基于STM32單片機(jī)動力環(huán)境監(jiān)控終端的設(shè)計與實現(xiàn)

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

　　0 引言

　　動力環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)是通過對戶外機(jī)柜的動力系統(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)行實時采集，并通過對數(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，動力環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)將在第一時間將故障信息推送給管理方服務(wù)平臺。工作人員可以通過服務(wù)平臺遠(yuǎn)程操作或者指派維護(hù)人員趕赴現(xiàn)場進(jìn)行設(shè)備維護(hù)，為業(yè)主減少因設(shè)備故障所帶來的經(jīng)濟(jì)損失。
　　1 系統(tǒng)設(shè)計

　　動力環(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是該動力環(huán)境監(jiān)控終端的電路原理框圖，圖2是該動力環(huán)境監(jiān)控終端與外設(shè)接線框圖。

　　2 硬件電路設(shè)計

　　2.1 RS485電路

　　RS485通信電路的設(shè)計如圖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)用過程中，因為通信的距離和通信速率不同，因此需要給RS485總線收發(fā)器配置偏置電阻和終端電阻。A點和B點的電位差需要≥ 200 mV，提升系統(tǒng)的抗干擾能力。
　　偏置電阻和終端電阻的計算公式:

　　當(dāng) R2 = ? 120 時，R1和 R3 ≤930 ? ，考慮到阻值的±5% 精度誤差，通過查找標(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，且通信長度在10 m以內(nèi)，因此這3個電阻可以選擇不接。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個獨立硬件 Socket 可以進(jìn)行8路獨立通信，該8路Socket的通信效率互不影響，可以通過 W5500 片上32 kB的收/發(fā)緩存靈活定義各個Socket的大小。
　　3 軟件設(shè)計

　　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)議類型分別將通信設(shè)備分別掛載在3個不同的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)聽有無數(shù)據(jù)回傳，當(dāng)計時一定時間內(nèi)有數(shù)據(jù)回傳，就清除計時定時器并等待數(shù)據(jù)接收完畢。當(dāng)一定時間內(nèi)無任何數(shù)據(jù)回傳，認(rèn)為該設(shè)備通信異常，便開始發(fā)送下一條查詢數(shù)據(jù)包。編程采用RTX實時操作系統(tǒng)，每一路RS485接口都開辟了1個線程處理數(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TCP連接服務(wù)器主機(jī)，當(dāng)連接上服務(wù)器平臺后，動力環(huán)境監(jiān)控終端先發(fā)送本機(jī)參數(shù)，使服務(wù)器平臺可以將當(dāng)前的Socket綁定至平臺對應(yīng)的數(shù)據(jù)庫地址，便于后期數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫。服務(wù)器平臺會定時向所有連接的Socket發(fā)送心跳包指令，用于查詢遠(yuǎn)程終端機(jī)是否掉線。動力環(huán)境監(jiān)控終端會將采集到的對象數(shù)據(jù)，經(jīng)過一系列的數(shù)據(jù)處理和判斷，最后整合打包通過Socket發(fā)送給服務(wù)器平臺。當(dāng)用戶需要對遠(yuǎn)程終端進(jìn)行控制的時候，通過web瀏覽器打開遠(yuǎn)程終端顯示界面，單擊功能按鈕后，服務(wù)器平臺會對遠(yuǎn)程終端發(fā)送控制命令，遠(yuǎn)程終端執(zhí)行控制命令后會返回一個執(zhí)行結(jié)果（如圖5）。

　　4 結(jié)語

　　在科技飛速發(fā)展的今天，動力環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)在機(jī)柜、無人化機(jī)房和工業(yè)廠房的應(yīng)用越來越多。不同行業(yè)對應(yīng)不一樣的需求，動力環(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，動力環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)會更趨向于更規(guī)范化、更智能化的方向發(fā)展。
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　　本文來源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2020年第02期第74頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。