基于ARM的远程环境参数监测系统

邓猛，李倩

（安徽三人信息科技有限公司，安徽 合肥 230001）

0 引言

高压换流站是具有整流、逆变等多种功能的高压直流电力设施，是直流输电的基础，对其进行合理化的设计和构建，对于促进电力工程活动的有效进行具有重要作用。随着社会经济的快速发展，我国建设特高压工程等级不断提高，对换流站建设的技术及安全等也提出了越来越高的要求[1]。GIS、换流阀等是特高压换流站工程中的核心设备[2]，它的安全运行会受到温度、湿度和粉尘度等环境因素的影响。为保障换流站设备的正确安装和稳定运行，因此，需要实时、准确地掌握特高压换流站的环境因素[3-6]。

目前使用的环境监测设备有单套温湿度测试仪、激光粉尘仪、图像监控系统等，主要对单一的某个环境参数或现场条件进行监视和测量，并且实时性较差。电子与信息技术的发展为生活带来更多便捷，也为实时掌握周围环境变化提供了可能[7]。郑龙等[8]以CC2530为传感节点主控芯片[9]，将温度、光照、空气质量等传感器采集的信息进行数据融合并汇集到服务器平台[10]，用户通过移动终端登录到服务器即可查看实时环境信息。周本立等[11]通过整合现有技术，设计开发了一 种集温湿度、粉尘度、图像监控于一体的监控设备，支持本地TFT显示屏显示[12]，通过云平台系统软件[13-14]可支持手机 APP 信号读取和短信发送报警功能，在工程实践中取得了良好的效果。陈锡磊等[15]针对±800 kV 特高压直流换流站阀厅内部有空调系统调节,大气密度、温度、湿度等都不同于标准气象条件的特点，采用g参数法对非标准气象条件下空气间隙的放电特性进行了修正。

本文基于32位的ARM微控制器STM32F103，通过集成湿度、湿度、压力、空气质量（CO2、甲醛、VOC）等多种环境质量参数采集模块，并利用移动通信网络和便携式移动客户终端传送特高压换流站的实时环境信息，设计了一款远程环境监测系统。使用表明，具有较好的效果。

1 系统组成与工作原理

本系统由STM32F103微控制器与智能空气环境监测、无线传输、时钟电路、复位电路、键盘、显示、报警、电源等模块组成,如图1所示。

图1 远程环境监测系统组成原理Fig.1 Composition principle of remote environmental monitoring system

系统开机通过自检进入正常工作状态后，在设定的时间间隔内，空气质量变送器通过自带的传感器检测出温度、湿度、PM2.5、PM10、PM5、PM0.5、气压、VOC、甲醛、CO2等环境质量参数，然后通过RS485总线传输到系统控制器。在系统控制器的作用下，环境质量参数实时显示在显示屏上，并立即进行存储和通过无线路传输模块发送到远程移动终端。如果环境质量参数超过相应的阈值，声光报警器同时会发出报警信息。

2 主要硬件模块

2.1 系统控制器

本系统采用STM32F103为微控制器。STM32F103是具有ARM Cortex-M3核心、LQFP-144封装的32位微控制器，内含512K片内FLASH、64K片内RAM且片内FLASH支持在线编程（IAP）。该微控制器频率高达72MHz，片内双RC晶振提供8M和32K频率，数据、指令多流水线操作，支持JTAG、SWD调试，可实现高速低成本开发。STM32F103微控制器系统内有80个IO、4个通用定时器、2个高级定时顺口、2个基本定时器、3个SPI接口、2路I2S接口、2路I2C接口、5路USART、1个USB从设备接口、1个CAN接口、1上SDIO接口、3路16通道12位AD输入和2路2通道DA输出，CPU操作电压范围2.0～3.6 V。

2.2 环境质量变送器

本系统采用集成的AS02-K8-x智能空气环境监测变送器实现环境质量参数的检测。该变送器采用原装进口红外CO2、激光颗粒、电化学甲醛检测单元，能够检测温度、湿度、PM2.5、PM10、PM5、PM0.5、气压、VOC、甲醛、CO2等多个环境质量参数，测量精度高、抗干扰能力强。DC12～24 V供电，能够实时采集发送，并有可参考的小时平均值，同时配备的模拟4～20 mA输出、0～10 V、RS485信号输出，标准MODBUS-RTU通信协议，支持多台组网式环境监控系统安装，组网数量最大可达254个，分辨率可达到1 ppm，相对误差可小于5%。

2.3 无线传输模块

本系统采用龙尚U8300W作为无线通信模块。该模块是一款适用于FDD-LTE/TDD-LTE/TDSCDMA/UMTS/EVDO/ EDGE/GPRS/GSM/CDMA等多种网络制式的无线终端，可支持多种频段。U8300采用先进的高度集成设计方案，将射频、基带集成在一块PCB上，完成无线接收、发射、基带信号处理和间频信号处理功能，双面布局，结构紧凑。该模块支持AT命令扩展，具有USB接口、UART接口、USIM/SIM接口、PCM接口、RESET接口、电源接口和电压输出，可实现用户个性化定制。

3 软件设计

本系统软件采用模块化设计。主要模块有主模块、系统初始化模块、数据采集模块、RS485通信模块、数据显示模块、数据存储模块、无线通信模块、声光报警模块、键盘扫描模块等,其中主模块如图 2所示。

4 结论

本文以STM32F103为微控制器，集成多种参数检测的环境质量变送器、无线通信模块、数据存储与人机接口模块，实现对湿度、湿度、压力、空气质量（CO2、甲醛、VOC）等多种环境质量参数的检测，并通过移动通信网络和便携式移动客户终端传送特高压换流站的实时环境信息。

目前该系统已应用于内蒙古锡林浩特锡盟换流站并为该换流站换流阀的安装调试提供了全过程技术保障。结果表明, 该系统具有较好的使用效果，也可应用于其他场所的环境参数检测。

图2 主程序流程图Fig.2 Master program flow chart