嵌入式紡織企業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

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【摘要】隨著社會的發(fā)展進(jìn)步，人們對安全生產(chǎn)和紡織品的品質(zhì)都有了更高的要求。紡織企業(yè)內(nèi)環(huán)境參數(shù)變化是重要的影響因素。對紡織企業(yè)環(huán)境的要求進(jìn)行調(diào)查，提出一種基于嵌入式的紡織企業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計。系統(tǒng)包括自動實時監(jiān)測系統(tǒng)和手持?jǐn)?shù)據(jù)采集儀器，分別以STM32和Arduino為控制核心，通過溫濕度傳感器和火焰?zhèn)鞲衅鲗ζ髽I(yè)環(huán)境進(jìn)行實時監(jiān)測、顯示和報警。此舉既實現(xiàn)了實時、高效的監(jiān)測，也提高了監(jiān)測的全面性和可靠性。

【關(guān)鍵詞】嵌入式；紡織；環(huán)境監(jiān)測；傳感器

引言

紡織原料倉庫存放有大量原料，如天然纖維（棉、麻、毛、絲）和化學(xué)纖維（人造、合成纖維），這些均具有易燃的特點；紡織印染廠的染化料種類多，具有易燃易爆、毒害腐蝕性的特點；紡織成品倉庫的產(chǎn)品也需要防火、防潮等。例如，對于棉麻堆垛，垛內(nèi)的溫度不能超過38℃，濕度不應(yīng)小于12%RH，如果溫度過高，要及時采取散熱措施；對于易燃易爆染化料如雙氧水、次氯酸鈉等，倉庫溫度應(yīng)在20~28℃，濕度在60%~70%RH等[1-2]。因此，紡織企業(yè)需要在生產(chǎn)、倉儲等各個環(huán)節(jié)加強對環(huán)境的監(jiān)測和管理，以保證紡織品的品質(zhì)和人員財產(chǎn)的安全。行之有效的環(huán)境監(jiān)測方法主要是自動環(huán)境監(jiān)測，即將傳感器安放在倉庫的不同位置，自動采集多點環(huán)境參數(shù)信息，實時性好，效率高。但受到傳感器安裝位置等因素影響，所采集的參數(shù)信息仍有局限性[3]。例如，高溫雷雨天氣時，堆垛處的溫度和濕度會明顯偏高。因此，還需輔以人工手持?jǐn)?shù)據(jù)采集儀器對重點區(qū)域進(jìn)行巡檢，從而提升監(jiān)測的全面性、可靠性。

1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本研究對自動環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)和手持?jǐn)?shù)據(jù)采集儀器分別進(jìn)行設(shè)計。自動實時環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)包括STM32主控板、溫濕度傳感器DHT11、火焰?zhèn)鞲衅鱕S-17、OLED液晶顯示屏、報警電路等模塊。STM32主控芯片作為控制核心，利用溫濕度和火焰?zhèn)鞲衅鞑杉F(xiàn)場數(shù)據(jù)，通過顯示屏實時顯示，報警電路實現(xiàn)超限報警；手持?jǐn)?shù)據(jù)采集儀器包括Arduino開發(fā)板、溫濕度傳感器DHT11、火焰?zhèn)鞲衅鱕S-17、LCD液晶顯示屏、報警電路等模塊，實現(xiàn)相關(guān)功能。自動環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)和手持?jǐn)?shù)據(jù)采集儀器結(jié)構(gòu)圖分別如圖1和圖2所示。

2自動實時監(jiān)測系統(tǒng)主要硬件設(shè)計

自動實時監(jiān)測系統(tǒng)對I/O端口的數(shù)量和數(shù)據(jù)處理的速度等方面，有較高的要求。因此，在進(jìn)行硬件電路設(shè)計時，應(yīng)選擇性能更高、擴展接口更多的器件。

2.1主控模塊

主控板核心選用ST公司生產(chǎn)的高性能控制器STM32F103ZET6，開發(fā)板包括STM32主控芯片、復(fù)位、振蕩、穩(wěn)壓等電路和許多擴展接口，通過SWD模式穩(wěn)定下載程序。該芯片主頻為72MHz，具有64KBSRAM和512KBFLASH，豐富的I/O端口，標(biāo)準(zhǔn)先進(jìn)的通信接口等，能夠為傳感器、顯示屏等模塊提供合適供電電壓，保證系統(tǒng)正常工作，并且便于日后功能擴展。

2.2溫濕度傳感器模塊

溫濕度傳感器采用廣州奧松公司的溫濕度一體化數(shù)字傳感器DHT11。該傳感器的工作電壓范圍：3.5~5.5V，溫度測量范圍：0~50℃，濕度測量范圍：20%~90%RH，濕度分辨率：1%，溫度分辨率1℃。與STM32之間僅需一個I/O口就可實現(xiàn)單總線通信，接線簡單，傳感器內(nèi)部濕度和溫度40bit的數(shù)據(jù)一次性傳給STM32，并采用校驗和方式對數(shù)據(jù)校驗，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性高[4]。DHT11的數(shù)據(jù)包由5個字節(jié)（byte4byte3byte2byte1byte0）組成，格式為：濕度整數(shù)、濕度小數(shù)、溫度整數(shù)、溫度小數(shù)、校驗和數(shù)據(jù)各8bit。濕度=byte4.byte3（%RH）溫度=byte2.byte1（℃）校驗和=byte4+byte3+byte2+byte1=（濕度+溫度）（則校驗正確）DHT11只有3個引腳，VDD接電源，GND接地，DATA接主控板的PG11。

