基于FreeRTOS的物联网温度监测系统

2022-11-10郭富恒贺媛媛

智能物联技术 2022年2期

郭富恒，贺媛媛

（1.山东理工大学计算机科学与技术学院，山东淄博 255022；2.山东理工大学电气与电子工程学院，山东淄博 255022）

0 引言

温度是人们日常生活中的一个基本物理量，也是工业生产控制领域非常重要的变量之一。随着社会和科技的发展，测量温度的方式方法日益新颖，包含了接触式测温及非接触式测温等，温度传感器获取的数据越来越精准。利用传统的铂电阻温度探头作为获取温度的传感器，不仅设计成本低、性能可靠，还能够根据工程需求选择不同的精确度。

本文基于MQTT物联网协议设计了一种测温系统，搭载了FreeRTOS嵌入式操作系统，保证系统运行更加稳定；控制器选用ST公司的STM32F103C8T6，包含三个串口，两路IIC及两路SPI总线，采用M3内核，支持搭载嵌入式操作系统使用；通信模组选用合宙的Air724UG，其数据传输速率最大为480Mbps。该系统解决了常规测温系统数据实时性差、精准度低的问题，使用户能够远程、便捷获取当前测温点温度值。

1 电路设计

1.1 降压电路设计

由于输入电源为3S锂电，电压峰值约为12.6V，STM32F103C8T6为3.3V供电，Air724UG为4V供电，考虑到后期开发升级，还需要5V的电压。因此共设计了12V降压5V电路、5V降压3.3V电路和5V降压4.1V电路。

1.1.1 12V降压5V电路

降压芯片选用TPS54360，具有集成型高侧MOSFET的60V、3.5A降压稳压器。允许输入范围4.5V～60V，最高可支持65V输入；具有3.5A持续电流、4.5A最低峰值电感器电流限制。

RP可调电阻根据实际电压值进行调节；其中FB引脚为反馈端，也是跨导误差放大器的反相输入端。电路设计如图1所示。

图1 12V降压5V电路Figure1 12V step-down 5V circuit

1.1.2 5V降压3.3V电路

采用AMS1117-3.3V芯片，电路设计简单。Vin引脚输入5V电压，Vout引脚输出3.3V电压，同时在输入输出端放置滤波电容。电路设计如图2所示。

图2 5V降压3.3V电路Figure2 5V step-down 3.3V circuit

1.1.3 5V降压4.1V电路

由于Air724UG4G通信模组的第59和60号VBAT引脚需要4V电压的输入，故还需设计5V降压4.1V的电路来提供4V电源。本文采用合宙官方的降压方案，采用MIC29302芯片，共有6引脚，其中1和2引脚EN和IN为5V电压输入，3和6号引脚GND和TAB直接接地拉低，4号OUT引脚为4.1V稳压输出端，5号FB引脚为反馈引脚。电路设计如图3所示，其中输出电压计算公式为：

图3 5V降压4.1V电路Figure3 5V step-down 4.1V circuit

其中R38=200K，R39=33K，R37=100K，所以输出电压为：

1.2 测温电路设计

采用PT100铂电阻温度传感器获取温度值。其测温探头采用压簧式感温元件，抗震性能好；与其他热电阻相比，不需要进行温度补偿，能够节省成本。PT100分为A和B两个等级，测量范围在-200℃～850℃，其中A级精度为（0.15±0.002）℃，B级精度为（0.30±0.005）℃；采用进口Mobox电阻元件，性能可靠稳定、机械强度高，耐压性能好。PT100分为二线、三线、四线种类，每个种类引出的线数不同，应用场景也不同。由于此次对温度要求不高，故采用二线制。

为配合PT100铂电阻，加入MAX31865来读取和转换PT100测量的温度值。其内部集成了更低系统功耗且兼容二线、三线、四线的传感器，同时具有SPI（Serial Peripheral Interface）兼容接口；15位ADC分辨率，温度分辨率为0.03125℃，在整个工作条件下能够保持0.5℃的总精度；内部还集成了RTD开路、RTD短路及RTD元件短路的故障检测。

测温电路设计如图4所示，其中JP2端子为二线制PT100铂电阻连接端子，MAX31865的第11、12、13、14号引脚SDI、SCLK、CS、SDO分别与单片机相连接（按照程序），第19、20号DVDD、VDD引脚为3.3V输入端，需要在输入端加入100nF的滤波电容。

图4 PT100测温电路Figure4 PT100 temperature measuring circuit

2 系统配置

2.1 串口配置

Air724UG通信模组与单片机通过串口进行通信，考虑到后期可能进行开发升级，配置C8T6串口时，将串口1与TTL相连，串口2与Air724UG相连。

2.2 嵌入式系统配置

由于单片机在与4G模组通信时会通过串口传输大量的数据量，且程序裸跑极易造成程序跑飞，故加入嵌入式系统（FreeRTOS、RT-thread等）来监控程序的运行状态，在确保程序稳定的情况下也能保证串口数据传输的准确性。为兼容控制器STM32F103C8T6，本系统选用内核为M3的FreeRTOS嵌入式操作系统。

3 程序设计

3.1 通信模组连接

Air724UG与单片机通过串口进行通信，并通过相关AT指令进行操作。编写air_send_cmd（）函数通过串口进行AT指令的发送，通过air_check_cmd（）函数进行串口接收的应答判断。其他函数，如air_poweron（）函数为Air724UG的软启动函数，air_aliot_init（）函数为Air724UG配置MQTT协议及连接阿里云函数。

其中Air724UG软启动函数代码如下：

当变量res为0时，系统进入循环，通过串口向模块发送相应AT指令，当判断接收到理想的应答时res置1，系统退出循环；当没有判断接收到理想的应答时res=0，继续发送AT指令直至判断接收到理想的应答。

3.2 温度数据处理

由于PT100输出的是电阻信号，需要MAX31865进行数据转换，将电阻信号转换为数字量的电阻值，但转换后的值还需要程序端进行计算，得到数字量的温度值。

利用公式：R（T）=R0{1+aT+bT2+c（T-100）T3}进行计算。其中T表示温度值，R（T）表示T温度对应的阻值，R0表示0℃对应的阻值；

规定a=3.90830*10-3，b=-5.77500*10-7；当-200℃≤T≤0℃时，c=-4.18301*10-12；当0℃≤T≤850℃时，c=0。当温度T≤0℃时，温度曲线为非线性曲线，当温度T≥0℃时，温度曲线为线性曲线。

具体代码如下：

其中RREF_In与PT100的型号有关，二线、三线制的PT100铂电阻的参数RREF_In=430；通过MAX31865_Read_In（）函数读取MAX31865特定地址下的数值，其温度值存储在0×01及0×02，利用位操作即可获得当前PT100的电阻值，再通过数学计算得到当前电阻值对应的温度值，最终返回temp温度值。