基于ARM的温湿度监测系统

袁 立， 吕洪武， 王宏志

（长春工业大学计算机科学与工程学院，吉林长春 130012）

0 引 言

随着我国科研实力快速稳定的发展，在实验室管理中对实验室环境提出了更高的要求。实验室环境直接影响到实验能否顺利进行。因此，实验室环境的实时监测对科学技术的发展有着重要的意义。

实验室环境监测中温度和湿度是重要参数［1］。传统的实验室环境监测系统中采用的PC机控制监控系统具有精准、稳定等优势，但是也存在着成本过高、系统庞大等诸多问题［2］。

文中的主要研究目标是从监测实验室温度和湿度出发，针对高等院校中实验室环境，通过采用嵌入式开发技术和室内环境检测技术，在测量环境温度和湿度的前提下，研究设计一种成本低、实用性高、易便携的温湿度监测系统。

1 系统方案设计

实验室温湿度监测系统由ARM芯片对温湿度传感器控制，通过传感器实现对温湿度数据的采集，并对采集的数据进行处理与显示。ARM芯片具有高性能、低功耗的特点，可以应用在嵌入式Web服务器设计等诸多领域［3］。当温湿度数据超出或低于设定温湿度值时，由ARM驱动报警装置实现报警功能。该实验室温湿度监测系统原理结构如图1所示。

图1 系统原理结构

2 系统功能设计与实现

2.1 系统硬件电路设计

系统主控芯片选用三星公司的基于ARM7TDMI内核的S3C44B0微处理器［4］，该芯片内部有8 KB Cache。ARM7TDMI体系结构的特点是集成了Thumb代码压缩器，片内有ICE断点调试硬件和1个32位的硬件乘法器，S3C44B0内置系统存储控制器，LCD控制器等，还有2个通用DMA控制器（ZDMA），2个外围DMA控制器（BDMA），1个支持多主设备的I2C控制器，1个IIS总线控制器，5个PWM定时器和1个内部定时器，看门狗定时器Watch Dog，71个通用可编程的I／O口和8个外部中断源，具有8通道输入的10位ADC和具有日历功能的实时时钟RTC。

温湿度传感器则选用DHT11［5］温湿度传感器，该传感器是一款温湿度一体化的数字传感器。该传感器包括一个电阻式测湿元件和一个NTC测温元件，并与一个MCU相连接。通过与微处理器简单的电路连接就能够实时采集本地湿度和温度。DHT11与MCU之间采用一个I／O端口完成输入、输出双向传输通信。传感器内部40 bit的湿度和温度数据一次性传给主机，校验数据采用校验和的方式，能有效保证数据传输的准确性。DHT11功耗很低，5 V电源电压下，工作平均最大电流0.5 m A。DHT11的技术参数如下：工作电压范围：3.3～5.5 V；工作电流：平均0.5 m A；输出：单总线数字信号；测量范围：湿度20%RH～90%RH，温度0～50℃；精度：湿度±5%RH，温度±2℃；分辨率：湿度1%RH，温度1℃。

传感器数据输出的是未编码的二进制数据。数据（湿度、温度、整数、小数）之间分开处理。DHT11的数据格式十分简单，和MCU的一次通信最长为3 ms左右。

ARM芯片S3C44B0的PG2引脚和DHT11传感器的DATA引脚相连，DHT11采用3.3 V供电，如图2所示。

图2 ARM芯片与DHT11连线图

S3C44B0的PG2引脚是一个复用多功能引脚，可以设置成输出引脚、外部中断引脚等。PG2引脚还有一个可以设置成使能或禁止的上拉电阻。

系统通过预先设定的温、湿度阈值作为主要判断依据，当实验室环境中监测到的温、湿度数据超过或低于设定的阈值范围时，屏幕就会显示当前温、湿度数值，并且发出警告，由蜂鸣器发出报警。系统使用模块化任务设计，主要任务包括温湿度监测、ARM I／O控制、数据显示、阈值设定等。

2.2 系统软件设计

嵌入式系统使用μC／OS-II［6］操作系统，该系统是一个实时操作系统内核［7］，包含了任务调度、文件管理、任务管理、时间管理、内存管理以及任务间通信和同步等基本功能。μC／OS-II的目标是实现一个基于优先级调度的抢占式实时内核，并在这个内核之上提供最基本的系统服务，例如信号量、邮箱、消息队列、内存管理、中断管理等。μC／OS-II获得广泛使用不仅仅是因为它的源代码开放，还有一个重要原因，就是它的可移植性。μC／OS-II的大部分代码是用C语言写成的，只有与处理器硬件相关的一部分代码用汇编语言编写。可以说，μC／OS-II在最初设计时就考虑到了系统的可移植性，这一点和同样源代码开放的Linux很不一样，后者在开始的时候只是用于x86体系结构，然后才将与硬件相关的代码单独提取出来。

目前μC／OS-II支持ARM，Power PC，MIPS，68K／Cold Fire和x86等多种体系结构。

文中软件程序开发选用CodeWarrior for ADS v1.2［8］，该软件支持ARM10之前的所有ARM系列微控制器，支持软件调试及JTAG硬件仿真，支持汇编、C和C＋＋源程序。CodeWarrior for ADS v1.2集成开发环境主要提供了下面一些功能：

