基于STM32單片機(jī)動(dòng)力環(huán)境監(jiān)控終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　熊斯鵬，黃? 敏（江西方興科技有限公司，南昌 330025)
　　摘? 要：針對(duì)取消省界收費(fèi)站ETC門(mén)架系統(tǒng)方案，研發(fā)了一款基于STM32單片機(jī)的動(dòng)力環(huán)境監(jiān)控終端，通過(guò)該終端實(shí)現(xiàn)對(duì)ETC門(mén)架機(jī)柜內(nèi)設(shè)備、動(dòng)力和環(huán)境的監(jiān)控，主要包含2臺(tái)空調(diào)、2臺(tái)UPS主機(jī)、3組電池、風(fēng)機(jī)、智能防雷器、電力檢測(cè)儀、溫濕度傳感器、煙霧傳感器、水浸傳感器、門(mén)磁傳感器和門(mén)禁的控制，并將采集的數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器平臺(tái)。
　　關(guān)鍵詞：STM32；單片機(jī)；動(dòng)力環(huán)境監(jiān)控；機(jī)柜監(jiān)控；ETC門(mén)架系統(tǒng)

　　0 引言

　　動(dòng)力環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)是通過(guò)對(duì)戶外機(jī)柜的動(dòng)力系統(tǒng)、空調(diào)環(huán)境系統(tǒng)和設(shè)備運(yùn)行狀況的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的記錄和分析，判斷出當(dāng)前機(jī)柜設(shè)備的運(yùn)行狀況是否出現(xiàn)異常。如果出現(xiàn)異常，動(dòng)力環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)將在第一時(shí)間將故障信息推送給管理方服務(wù)平臺(tái)。工作人員可以通過(guò)服務(wù)平臺(tái)遠(yuǎn)程操作或者指派維護(hù)人員趕赴現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行設(shè)備維護(hù)，為業(yè)主減少因設(shè)備故障所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失。
　　1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　動(dòng)力環(huán)境監(jiān)控終端采用單片機(jī)做主控制器，采用ST公司的STM32系列的單片機(jī)。使用3個(gè)LED燈做指示電路，分別代表電源、運(yùn)行和網(wǎng)絡(luò)通信狀態(tài)，3路RS485通信電路用于驅(qū)動(dòng)不同協(xié)議的廠家設(shè)備，2路RS232作為數(shù)據(jù)上傳和配置接口，1路網(wǎng)絡(luò)通信接口用于上傳數(shù)據(jù)，6路繼電器輸出電路用于控制外部設(shè)備，6路光耦輸入用于外設(shè)狀態(tài)的輸入，電源電路為控制板上的所有電路供電。圖1是該動(dòng)力環(huán)境監(jiān)控終端的電路原理框圖，圖2是該動(dòng)力環(huán)境監(jiān)控終端與外設(shè)接線框圖。

　　2 硬件電路設(shè)計(jì)

　　2.1 RS485電路

　　RS485通信電路的設(shè)計(jì)如圖3。
　　該電路采用美信的MAX3485AE收發(fā)器，該芯片為3~3.6 V供電，擁有 ± 20 kV靜電保護(hù)能力和最大20Mbit/s傳輸速率。在日常應(yīng)用過(guò)程中，因?yàn)橥ㄐ诺木嚯x和通信速率不同，因此需要給RS485總線收發(fā)器配置偏置電阻和終端電阻。A點(diǎn)和B點(diǎn)的電位差需要≥ 200 mV，提升系統(tǒng)的抗干擾能力。
　　偏置電阻和終端電阻的計(jì)算公式:

　　當(dāng) R2 = ? 120 時(shí)，R1和 R3 ≤930 ? ，考慮到阻值的±5% 精度誤差，通過(guò)查找標(biāo)準(zhǔn)阻值取R1和R3的阻值為820 Ω。由于機(jī)柜內(nèi)部設(shè)備通信速率在9 600 bit/s，且通信長(zhǎng)度在10 m以內(nèi)，因此這3個(gè)電阻可以選擇不接。C1和C2為退耦電容，作用是消除電路網(wǎng)絡(luò)之間的寄生耦合。DZ1為SM712做傳輸接口的靜電保護(hù)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)雙路雙向，保護(hù)工作電壓7 V、12 V。TH1為B3D090L，是表面貼裝三端子氣體放電管，保護(hù)設(shè)備免受中低強(qiáng)度的雷擊感應(yīng)浪涌和其他電壓瞬變的侵害。

