室内环境智能监控系统

摘要—针对传统室内智能监控系统智能化程度低、缺乏便捷性的现象，本文设计建立了室内环境监控系统。系统采用STM32微控制器作为核心控制装置，采用SHT10温湿度传感器收集室内的温度和湿度。采集的数据通过RS-232串口以ASCII格式输出到数据传输单元（DTU）。 DTU模块使用GPRS网络将室内环境温湿度数据发送到数据库。用户可以通过手机APP进行实时监控，可以检查近期最高和最低温湿度、系统通信状态、室内温湿度随时间变化的曲线等。长期实验表明，该系统稳定性、实时性好，手机界面简单方便，用户可实现对室内环境的远程智能监控。与标准温湿度计相比，该系统的温湿度精度分别为plusmn;0.3℃，相对湿度plusmn;4％RH，可满足室内环境监测精度要求。

关键词：智能监控系统，STM32，温度和湿度测试，SHT10，数据传输单元

1.简介

随着科学技术的发展，人们对室内环境要求越来越严格，尤其是存放专用实验设备的实验环境。室内温度和湿度不仅影响工作人员的舒适度和效率，甚至设备的使用寿命和实验结果也可能产生负面影响。室内温度和湿度的非常规变化很容易影响某些特殊光学设备的使用寿命。但是，工作人员无法准确地感知到室内温度和湿度的变化，结果不依赖于员工感觉到的准确性;现有设备还可以监测室内的温度和湿度，但实时性和方便程度不一致

请求[3]。针对上述情况，本文选择基于Cortex-M3内核的STM32系列微控制器作为主控芯片，设计了室内环境智能监控系统。DTU模块用于将数据无线传输到后台数据库，使用户可以从移动终端获取室内温湿度数据，提高监控系统的准确性和方便性

2.系统硬件设计

2.1系统结构设计

室内环境智能监控系统由数据采集部分，数据传输部分，用户应用部分三部分组成。 数据采集部分和用户应用部分是分开设计的。 数据传输部分通过使用成熟数据终端单元（DTU）完成。

图2.1 系统结构图

系统整体结构的示意图如图2.1所示，它室内空气的温度和湿度由SHT10温湿度传感器收集。而室内温度和湿度数据通过GPRS网络发送到手机APP，可以实现环境室内系统的远程传输功能。手机APP可以查询室内空气温湿度的实时数据，历史数据，室内空气温度和湿度的最大值和最小值。最后，我们可以获得室内环境智能监控系统。

2.2温湿度采集板的电路设计

该系统的温湿度采集板由Altium Designer10完成，包括电路原理设计和PCB设计。 硬件电路框图如图2.2所示，主要包括控制芯片电路、电源电路、复位电路、晶体振荡电路，RS-232串口电路、JTAG调试电路和温湿度采集电路等。

图2.2 硬件电路框图

考虑到技术难度和系统成本方面，我们选择STM32F103RC微控制器作为系统的主控芯片。这种芯片属于增强型系列。它们的处理速度可以满足系统的需要，而且这种芯片也有足够的外围接口电路，可以在数据采集过程中实现系统的需求和各部分之间的通信。

系统采用12V开关电源作为电源，电源模块主要由LM2576D2T芯片和LM1117-3.3芯片组成，具有负载能力强，价格低的特点，电源模块可用于稳定电压转换。 LM2576D2T可将12V输入电压转换为5V输出电压，这对输出控制模块来说是合适的电源。5V电压可以通过LMll17 3.3芯片转换为3.3V输出电压，主要为STM32芯片，JTAG接口，实时时钟等供电。

通信模块由RS-232串口、SP3232EEY芯片、3.3V的电源电压组成，具有功耗低、外围电路简单的特点。STM32单片机通过RS-232串口将采集的数据传输到DTU模块。数据传输格式详见3.3节。

SHT10温湿度检测电路采用双线串行接口方式进行通信，使系统集成方便快捷。 时钟输入引脚SCK完成通信的定时同步（连接到STM32的PA12引脚）。SHT10引脚连接的示意图如图2.3所示。

