基于STM32單片機動(dòng)力環(huán)境監控終端的設計與實(shí)現

　　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(mén)架系統方案，研發(fā)了一款基于STM32單片機的動(dòng)力環(huán)境監控終端，通過(guò)該終端實(shí)現對ETC門(mén)架機柜內設備、動(dòng)力和環(huán)境的監控，主要包含2臺空調、2臺UPS主機、3組電池、風(fēng)機、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(mén)磁傳感器和門(mén)禁的控制，并將采集的數據上傳至服務(wù)器平臺。
　　關(guān)鍵詞：STM32；單片機；動(dòng)力環(huán)境監控；機柜監控；ETC門(mén)架系統

　　0 引言

　　動(dòng)力環(huán)境監控系統是通過(guò)對戶(hù)外機柜的動(dòng)力系統、空調環(huán)境系統和設備運行狀況的數據進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并通過(guò)對數據的記錄和分析，判斷出當前機柜設備的運行狀況是否出現異常。如果出現異常，動(dòng)力環(huán)境監控系統將在第一時(shí)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(guò)服務(wù)平臺遠程操作或者指派維護人員趕赴現場(chǎng)進(jìn)行設備維護，為業(yè)主減少因設備故障所帶來(lái)的經(jīng)濟損失。
　　1 系統設計

　　動(dòng)力環(huán)境監控終端采用單片機做主控制器，采用ST公司的STM32系列的單片機。使用3個(gè)LED燈做指示電路，分別代表電源、運行和網(wǎng)絡(luò )通信狀態(tài)，3路RS485通信電路用于驅動(dòng)不同協(xié)議的廠(chǎng)家設備，2路RS232作為數據上傳和配置接口，1路網(wǎng)絡(luò )通信接口用于上傳數據，6路繼電器輸出電路用于控制外部設備，6路光耦輸入用于外設狀態(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)境監控終端的電路原理框圖，圖2是該動(dòng)力環(huán)境監控終端與外設接線(xiàn)框圖。

　　2 硬件電路設計

　　2.1 RS485電路

　　RS485通信電路的設計如圖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靜電保護能力和最大20Mbit/s傳輸速率。在日常應用過(guò)程中，因為通信的距離和通信速率不同，因此需要給RS485總線(xiàn)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，提升系統的抗干擾能力。
　　偏置電阻和終端電阻的計算公式:

　　當 R2 = ? 120 時(shí)，R1和 R3 ≤930 ? ，考慮到阻值的±5% 精度誤差，通過(guò)查找標準阻值取R1和R3的阻值為820 Ω。由于機柜內部設備通信速率在9 600 bit/s，且通信長(cháng)度在10 m以?xún)?，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，內部結構雙路雙向，保護工作電壓7 V、12 V。TH1為B3D090L，是表面貼裝三端子氣體放電管，保護設備免受中低強度的雷擊感應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支持高速標準4線(xiàn)SPI接口與主機進(jìn)行通信， 該SPI速率理論上可以達到 80 MHz。其內部還集成了以太網(wǎng)數據鏈路層（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。與傳統軟件協(xié)議棧不同，W5500內嵌的8個(gè)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(guò) W5500 片上32 kB的收/發(fā)緩存靈活定義各個(gè)Socket的大小。
　　3 軟件設計

　　3.1 RS485數據采集流程

　　RS485通信包含ModbusRTU協(xié)議、廠(chǎng)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)型分別將通信設備分別掛載在3個(gè)不同的RS485總線(xiàn)上，如圖2所示。軟件采用設備輪詢(xún)的方式采集數據，當查詢(xún)數據包發(fā)送完后，監聽(tīng)有無(wú)數據回傳，當計時(shí)一定時(shí)間內有數據回傳，就清除計時(shí)定時(shí)器并等待數據接收完畢。當一定時(shí)間內無(wú)任何數據回傳，認為該設備通信異常，便開(kāi)始發(fā)送下一條查詢(xún)數據包。編程采用RTX實(shí)時(shí)操作系統，每一路RS485接口都開(kāi)辟了1個(gè)線(xiàn)程處理數據。

　　3.2 TCP數據上傳流程

　　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，當連接上服務(wù)器平臺后，動(dòng)力環(huán)境監控終端先發(fā)送本機參數，使服務(wù)器平臺可以將當前的Socket綁定至平臺對應的數據庫地址，便于后期數據存入數據庫。服務(wù)器平臺會(huì )定時(shí)向所有連接的Socket發(fā)送心跳包指令，用于查詢(xún)遠程終端機是否掉線(xiàn)。動(dòng)力環(huán)境監控終端會(huì )將采集到的對象數據，經(jīng)過(guò)一系列的數據處理和判斷，最后整合打包通過(guò)Socket發(fā)送給服務(wù)器平臺。當用戶(hù)需要對遠程終端進(jìn)行控制的時(shí)候，通過(guò)web瀏覽器打開(kāi)遠程終端顯示界面，單擊功能按鈕后，服務(wù)器平臺會(huì )對遠程終端發(fā)送控制命令，遠程終端執行控制命令后會(huì )返回一個(gè)執行結果（如圖5）。

　　4 結語(yǔ)

　　在科技飛速發(fā)展的今天，動(dòng)力環(huán)境監控系統在機柜、無(wú)人化機房和工業(yè)廠(chǎng)房的應用越來(lái)越多。不同行業(yè)對應不一樣的需求，動(dòng)力環(huán)境監控系統需要很強的可擴展性和兼容性。未來(lái)，動(dòng)力環(huán)境監控系統會(huì )更趨向于更規范化、更智能化的方向發(fā)展。
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　　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。