金立艳 齐永宏 赵明辉 韦学勇

摘要：为满足气密空间内环境信息实时监测与存储的需求，该文设计一款基于 STM32的多环境参数监测系统。该系统具有实时数据采集、数据存储、历史数据查询及报警阈值等功能。其中报警阈值功能可有效保证系统及时提供报警信息，方便监测气密空间内环境。系统由参数采集模块与人机交互模块构成，模块之间通过 RS232接口实现参数设定、实时数据显示及历史数据查询显示功能。试验结果表明该环境监测仪在12 h 内与标准传感器对气密空间内环境信息的采集数据呈现良好的一致性，其数值波动皆处于设置的阈值以内。该文设计的环境监测系统对气密空间内环境监测具有良好的实用性和可靠性，具有广阔的应用前景。

关键词： STM32控制器;气密空间;环境监测;人机交互

中图分类号： TP274文献标志码： A文章编号：1674–5124（2021）12–0131–05

Multi-environmental information intelligent monitoring system for airtight space

JIN Liyan1，QI Yonghong2，ZHAO Minghui2，WEI Xueyong2

（1. Nanjing Vocational Institute of Transport Technology， Nanjing 211188， China;2. School of MechanicalEngineering， Xian Jiaotong University， Xian 710049， China）

Abstract： To meet the requirements of real-time collection and storage of environmental information in airtight spaces， this paper designs a multi-environment parameter monitoring system based on the STM32 controller. The system has the functions of real-time collection and storage of information， historical information query， and alarm threshold. The alarm threshold function can effectively ensure that the system provides timely alarm information to facilitate the monitor of the environment in the airtight space. The system is composed of an acquisition module and a human-computer interaction module. The modules communicate through the RS232 interfacetoachieveparametersetting，real-timedatadisplay，andhistoricalquerydisplayfunctions. The experiment suggests that the environmental monitoring instrument has a good consistency with the standard sensor in thecollectionof environmental information in theairtightspace within 12 h，and its numerical fluctuationsarewithinthesetthreshold. Theenvironmentalmonitordesignedinthispaperhasgood practicability and reliability for environmental monitoring in airtight spaces and has a wide range of application prospects.

Keywords： STM32 controller; airtight space; environmental monitoring; human-computer interaction

0引言

稳定的密闭环境是保障众多产品测试顺利进行的重要实验基础。实验过程中，内部环境往往会受外部环境和仪器自身气密性的影响，从而使内部环境与预期实验条件不符。当环境误差超过预定阈值时就会对试验产品的性能及实验结果产生不容忽视的影响。

通常，温湿度、颗粒物浓度、大气压强、氧气浓度等是气密实验空间内的重要环境信息，对以上信息进行精准、实时监测对稳定实验环境，确保测试结果的准确性具有重要意义[1-3]。鉴于环境质量监测的重要性，研究者设计了多种类型的环境检测仪对空间环境信息进行监测。张宝[4]等以51单片机为核心，结合多種传感器对室内的环境参数进行监测。邵延华[5]等使用 GPRS 将数据发送到云服务器进行存储，提高了环境监测工作的灵活性，有效解决了环境监测站只能针对固定地点进行监测的问题。莫康信[6]等设计了一种基于 ZigBee 技术的环境数据采集监控系统，实现了光伏电站环境参数的实时监测。严学阳[7]等设计了一种基于 STM32的手持环境监测系统，功耗低、携带方便，具有广阔应用前景。姚世平[8]等发明了一种智能环境监测仪，结合先进的数据校正算法和标准的校正设备，能够对10个环境监测项目进行精准测量。

目前，市场上也具有各种环境监测仪，但其一般采用外部有线供电的方式，其功耗大且功能单一，难以满足气密实验环境中特定参数长时间监测的需求。例如江苏吉华电子科技有限公司生产的 JH- KQ 型微型环境空气质量监控系统主要针对室外空气中的颗粒物进行监测而不能对氧浓度、压强等参数进行监测。深圳博云创环境科技有限公司生产的 BYS700-GXX 型环境检测仪主要针对室外 CO、 O3、PM2.5等参数进行测量，而不能对氧浓度、压强等参数进行监测。四零易联（苏州）智能科技有限公司设计了一种智能环境监测仪，主要测量室外的温湿度、噪音和烟雾等参数，并且体积大、功耗高[9]。