图2.3 SHT10引脚连接图

2.3温湿度采集板的PCB设计

根据系统结构优化的思想，本文采用双层PCB板来完成该系统。温室远程监控和智能管理系统的工作环境复杂，PCB设计水平要求符合工业级抗干扰标准。温湿度采集板的PCB设计和采集板的物理对象如图4所示。

图2.4 温湿度采集板PCB图

2.4 SHT10温度和湿度传感器简介

SHT10温湿度传感器和成品包装图如图2.5所示。SHT10传感器由两部分组成：温度测量元件和测试敏感元件。 温度测量元件由能隙材料制成，湿度传感元件是电容聚合物。 它具有响应速度快，抗干扰能力强，稳定性好的优点。 主要技术指标见表2.1。

图2.5 SHT10温湿度传感器

表2.1 SHT10的主要技术指标

指数	范围	精度
温度	-40~ 123.8°C	plusmn;0.5℃
湿度	0~100%RH	plusmn;4.5%RH
输出模式	数字输出

SHT10传感器接口定义如表2.2所示：

表2.2 SHT10接口定义

针序列号	引脚名	功能
1	GND	接地
2	DATA	串行数据输入/输出
3	SCK	串行时钟输入
4	VDD	供电
5,6,7,8	NC	剩余引脚请勿连接

3.系统软件设计

3.1系统软件总体设计

温度和湿度室内监测系统的总体软件流程图如图3.1所示。系统的采样周期设置1min。

图3.1 监测系统的总体软件流程图

监控系统初始化完成后，温湿度采集板将收集室内温度和湿度，并进行数据处理，将十六进制数据转换为十进制数据，并通过RS232串口以某种格式输出新数据。然后系统检测到设定的周期T，并确定它是否达到了1min。如果它达到设定周期T，则STM32微控制器将数据发送到DTU模块。DTU使用GPRS网络将数据发送到监控系统的数据库。否则，它将继续收集和处理数据，然后将数据存储在内存中。最后将数据存储在后台数据库中，用户可以使用手机APP查询室内的温湿度的实时数据。

图3.2 SHT10温湿度传感器的流程图

3.2 SHT10工作流程

SHT10温湿度传感器的流程图如图3.2所示。初始化之后，SHT10等待测量命令，并根据DATA的级别确定是否执行命令以读取测量数据。如果拉低DATA电平，SHT I0将操作读取命令，该命令包括读取温度数据，湿度数据和校验码。否则，SHT10将继续等待，直到更低的数据级别出现。

3.3数据传输格式

系统通过温湿度采集板收集房间的温湿度参数，通信过程的数据包组成如表3.1所示。

表3.1 串行通信数据的组成

名称	长度	解释
帧头	4	####
数据长度	4	数据段的ASCII字符
数据段	0lt;nlt;1024	测试温湿度数据
CRC校验	4	CRC校验值
帧尾	2	lt;CRgt;lt;LFgt;

监控系统有两个测试节点，收集的数据包显示如下

####0073ID=OOOOOOOl ;MA=OO;DA=amp;amp;TO1=23.6/1 ;HOI=40.3/1; amp;amp; 5CFB

表3.2显示了这段数据的详细信息。

表3.3 实际数据部分的详细信息

数据区内容	内容含义
####	帧头
0073	数据长度
ID=00000001	设备编码，区分差异DTU
MA=00	命令编号00表示活动上载
DA=amp;amp;	数据开始标志
T01=23.6/1	1节点的温度为23.6°C。沟通很正常
HOl=40.3/1	1号节点湿度为40.3％RH，通讯正常
The second	本段的数据结束标记
5CFB	CRC校验模式

4.系统验证和结果分析

4.1系统运行结果显示

如图4.1所示，这是关于环境监测系统的移动电话APP的显示图。

图4.1 监控系统手机APP界面

登录系统后可以看到两个界面：实时显示界面和历史曲线界面。图8A显示了系统的实时显示屏，它可以显示监控系统的实时状态，用户可以通过它查看实时温度和湿度数据以及近期环境温湿度的最大值和最小值。另外，系统的历史曲线界面如图8B所示。根据用户的需求，可以显示某一历史事件中温湿度数据的历史曲线。 这样用户就可以掌握室内环境的变化趋势。

4.2系统稳定性测试

为了在实际应用中测试监控

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资料编号：[689]