　　2.2 W5500以太網(wǎng)通信電路該電路

　　采用全硬件TCP/IP協(xié)議棧W5500以太網(wǎng)芯片，W5500支持高速標(biāo)準(zhǔn)4線SPI接口與主機(jī)進(jìn)行通信， 該SPI速率理論上可以達(dá)到 80 MHz。其內(nèi)部還集成了以太網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層（MAC）和10BaseT/100BaseTX 以太網(wǎng)物理層（PHY），支持自動(dòng)協(xié)商（10/100-Based全雙工/半雙工）、掉電模式和網(wǎng)絡(luò)喚醒功能。與傳統(tǒng)軟件協(xié)議棧不同，W5500內(nèi)嵌的8個(gè)獨(dú)立硬件 Socket 可以進(jìn)行8路獨(dú)立通信，該8路Socket的通信效率互不影響，可以通過(guò) W5500 片上32 kB的收/發(fā)緩存靈活定義各個(gè)Socket的大小。
　　3 軟件設(shè)計(jì)

　　3.1 RS485數(shù)據(jù)采集流程

　　RS485通信包含ModbusRTU協(xié)議、廠家私有協(xié)議和通信用磷酸鐵鋰電池協(xié)議，按照協(xié)議類(lèi)型分別將通信設(shè)備分別掛載在3個(gè)不同的RS485總線上，如圖2所示。軟件采用設(shè)備輪詢的方式采集數(shù)據(jù)，當(dāng)查詢數(shù)據(jù)包發(fā)送完后，監(jiān)聽(tīng)有無(wú)數(shù)據(jù)回傳，當(dāng)計(jì)時(shí)一定時(shí)間內(nèi)有數(shù)據(jù)回傳，就清除計(jì)時(shí)定時(shí)器并等待數(shù)據(jù)接收完畢。當(dāng)一定時(shí)間內(nèi)無(wú)任何數(shù)據(jù)回傳，認(rèn)為該設(shè)備通信異常，便開(kāi)始發(fā)送下一條查詢數(shù)據(jù)包。編程采用RTX實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，每一路RS485接口都開(kāi)辟了1個(gè)線程處理數(shù)據(jù)。

　　3.2 TCP數(shù)據(jù)上傳流程

　　使用W5500以太網(wǎng)芯片的1路Socket通過(guò)TCP連接服務(wù)器主機(jī)，當(dāng)連接上服務(wù)器平臺(tái)后，動(dòng)力環(huán)境監(jiān)控終端先發(fā)送本機(jī)參數(shù)，使服務(wù)器平臺(tái)可以將當(dāng)前的Socket綁定至平臺(tái)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)地址，便于后期數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)。服務(wù)器平臺(tái)會(huì)定時(shí)向所有連接的Socket發(fā)送心跳包指令，用于查詢遠(yuǎn)程終端機(jī)是否掉線。動(dòng)力環(huán)境監(jiān)控終端會(huì)將采集到的對(duì)象數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)一系列的數(shù)據(jù)處理和判斷，最后整合打包通過(guò)Socket發(fā)送給服務(wù)器平臺(tái)。當(dāng)用戶需要對(duì)遠(yuǎn)程終端進(jìn)行控制的時(shí)候，通過(guò)web瀏覽器打開(kāi)遠(yuǎn)程終端顯示界面，單擊功能按鈕后，服務(wù)器平臺(tái)會(huì)對(duì)遠(yuǎn)程終端發(fā)送控制命令，遠(yuǎn)程終端執(zhí)行控制命令后會(huì)返回一個(gè)執(zhí)行結(jié)果（如圖5）。

　　4 結(jié)語(yǔ)

　　在科技飛速發(fā)展的今天，動(dòng)力環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)在機(jī)柜、無(wú)人化機(jī)房和工業(yè)廠房的應(yīng)用越來(lái)越多。不同行業(yè)對(duì)應(yīng)不一樣的需求，動(dòng)力環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)需要很強(qiáng)的可擴(kuò)展性和兼容性。未來(lái)，動(dòng)力環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)會(huì)更趨向于更規(guī)范化、更智能化的方向發(fā)展。
　　參考文獻(xiàn)

　　[1] 潘洪躍. 基于MODBUS協(xié)議通信的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 計(jì)量技術(shù),2002(4):35-36.
　　[2] 凌國(guó)平, 周新建. 如何提高測(cè)控系統(tǒng)中RS485通信的可靠性[J].儀器儀表學(xué)報(bào), 2005(z1).
　　[3] 李明, 康靜秋, 賈智平. 嵌入式TCP/IP協(xié)議棧的研究與開(kāi)發(fā)[J]. 計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用, 2002, 38(16):118-121.
　　[4] 溫宗周, 張濤, 蔚泉清, 等. 基于簡(jiǎn)單網(wǎng)管協(xié)議(SNMP)的單片機(jī)實(shí)現(xiàn)方法[J]. 西安工程大學(xué)學(xué)報(bào), 2007, 21(6):830-834.
　　[5] 劉強(qiáng), 張中兆. 排隊(duì)優(yōu)先權(quán)站點(diǎn)輪詢系統(tǒng)的平均周期時(shí)間[J]. 通信學(xué)報(bào), 1999, 20(2):86-91.

　　本文來(lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2020年第02期第74頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。