虽然目前已经具有多种环境信息监测的解决方案，但都主要应用于室外或者开放室内的环境信息监测，而不适用于气密实验空间环境信息的监测。同时，虽然每种解决方案都具有同时监测多种环境信息的功能，但还没有一种解决方案能同时监测空气的温度、湿度、气压、氧气浓度和 PM2.5浓度参数，因此不能很好地应用于气密实验空间内的环境信息监测。因此需要设计出一种适用于气密实验空间环境监测同时又满足气密试验空间环境信息监测需求的系统。

针对以上需求，本文设计了一种基于 STM32单片机的低功耗智能多环境参数监测存储系统。该系统以气密实验空间环境的温度、湿度、气压、氧气浓度和 PM2.5浓度作为主要的测量参数。该系统不但能够实时通过显示屏显示各环境参数变化信息，还能将测量的数据保存至 SD 卡，用户可以通过显示屏操作来查询气密空间环境变化的历史信息。测試结果表明，该环境监测系统性能可靠，满足气密空间环境的监测需求，具有广阔的应用前景。

1系统总体设计

本环境监测系统由采集模块和交互模块两部分组成。采集模块是基于 STM32单片机开发的数据采集模块，该模块能够根据系统设定的采样频率实时采集多路环境参数，同时将数据通过接口传输给交互模块;交互模块同样是基于STM32单片机开发的人机交互单元，使用电容式触摸显示屏、SD 卡等外设，实现了参数设置、开关控制、数据显示、数据存储和历史数据的曲线图显示等功能。此外环境监测系统还具有两路 RS232接口，一路用于实现人机交互模块与采集模块之间的通信，另外一路预留（后续可供其他控制单元作为采集端使用，可实现气密空间内部环境的闭环控制）[10]。

2硬件设计

本系统的控制单元采用基于 ARM Cortex-M3内核144引脚的 STM32F103ZET6单片机。该款芯片具有3路串行外设接口（SPI），5路通用异步收发传输器（USART）和2路二线制同步串行总线（IIC）等硬件接口，且外设丰富，Flash 容量较大，可以满足监测系统中采集单元控制和通信的需求。硬件总体设计结构框图如图1所示。

环境监测系统的具体工作步骤为：

1）通过温度传感器、湿度传感器、气压传感器、氧气浓度传感器和 PM2.5浓度传感器实时采集气密空间内的环境信息，并将信息传输至处理器进行数据滤波和校正处理。

2）采集模块通过 RS232接口将处理后的环境信息传输至交互模块。

3）交互模块通过触摸屏设定监测仪对各环境参数的报警触发阈值。当采集到的环境数值信息超过用户设定的阈值后系统会通过蜂鸣器发出报警提示音。用户可以通过按键关闭报警与显示功能以降低系统功耗。

4）交互模块接收数据并进行校验，校验无误后将数据在触摸屏上显示并存储至本地的 SD 卡。随后将数据与用户设定的阈值进行比较以确认气密空间内部环境是否正常。

交互模块与采集模块的实物图如图2所示。

2.1采集模块硬件设计

该模块主要由 STM32F103ZET6单片机、温湿度传感器 SHT35、气压传感器 MS8607、氧气传感器 ZE03-O2、PM2.5传感器 SPS30、RS232信号转换电路和电源调理电路组成[11]。本文所使用的传感器性能指标如表1所示。

2.2交互模块硬件设计

该模块主要由 STM32单片机、触摸屏控制电路、气压传感器 MS8607、SD 卡存储电路、RS232信号转换电路、电源调理电路和采集模块电源控制电路组成[12]。

由于采集模块驱动的通风风机功耗较大且主控制器的 IO 输出端口驱动能力不足，本文设计了采集模块电源控制电路作为采集模块与交互模块的中间控制与隔离环节，如图3所示。该电路能有效控制并消除采集模块功率变化导致整体电路供电不稳定的影响。

3软件设计

系统的软件设计主要包括两个部分。一部分是采集模块软件：主要用于实现各种环境信息采集、数据处理及信息上传等功能;另一部分是交互模块软件：主要用于实现环境信息接收、数据校验、数据存储、历史波形显示、阈值判断及人机交互等功能。

