許富景1，2，馬鐵華1，2，李新娥1，2

（1.中北大學 儀器與科學動態(tài)測試教育部實驗室，山西 太原030051；

2.中北大學 電子測試技術國家重點實驗室，山西 太原030051）

    摘  要： 針對貯運溫濕度監(jiān)測過程中，監(jiān)測設備體積大、功耗高、布線繁雜的難點，提出了一種基于μcos II的嵌入式低功耗貯運溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)采用嵌入式設計，提出低功耗策略將系統(tǒng)最低功耗降至200 μA以下。系統(tǒng)以STM32F407作為中央處理器，以大容量SD卡作為存儲介質，將系統(tǒng)體積降至60×80×20(mm3)以下，并運用ANSYS對其結構可靠性進行了分析。以紅外通信方式作為數(shù)據(jù)讀取方式，解決了設備布線繁雜的難點。現(xiàn)場試驗表明，系統(tǒng)具有監(jiān)測精確、布設靈活、數(shù)據(jù)讀取便捷的特點。

    關鍵詞： 貯運監(jiān)測；μcos II；低功耗；ANSYS

0 引言

    隨著現(xiàn)代社會的發(fā)展，許多領域對溫度和濕度兩個環(huán)境參數(shù)的要求越來越高，這就對溫度和濕度參量的監(jiān)測技術提出更高的要求。博物館、圖書館等貴重物品的貯存，糧食、農(nóng)副產(chǎn)品的貯運，石油、天然氣等能源物資的儲運等等都需要合適的溫濕度環(huán)境^[1-3]。這些應用場合往往對監(jiān)測設備體積、監(jiān)測設備功耗和設備是否需要外部布線有較高的要求。目前，國內該類技術仍較為欠缺，多數(shù)場合仍需人工操作進行監(jiān)測，不能滿足貯運過程對非接觸式遠程實時監(jiān)測參數(shù)的要求。最近幾年隨著ZigBee技術的發(fā)展，出現(xiàn)了一部分利用ZigBee實現(xiàn)的遠程監(jiān)測技術。該類監(jiān)測設備雖然實現(xiàn)了遠程監(jiān)測，然而監(jiān)測設備微型化、智能化、低功耗水平較差^[4]，使得監(jiān)測設備難以達到長時間監(jiān)測的應用需求。此外，這類監(jiān)測設備一般采用有線數(shù)據(jù)傳輸或者ZigBee傳輸方式，受到數(shù)據(jù)傳輸速率的影響，數(shù)據(jù)讀取誤碼率很高，且讀取很不便捷。

    為了解決上述問題，本文研制了一種基于μcos II的貯運過程溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)通過嵌入式技術設計的應用和低功耗監(jiān)測策略的制定降低系統(tǒng)功耗；通過大規(guī)模集成電路和溫濕度數(shù)字化集成傳感器的應用降低系統(tǒng)體積；系統(tǒng)選用大容量SD卡作為存儲介質，采用紅外無線方式讀取數(shù)據(jù)和對設備進行配置。既實現(xiàn)了監(jiān)測設備獨立遠程監(jiān)測，同時又滿足了設備低功耗要求，大大提高了溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)的便攜性和通用性。

1 系統(tǒng)設計

1.1 系統(tǒng)組成設計

    為滿足貯運過程設備安裝空間小、無法外部供電以及不能遠程布線的要求，監(jiān)測系統(tǒng)需具備獨立工作、無線操作和數(shù)據(jù)讀取便捷的特點。基于μcos II的貯運溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)應用示意圖如圖1所示，監(jiān)測系統(tǒng)完成貯運環(huán)境溫濕度信息的采集與存儲，通過紅外通信方式將數(shù)據(jù)上傳于上位機，建立相應數(shù)據(jù)庫對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計管理。

    受到Flash數(shù)據(jù)讀取速度和傳輸方式的限制，本監(jiān)測系統(tǒng)采用SD卡作為主存儲介質而將Flash存儲器作為備份存儲器，這樣既更便于監(jiān)測系統(tǒng)與上位機的數(shù)據(jù)傳輸，又增加了數(shù)據(jù)可靠性，監(jiān)測系統(tǒng)組成框圖如圖2所示。由于溫濕度環(huán)境參量一般變化緩慢，故正常情況下監(jiān)測系統(tǒng)按照1 min一次記錄溫濕度信息，當環(huán)境參量異常時，如溫濕度參量發(fā)生突變或超出預設危險閾值時，監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)出預警且進入實時采樣模式，此時監(jiān)測系統(tǒng)按照1 Hz(可通過紅外配置)采樣頻率采集環(huán)境信息。兩種狀態(tài)的轉換通過自行研制的運動感知開關進行切換。

