智能温控系统设计

文柳

（遵义市产品质量检验检测院，中国遵义，563000）

0 前言

智能温控系统，使现代化电子技术、嵌入式系统及传感器技术相结合的综合产物。在具体的存储环境中，智能化、综合化的信息处理正在逐渐取代人工参与的工作量。一方面能够减小工作量，另一方面也能通过较为完整的采集、处理控制的嵌入式系统实现任务。同样地，定制化的温控系统能够应对各类的环境。通过单片机作为核心控制器，对环境的采集、控制能够进行多样化，精细化的把控。

随着人们对于室内存储环境要求的不断提高，系统的自动化、智能化一方面展现了当下发展的方向，同时也代表了社会的技术创造性突飞猛进。

单片微控制器，又称单片机。是集成电路芯片较为典型的一种类型。可以构成搭载多种外设的功能性系统。并且体积小，功能强。随着技术的不断发展，单片机的功能会变得更强，价格更低。这就为它广阔的应用前景打下了坚实的基础。而智能家居、智能温控类系统通过微电子技术、传感器技术、嵌入式技术等，利用传感器获得外界环境信息。并通过单片机对多个环境数据数据进行处理，控制对应的外部设备来调整外部环境或者发送信息等。

1 系统总体方案

本系统由硬件软件两个部分组成：硬件结构是嵌入式系统的基础和运行平台，通过该平台为系统的运行提供物理支持与通信接口，主要包括嵌入式处理器芯片和外围设备。本系统包含采集模块和功能性驱动模块。其中温湿度传感器、光照强度传感器为；触摸屏、蓝牙模块、步进电机、PWM、存储模块为功能性模块。

软件是系统运行的核心部分，性能越强大的处理器越需要软件进行资源的合理分配调度。系统总体框图如图1。

图1 系统总体设计框图

2 硬件设计

本系统选用STM32F103ZET6作为核心处理器，这是基于ARM Cortex-M3系列的处理器，其中包含512K字节的FLASH容量，并且包含丰富的资源；GPIO、定时器、串口、USB、ADC、FSMC接口、硬件IIC、硬件SPI等。STM32如图2。

图2 STM32微处理器

系统最小系统包括复位电路、晶振电路、调试下载接口电路、微处理芯片。对于STM32来说，还需要启动选择电路这一部分。复位电路与时钟电路如图3、图4。

图3 复位电路

图4 时钟电路

值得注意的是，BOOT选择电路的BOOT0，BOOT1电平状态的不同决定了芯片在复位完成后从哪个区域进行执行，且第一种方法使最为常见的使用方法。BOOT选择电路如图5。

图5 BOOT选择电路

温湿度传感器具备了数字模块采集和温湿度两种信号获取技术，能够同时进行温湿度信号检测并进行输出。

温湿度传感器如图6。

图6 温湿度传感器

能够满足0-50℃的温度测量以及20%-90%的湿度测量。基本包括系统运行的各类环境条件。

光照采集一种两线式串行总线接口的集成电路，可以根据收集的光线强度数据来进行环境监测，其具有高分辨率，可支持较大范围的光照强度变化。

电容式触摸屏，它支持多点触摸，能够很好地满足游戏，电影、办公等人机交互的应用。对于工作环境相对恶劣的工业控制来说并不适用。而电阻式触摸屏则没有这些限制，因此在工业控制领域的输入操作设备中占有绝对优势。本系统涉及的人机交互很大一部分就是通过单片机驱动实现。模块接口如图7。

图7 模块接口图

电阻触摸屏的屏体部分是一块多层复合薄膜,由一层玻璃或有机玻璃作为基层,表面涂有一层透明的导电层,上面再盖有一层外表面经过硬化处理、光滑防刮的塑料层。当外力使两层ITO接触时，电阻就会发生变化。控制器通过这个变化的电阻的变化情况来判断触碰点的坐标。

3 软件设计

本系统通过STM32F103ZET6为硬件基础，结合各类采集模块、功能模块以及触摸屏模块为硬件基础，并结合FREERTOS进行应用层任务的调度，以此实现智能温控系统的基本任务。软件设计应满足低耦合高内聚的定性标准。基于这种要求，采用-重精简、高效、低成本的嵌入式实时操作系统就显得非常重要。软件任务框架如表1。

表1 任务软件框架图

因为该系统涉及操作系统，则对于软件构成来说，对于软件层次的划分与使用就显得格外重要。对于系统的稳定运行来说系统层和应用服务层来说是格外重要的。硬件层是通过各类元器件外设的数据手册编写的驱动代码。

应用层是实现需求的软件部分，是由多个包含任务句柄、优先级、堆栈、功能函数等部分的任务组成。可以根据需求实现对应的任务。并且多个任务之间可以通过队列、信号量、事件标志组、任务通知进行通信。

本系统将整个代码划分为三个部分：初始化部分、FREERTOS部分、应用任务部分。

初始化部分首先初始化使用到的外设，并分配应用层各个任务的优先级、堆栈。并通过开始任务创建各个应用任务。

本系统的存储记录设计使用的存储芯片通过协议进行通信。存储芯片空间较大，因此写入以扇区为操作单位，并需要在写入前对该扇区进行擦除操作。发送时以字节为最基本的单位。

首先初始化用于校准存储地址的i，并读取温湿度、光照强度的数值。并将数据依次发送，直到扇区写入完毕重新从地址开始写入。并将数据通过串口连接的蓝牙之间进行通信，并通过连接到电脑的蓝牙将数据显示到串口上位机中。

报警任务优先级较高，为了确保出现温湿度、光照强度异常时能够及时响应。主要通过声光报警来进行预警。

4 总结与展望

本系统从硬件的选型、系统架构的设计以及软件的控制方式等基本角度出发，通过参考学习大量相关文献，实现了基于FREERTOS的智能温控系统的嵌入式方案，并且本系统在实现功能的同时也保证了一定的可靠性以及定制化的功能。该系统能够在保障稳定性的同时降低成本，在一定程度上提高了系统的灵活性。

在具体的实现过程中，由于时间和能力有限，在硬件方面考虑并不周全，对于软件部分的实现也并不是十分顺利，多次出现了逻辑导致的BUG。浪费了大量的时间，导致未能按照周进度的预期实现系统的功能开发。尽管最终实现了基本的功能要求，但在操作系统的使用上并不够深度，没能在本次设计中充分体现出使用操作系统的优势。同时，测量的参数也十分有限，没能从多个角度去分析系统。本系统还可以加入远程的访问、APP的对接、语音模块、能耗分析等。从而实现真正意义上的“智能”。