3.1采集模块软件设计

该软件的主要功能是接收交互模块命令并执行相应的采集操作，采集完成后依据系统默认的标定参数对数据进行校正处理，随后数据以约定格式封装为一帧并通过 RS232接口上传至交互模块。采集模块软件设计的主程序流程图如图4所示。

3.2交互模块软件设计

该部分软件主要分为主函数采集程序、数据存储程序、用户设置程序和数据导出程序。在系统运行前首先要设置好温度、湿度、气压、氧气浓度及 PM2.5浓度的参数（上限阈值、下限阈值），这些参数是气密环境是否达到所设标准的判断依据。在气密空间充气的过程中用户需要实时监测内部环境参数的变化来反馈充气过程，这需要将系统设置为快速采样。交互模块软件设计的主程序流程图如图5所示。

考虑到人性化理念，该模块将触摸显示屏作为人机交互接口，使环境监测系统的功能更加灵活化、高效化。此处主要设计了如图6所示的4种友好窗口。历史数据界面主要记录一天内环境数据的变化， SD 卡中存储着开机以来的历史数据，在记录周期为1 h 的情况下 SD 卡最多可存储连续1年的数据。

4试验验证

为了对比本文设计的环境监测系统与标准传感器之间的性能差异，需要对环境监测系统和标准传感器进行相同条件下的对比试验。

4.1试验验证平台和试验过程

对比试验采用如图7所示的柔性罐体包装箱作为被测气密空间，将环境监测系统的采集模块与标准传感器（高精度测量仪表）固定在被测气密环境内的相同部位，将环境监测系统的交互模块安装在罐体底部。使用柔性罐体可能与实际的气密空间有所区别，例如在温湿度、气压的稳定性等方面。我们此次的试验目的是为了对比环境监测系统与标准传感器的性能差异，不是对比柔性罐体与气密空间的差异。当柔性罐体的温湿度、气压环境信息发生变化时，环境监测系统和标准传感器的输出值均会产生相同趋势的变化。因此，柔性罐体与气密空间之间的环境信息差异不会对试验结果产生影响。

通过交互模块设定系统的阈值参数，设定完成后采集模块采集内部环境数据并通过 RS232接口将数据传输至交互模块进行显示和存储。

选择2020年6月20日作为起始测量试验点，60 min 作为一个采集存储周期，使监测仪连续运行12 h。

4.2试验数据分析

环境监测系统的采集数据和罐体标准传感器的采集数据对比如图8所示。

環境监测仪与标准传感器对湿度和 PM2.5的采集数据折线图如图8（a）（左侧轴为湿度坐标轴，右侧轴为 PM2.5坐标轴）所示，可以看到在12 h 以内，环境监测仪与标准传感器的采集数据呈现良好的一致性。图8（b）展示了两种仪器对温度以及氧浓度的对比分析，可以看到两种仪器对温度的采集数据呈现良好的一致性，对氧浓度参数具有0.4%的最大误差。当氧浓度误差阈值设定为0.5%时，该误差可以被忽略。环境监测仪与标准传感器对压强的采集数据折线图如图8（c）所示，两种仪器采集的最大压强误差为300 Pa，该误差在压强误差阈值为500 Pa 时可以被忽略。

通过以上两组数据对比可以看到在12 h 内，环境监测仪与标准传感器对温度、湿度以及 PM2.5的采集数据呈现良好的一致性，其数值波动都处于设置的阈值以内。因此本文设计的环境监测系统达到了预期的目标，满足气密空间环境的监测需求。

5 结束语

本文设计了一种用于气密空间中多环境参数信息智能监测的环境监测仪，该仪器结构简单、功耗低、成本低、实用性强。环境检测仪可通过人机交互模块进行系统参数配置，实时采集并存储数据，同时将数据以折线图的形式显示环境参数的变化趋势。试验结果表明该环境监测仪与标准传感器对环境信息的采集值呈现良好的一致性，两者的数值波动皆处于设置的阈值以内。本文设计的多参数环境存储监测仪可有效监测并记录气密空间内部环境的变化，为工程人员分析、优化气密试验环境提供可靠的依据，具有非常广泛的应用价值。

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（编辑：谭玉龙）