    傳感器的性能指標直接影響著測試系統(tǒng)的體積和測試精度。為此，本文選取Sensirion公司研制的新一代溫濕度數(shù)字化傳感器SHT25，其集成體積只有3×3×1.1(mm³)，其中濕度傳感器為電容式相對濕度傳感器，溫度傳感器為能隙溫度傳感器，測量精度相對熱電偶溫度傳感器和干濕球濕度傳感器較高^[5]。SHT25溫濕度傳感器采用I²C通信接口與外界通信， 其原理圖如圖3所示。

1.2 紅外設計

    常用的短距離無線通信技術有藍牙、WiFi、紅外、ZigBee等等，但其中紅外通信技術的速率較快、功耗較低、誤碼率較低，這里采用紅外通信作為監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)讀取與上位機對監(jiān)測系統(tǒng)采樣頻率和工作狀態(tài)等參數(shù)進行配置的方式，具體指標參數(shù)如表1所示。紅外通信采用IrDA1.2標準，數(shù)據(jù)傳輸格式為3/16歸零碼格式，調制解調遵循圖4所示格式。

1.3 嵌入式設計

    基于μcos II的貯運溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)的中央處理器采用STM32F407型號ARM。選用該型號ARM的主要目的即為嵌入式設計^[6-7]。嵌入式系統(tǒng)支持多任務管理，實時性很強，有利于降低系統(tǒng)功耗和提升設備智能化水平。目前常用的嵌入式操作系統(tǒng)有μcosII、Linux和WinCE等，但μcosII系統(tǒng)代碼量最小，最適合在自主式設備中移植，故本文采用μcosII系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)一般由硬件層、驅動層和應用層組成^[8]，基于μcosII的嵌入式開發(fā)框圖如圖5所示。應用層程序中完成了傳感器數(shù)據(jù)的讀取與配置、SD卡的讀寫、紅外和I2C接口通信，進行了系統(tǒng)低功耗策略設計等。其流程圖如圖6所示。

2 系統(tǒng)可靠性分析

    監(jiān)測系統(tǒng)通過大規(guī)模集成電路的使用、溫濕度數(shù)字化傳感器的集成以及低功耗策略的制定三個方面減小體積，最終將監(jiān)測系統(tǒng)體積控制在60×80×20(mm³)以內。系統(tǒng)殼體材料選用材質較輕的鋁合金材料，因為監(jiān)測系統(tǒng)體積較小、殼體較薄，且要具有較高的可靠性和一定的抗沖擊性能。利用ANSYS有限元分析法對殼體抗沖擊性能進行靜態(tài)分析。選取單元類型為SOLID45，則建模結果如圖7所示^[9]。分析可知，20 000 g加速度載荷對于貯運過程監(jiān)測系統(tǒng)所處環(huán)境應是極限加速度值，此時利用ANSYS靜態(tài)分析仿真監(jiān)測系統(tǒng)形變結果。分別在監(jiān)測系統(tǒng)X、Y、Z方向施加20 000 g加速度載荷，則其靜態(tài)形變量分別如圖8、圖9、圖10所示。仿真結果顯示，在20 000 g加速度載荷作用下，監(jiān)測系統(tǒng)殼體最大形變量為0.03 mm，遠小于殼體厚度，不會對系統(tǒng)本身造成損傷，結構可靠性較高。

3 系統(tǒng)測試

    為綜合驗證貯運環(huán)境參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)功能，選取某小型倉庫進行現(xiàn)場試驗。試驗時在監(jiān)測對象包裝箱上布設環(huán)境參數(shù)監(jiān)測節(jié)點。環(huán)境參數(shù)監(jiān)測節(jié)點在貯存狀態(tài)下每天采集一次環(huán)境參數(shù)，而運輸過程則按照1 kHz采樣頻率進行采集。貯運環(huán)境溫度監(jiān)測結果如圖11所示，貯運濕度監(jiān)測結果如圖12所示。

    與標準溫度、濕度傳感器對貯運環(huán)境測量結果對比，環(huán)境參數(shù)智能監(jiān)測節(jié)點測量誤差如表2所示。由表2可知，溫度測量誤差小于0.8%，濕度測量誤差小于1%。

4 結論

    針對目前貯運溫濕度監(jiān)測領域中，監(jiān)測設備體積大、功耗高、布線繁雜的難點，本文提出一種基于μcos II的貯運溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)以STM32F407作為中央處理器提出低功耗策略，將系統(tǒng)最低功耗降至200 μA以下。系統(tǒng)通過大規(guī)模集成電路的應用，以SD卡作為存儲介質，將系統(tǒng)體積降至60×80×20(mm³)以下，并對結構可靠性進行了ANSYS仿真。系統(tǒng)以紅外通信方式作為數(shù)據(jù)讀取方式，解決了設備布線繁雜的難點。現(xiàn)場試驗表明，該監(jiān)測系統(tǒng)溫度測量誤差小于0.8%，濕度測量誤差小于1.0%，系統(tǒng)布設靈活、數(shù)據(jù)讀取方便。

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