斯的光通量，它们的光强度是1l勒克斯，实现了照明度数字值的直接输出。

为了充分利用光源，可在光照采集处增加一个光源的反射装置，以提高光照传感器数据采集效率。BH1750与STM32F407的连接电路图如图3所示，控制器通过BH1750采集环境光的强弱的数据。主控制器与BH1750之间的通信使用标准的I2C协议，选用了STM32F407的I2C1外设模块，并将其SCL和SDA分别映射到PB6和PB7管脚。

图3 BH1750与STM32F407的接口电路

1.3 STM32F407与粉尘浓度传感器的电路设计

粉尘浓度传感器可以感应空气中的尘埃粒子。GP2Y1010AU0F是夏普公司生产的一款光学空气质量传感器，内部装有红外发光二极管和光电晶体管，其发射的红外光经空气中尘埃微粒反射后被探测，输出为模拟电压，其值与粉尘浓度成正比。GP2Y1010AU0F可测量0.8 um以上的微小粒子，如烟草烟雾颗粒等非常细小的微粒都可以被检测到。该传感器工作所需电流低（最大20 mA，典型值11 mA），可使用高达7 V的直流电源供电，并且具有价格便宜、体积小、重量轻和便于安装等优点。本设计中采用STM32F407的PB8驱动粉尘浓度传感器的LED，将粉尘浓度传感器输出通过LM318连接到STM32F407微控制器的PC1引脚，并经过计算可以得到空气中的粉尘浓度，粉尘浓度传感器与STM32F407单片机连接的电路如图4所示。

图4 STM32F407与GP2Y1010AU0F的接口电路

2 系统软件设计与实现

2.1 系统软件设计

RTEMS是一个为嵌入式系统设计的自由的开源实时操作系统，并且是无版税开源的，能移植于各种微处理器，支持ADA，POSIX等开发，其最初是为美国国防系统开发，后广泛应用于航空航天、军工以及民用各个领域，现在由OAR公司负责版本的升级和维护。本设计方案将RTEMS4.11移植到STM32F407微控制器上，嵌入式操作系统RTEMS对多处理器提供了很好的支持，具有较高的灵活性和易用性，通过实施调度将控制权交给当前最高优先级任务。各任务之间使用信号量、消息邮箱、消息队列来实现通信，保证了任务之间的同步性与互不干扰性，软件结构框图如图5所示。

主要包括传感器信息采集任务、显示任务和通信任务等，其中，显示任务主要显示当前时间、温度、湿度、光照强度和粉尘浓度，实现现场环境参数的可视化；3个传感器信息采集任务主要负责温湿度、光照强度和粉尘浓度环境参数的采集；通信任务则负责将采集的环境参数通过串口实时发送给PC机，供PC机对数据进行分析、存储和处理操作。

图5 嵌入式RTEMS系统软件结构框图

2.2 系统整体实现

PC机系统软件则采用C++语言，基于Qt5.4.2进行开发，软件系统的主要功能包括通过SerialPort获取嵌入式采集终端的环境参数，对数据作进一步的处理，实现环境参数的自动存储，提供查询功能，将实时接收的环境参数显示到监测系统界面，并实现各参数的超限报警功能，系统正常运行时的界面如图6所示。

图6 系统显示界面

3 结束语

以基于CORTEX-M4的微处理器STM32F407及嵌入式操作系统RTEMS为系统核心，提出了一种环境检测系统的设计方法。采用温湿度传感器SHT11、光照强度传感器BH1750和粉尘传感器GP2Y1010AU0F进行室内环境参数采集，简化了系统开发的复杂度。软件设计采用了可靠性高、开源免费的嵌入式操作系统RTEMS，便于系统的后续扩展，利于维护。基于Qt5.4.2设计了室内环境监控上位机软件，完成了对室内环境参数的实时监控，环境参数的存储、历史数据的查询和阈值报警等功能。系统具有体积小、成本低廉和易于扩展等特点，可广泛应用于大部分室内环境监测领域。

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Design and realization of environmental monitoring system based on STM32 and RTEMS

ZHU Hui，WANG Jun-zhen，CHEN Lin，HUANG Ren-jie
（China Satellite Marine Tracking and Control Department，Jiangyin 214413，China）

In this paper，the design and realization of environmental monitoring system including humiture，illumination and dust concentration base on the microprocessor of STM32 and the embedded real-time operating system of RTEMs.The collected data of terminal is transmitted to monitoring computer via serial interface.The real-time monitoring is completed with the visualization interface base on Qt5.4.2 which contains data storage，historical query and alarm.

environmental monitoring； STM32； RTEMS； Qt

TP391

A

1674－6236（2017）16-0077-03

2016-07-03稿件编号：201607012

朱 慧（1983—），女，江苏盐城人，工程师。研究方向：网络管理。