基于嵌入式的纺织企业环境监测系统设计

（衡水学院 电子信息工程学院，河北 衡水 053010）

0 引言

纺织原料仓库存放有大量原料，如天然纤维（棉、麻、毛、丝）和化学纤维（人造、合成纤维），这些均具有易燃的特点；纺织印染厂的染化料种类多，具有易燃易爆、毒害腐蚀性的特点；纺织成品仓库的产品也需要防火、防潮等。例如，对于棉麻堆垛，垛内的温度不能超过38℃，湿度不应小于12%RH，如果温度过高，要及时采取散热措施；对于易燃易爆染化料如双氧水、次氯酸钠等，仓库温度应在20～28℃，湿度在60%～70%RH 等[1-2]。因此，纺织企业需要在生产、仓储等各个环节加强对环境的监测和管理，以保证纺织品的品质和人员财产的安全。

行之有效的环境监测方法主要是自动环境监测，即将传感器安放在仓库的不同位置，自动采集多点环境参数信息，实时性好，效率高。但受到传感器安装位置等因素影响，所采集的参数信息仍有局限性[3]。例如，高温雷雨天气时，堆垛处的温度和湿度会明显偏高。因此，还需辅以人工手持数据采集仪器对重点区域进行巡检，从而提升监测的全面性、可靠性。

1 系统结构

本研究对自动环境监测系统和手持数据采集仪器分别进行设计。自动实时环境监测系统包括STM32主控板、温湿度传感器DHT11、火焰传感器YS-17、OLED 液晶显示屏、报警电路等模块。STM32 主控芯片作为控制核心，利用温湿度和火焰传感器采集现场数据，通过显示屏实时显示，报警电路实现超限报警；手持数据采集仪器包括Arduino 开发板、温湿度传感器DHT11、火焰传感器YS-17、LCD 液晶显示屏、报警电路等模块，实现相关功能。

自动环境监测系统和手持数据采集仪器结构图分别如图1 和图2 所示。

2 自动实时监测系统主要硬件设计

自动实时监测系统对I/O 端口的数量和数据处理的速度等方面，有较高的要求。因此，在进行硬件电路设计时，应选择性能更高、扩展接口更多的器件。

2.1 主控模块

主控板核心选用ST 公司生产的高性能控制器STM32F103ZET6，开发板包括STM32 主控芯片、复位、振荡、稳压等电路和许多扩展接口，通过SWD 模式稳定下载程序。该芯片主频为72MHz，具有64KB SRAM和512KB FLASH，丰富的I/O 端口，标准先进的通信接口等，能够为传感器、显示屏等模块提供合适供电电压，保证系统正常工作，并且便于日后功能扩展。

2.2 温湿度传感器模块

温湿度传感器采用广州奥松公司的温湿度一体化数字传感器DHT11。该传感器的工作电压范围：3.5～5.5V，温度测量范围：0～50℃，湿度测量范围：20%～90%RH，湿度分辨率：1%，温度分辨率1℃。与STM32 之间仅需一个I/O 口就可实现单总线通信，接线简单，传感器内部湿度和温度40bit 的数据一次性传给STM32，并采用校验和方式对数据校验，数据准确性高[4]。

DHT11 的数据包由5 个字节 （byte4 byte3 byte2 byte1 byte0）组成，格式为：湿度整数、湿度小数、温度整数、温度小数、校验和数据各8bit。

湿度=byte4.byte3（%RH）

温度=byte2.byte1（℃）

校验和=byte4+byte3+byte2+byte1=（湿度+温度）（则校验正确）

DHT11 只有3 个引脚，VDD接电源，GND接地，DATA 接主控板的PG11。

2.3 显示模块

显示模块选用广州星翼电子科技公司的单色有机发光二极管OLED12864 模块，工作电压3.3V，分辨率128×64，多种接口方式，自发光，不需背光源、对比度高、视角广，特性优良。

OLED 模块的控制器是SSD1306。设计采用8080并行接口方式，使STM32 能够快速访问OLED。读/写过程为：先根据要读/写的类型，设置引脚DC，然后选中SSD1306，接着设置引脚RD/WR，最后在RD/WR 的上升沿将完成数据读/写。

OLED 模块的DC/RD/CS/RW/RST 引脚分别连接主控板的PD3/PG13/PD6/PG14/PG15，D0-D7 分别连接在PC0-PC7。

3 手持数据采集仪器主要硬件设计

手持数据采集仪器只需要在现场进行单路测量，实现基本监测功能。因此，在进行硬件电路设计时，应选择成本更低、开发更简单便捷的器件。

3.1 系统主控板选型

系统主控板选用开源硬件开发平台Arduino UNO。它采用的是Atmel 公司生产的ATmega328P 处理器。该芯片主频为16MHz，具有2KB RAM 和32KB FLASH，14 路数字输入输出口、6 路模拟输入口。它便于与传感器等器件连接，成本低，开发简单，修改方便，省时高效。

3.2 火焰传感器模块

远红外火焰传感器就是红外接收二极管中的一种，对火焰红外线波段最为敏感。火焰传感器选用YS-17 红外接收头，能够探测到波长在700～1000nm 范围内的红外光，在880nm 附近时，灵敏度达到最大，探测角度60℃左右。设计中保证反向偏置连接。

没有红外接收信号时，阻值极高；有红外信号时，阻值减小。火焰传感器将燃烧产生的红外线的强弱转化为火焰传感器电流的变化，电流流经固定电阻，使电位产生高低变化。通过实时监测电压值，并与设定的阈值电压进行比较，从而实现对火灾的监测和报警。

3.3 显示模块

结合实际应用需求、成本等方面，显示模块选用16 引脚液晶屏LCD1602。它可以显示2 行、16 列字符，成本较低、显示稳定、便于操作、尺寸适中，适用于手持式测量仪表。

4 系统软件设计

采用模块化设计思想进行系统软件设计，主要包括初始化程序、温湿度检测程序、火焰检测程序、液晶显示程序和报警程序等。

首先，进行系统和端口的初始化，然后温湿度传感器和火焰传感器分别检测仓库的温湿度与火灾情况，将检测结果实时显示在液晶屏上，检测一直进行，如果检测参数异常，自动报警，以尽早发现火情等安全隐患。

5 系统测试

经过多次反复设计与调试，系统基本实现整体功能。上电后，自动环境监测系统开始工作，温湿度传感器和火焰传感器不间断检测现场环境参数变化，并在液晶屏上实时显示温湿度信息。如果参数值不高于设定值，系统正常运行；如果参数值高于设定值，系统将报警，LED 一直点亮。开启手持数据采集仪器后，在重点区域检测时运行正常，液晶屏显示的温湿度信息等能够随位置移动而更新变化，效果良好。实验显示结果如图3 和图4 所示。

6 结语

基于嵌入式的纺织企业环境监测系统主要分为两部分：自动环境监测系统和手持数据采集仪器。它们分别以STM32 和Arduino 开发板为核心。自动环境监测系统能够实现对现场环境参数进行实时、高效的智能监测，在一定程度上使管理者对企业的人工投入成本减少，管理愈加智能化。而对于在不同区域无法实现传感器全覆盖、监测不够全面客观的问题，通过辅以企业员工定时或不定时巡检，只需要简单、低成本的手持数据采集仪器，就可以完成对重点区域的监测，弥补了传感器覆盖问题遗留的隐患，在很大程度上改善了这一问题。