2.3顯示模塊

顯示模塊選用廣州星翼電子科技公司的單色有機發(fā)光二極管OLED12864模塊，工作電壓3.3V，分辨率128×64，多種接口方式，自發(fā)光，不需背光源、對比度高、視角廣，特性優(yōu)良。OLED模塊的控制器是SSD1306。設(shè)計采用8080并行接口方式，使STM32能夠快速訪問OLED。讀/寫過程為：先根據(jù)要讀/寫的類型，設(shè)置引腳DC，然后選中SSD1306，接著設(shè)置引腳RD/WR，最后在RD/WR的上升沿將完成數(shù)據(jù)讀/寫。OLED模塊的DC/RD/CS/RW/RST引腳分別連接主控板的PD3/PG13/PD6/PG14/PG15，D0-D7分別連接在PC0-PC7。

3手持?jǐn)?shù)據(jù)采集儀器主要硬件設(shè)計

手持?jǐn)?shù)據(jù)采集儀器只需要在現(xiàn)場進(jìn)行單路測量，實現(xiàn)基本監(jiān)測功能。因此，在進(jìn)行硬件電路設(shè)計時，應(yīng)選擇成本更低、開發(fā)更簡單便捷的器件。

3.1系統(tǒng)主控板選型

系統(tǒng)主控板選用開源硬件開發(fā)平臺ArduinoUNO。它采用的是Atmel公司生產(chǎn)的ATmega328P處理器。該芯片主頻為16MHz，具有2KBRAM和32KBFLASH，14路數(shù)字輸入輸出口、6路模擬輸入口。它便于與傳感器等器件連接，成本低，開發(fā)簡單，修改方便，省時高效。

3.2火焰?zhèn)鞲衅髂K

遠(yuǎn)紅外火焰?zhèn)鞲衅骶褪羌t外接收二極管中的一種，對火焰紅外線波段最為敏感?；鹧?zhèn)鞲衅鬟x用YS-17紅外接收頭，能夠探測到波長在700~1000nm范圍內(nèi)的紅外光，在880nm附近時，靈敏度達(dá)到最大，探測角度60℃左右。設(shè)計中保證反向偏置連接。沒有紅外接收信號時，阻值極高；有紅外信號時，阻值減小。火焰?zhèn)鞲衅鲗⑷紵a(chǎn)生的紅外線的強弱轉(zhuǎn)化為火焰?zhèn)鞲衅麟娏鞯淖兓?，電流流?jīng)固定電阻，使電位產(chǎn)生高低變化。通過實時監(jiān)測電壓值，并與設(shè)定的閾值電壓進(jìn)行比較，從而實現(xiàn)對火災(zāi)的監(jiān)測和報警。

3.3顯示模塊

結(jié)合實際應(yīng)用需求、成本等方面，顯示模塊選用16引腳液晶屏LCD1602。它可以顯示2行、16列字符，成本較低、顯示穩(wěn)定、便于操作、尺寸適中，適用于手持式測量儀表。

4系統(tǒng)軟件設(shè)計

采用模塊化設(shè)計思想進(jìn)行系統(tǒng)軟件設(shè)計，主要包括初始化程序、溫濕度檢測程序、火焰檢測程序、液晶顯示程序和報警程序等。首先，進(jìn)行系統(tǒng)和端口的初始化，然后溫濕度傳感器和火焰?zhèn)鞲衅鞣謩e檢測倉庫的溫濕度與火災(zāi)情況，將檢測結(jié)果實時顯示在液晶屏上，檢測一直進(jìn)行，如果檢測參數(shù)異常，自動報警，以盡早發(fā)現(xiàn)火情等安全隱患。

5系統(tǒng)測試

經(jīng)過多次反復(fù)設(shè)計與調(diào)試，系統(tǒng)基本實現(xiàn)整體功能。上電后，自動環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)開始工作，溫濕度傳感器和火焰?zhèn)鞲衅鞑婚g斷檢測現(xiàn)場環(huán)境參數(shù)變化，并在液晶屏上實時顯示溫濕度信息。如果參數(shù)值不高于設(shè)定值，系統(tǒng)正常運行；如果參數(shù)值高于設(shè)定值，系統(tǒng)將報警，LED一直點亮。開啟手持?jǐn)?shù)據(jù)采集儀器后，在重點區(qū)域檢測時運行正常，液晶屏顯示的溫濕度信息等能夠隨位置移動而更新變化，效果良好。實驗顯示結(jié)果如圖3和圖4所示。

6結(jié)語

基于嵌入式的紡織企業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)主要分為兩部分：自動環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)和手持?jǐn)?shù)據(jù)采集儀器。它們分別以STM32和Arduino開發(fā)板為核心。自動環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對現(xiàn)場環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實時、高效的智能監(jiān)測，在一定程度上使管理者對企業(yè)的人工投入成本減少，管理愈加智能化。而對于在不同區(qū)域無法實現(xiàn)傳感器全覆蓋、監(jiān)測不夠全面客觀的問題，通過輔以企業(yè)員工定時或不定時巡檢，只需要簡單、低成本的手持?jǐn)?shù)據(jù)采集儀器，就可以完成對重點區(qū)域的監(jiān)測，彌補了傳感器覆蓋問題遺留的隱患，在很大程度上改善了這一問題。

參考文獻(xiàn)

[1]黃向東.紡織原料倉庫的防火要求及措施[J].消防技術(shù)與產(chǎn)品信息，2013(5):7-8.

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[3]潘俊，吳俊君，賀媛媛.大型倉儲式物流中心的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].現(xiàn)代計算機(專業(yè)版)，2011(6):101-103.

[4]張寶，梁繼俊，孫騰達(dá)，等.一種空氣環(huán)境檢測儀設(shè)計[J].電器工業(yè)，2021(1):75-78.

作者：侯曉云 單位：衡水學(xué)院