1）按照工程项目的方式来组织源代码文件、库文件以及其它文件。

2）设置各种生成选项，以生成不同配置的映像文件。

3）一个源代码编译器。它保存了代码中定义的各种符号，使用户可以在源代码中方便地跳转。

4）在文本文件中进行字符串的搜索和替换。

5）文本文件比较功能。

6）用户还可以根据自己的爱好设置集成环境的特色界面。

ARM芯片与DHT11通信过程如图3所示。

图3 ARM芯片与DHT11通信过程

主机信号由ARM芯片的PG2引脚发出。

在CodeWarrior for ADS v1.2软件开发环境下，结合系统的功能可将程序分为：主程序、温湿度监测任务、报警功能任务、系统数据显示任务等。通过μC／OS-II操作系统对任务的调度，实现了温湿度的监测和报警。系统主程序流程如图4所示。

图4 系统主程序流程

ARM启动传感器DHT11后，DHT11发送响应信号，把总线拉高80μs，准备发送数据，每一位数据都以50μs低电平时隙开始，高电平的长短决定了数据位是0还是1。

温湿度监测任务的程序流程如图5所示。

图5 温度检测流程

主要完成DHT11的启动，定时器2的设置，温湿度数据的读取等功能。定时器2中断服务程序流程如图6所示。

主要完成中断引脚设置，定时器5的初始化及启动等功能。

EINT2中断服务程序流程如图7所示。

图6 Time2中断服务程序流程

图7 EINT2中断服务程序流程

其作用是保存在发生中断时TCNTO5寄存器的当前值。

处理传感器数据的算法是：根据高电平之前出现的上升沿时刻TCNTO5寄存器的值（设为T1），以及高电平之后出现的下降沿时刻TCNTO5寄存器的值（设为T2），来计算高电平的时间，其中T1和T2的值可从全局数组Timer5data［84］中得到。若（T1－T2）＜28，则此高电平传输的位为0；若68＜（T1－T2）＜75，则此高电平传输的位为1。

2.3 系统调试与实现

将搭建好的硬件平台通过串行接口连接到PC机上，使用CodeWarrior for ADS集成开发环境，配以JTAG仿真器，将映像文件加载到嵌入式控制模块中，进行系统调试和测试实验等工作。

结合设计实物，对系统的测量精确度进行了校验。校验方式主要通过测量多组温湿度数据与标准温湿度状况相对比，监测结果见表1。

表1 测量分析数据

由表1结果可以看出，温度监测精度误差小于等于1.7℃，湿度精度误差小于等于3.0%RH，满足系统的应用设计要求，并且能够达到实验室对温度和湿度的监测要求。

此外，分别作了温湿度报警功能的测试。设定温度阈值为4～10℃时，在环境温度超出温度设定阈值后，蜂鸣器报警。设定湿度阈值为40%RH～50%RH，在环境湿度超出湿度设定阈值后，蜂鸣器报警。

最后，使用Tektronix的TDS2002型示波器验证软件驱动程序的正确与否，某次从显示器读到的数据为湿度36.0%RH，温度15.0℃，则对应的数据为：0010 0100，0000 0000，0000 1111， 0000 0000，0011 0011，如图8所示。

图8 系统运行时示波器显示波形

由以上数据就可得到湿度和温度的值，计算方法：湿度＝湿度整数×湿度小数＝36.0%RH；温度＝温度整数×温度小数＝15.0℃；校验＝湿度整数＋湿度小数＋温度整数＋温度小数＝51.0（湿度＋温度）（校验正确）。

串行接口实验数据如图9所示。

图9 串行接口实验数据图

3 结 语

以高校实验室环境温湿度为研究背景，利用嵌入式开发、室内环境监测等技术，通过合理地构建ARM嵌入式开发平台，对实时环境温度和湿度进行监测和预警。实验结果表明，系统设计满足易便携、稳定性好、成本低等要求，具有一定的实际应用价值。

［1］ 戴善溪，张效民.基于ZigBee技术的数字式温湿度监测网络设计［J］.国外电子测量技术，2010，33（2）：47-49.

［2］ 周云辉，王娇，钱云飞.基于嵌入式的环境温湿度监测系统设计［J］.电子测量技术，2012，35（9）：80-82.

［3］ 宫丽男，吕洪武，王宏志.基于ARM9的嵌入式Web服务器的设计［J］.长春工业大学学报：自然科学版，2009，30（5）：323-326.

［4］ 王海民，王宏志.STM32以太网控制系统［J］.长春工业大学学报：自然科学版，2014，35（1）：60-65.

［5］ 广州奥松电子有限公司.数字温湿度传感器DHT11［EB／OL］（2013-04-30）［2013-12-15］.http：／／www.aosong.com.

［6］ Jean J Labrosse.嵌入式实时操作系统μC﹨OS-Ⅱ［M］.邵贝贝，译.北京：北京航空航天大学出版社，2003.

［7］ 熊茂华，杨震伦.ARM9嵌入式系统设计与开发应用［M］.北京：清华大学出版社，2007.

［8］ 杜春雷.ARM体系结构与编程［M］.北京：清华大学出版社，2003.