基于STM32单片机动力环境监控终端的设计与实现

　　熊斯鹏，黄  敏（江西方兴科技有限公司，南昌 330025)
　　摘  要：针对取消省界收费站ETC门架系统方案，研发了一款基于STM32单片机的动力环境监控终端，通过该终端实现对ETC门架机柜内设备、动力和环境的监控，主要包含2台空调、2台UPS主机、3组电池、风机、智能防雷器、电力检测仪、温湿度传感器、烟雾传感器、水浸传感器、门磁传感器和门禁的控制，并将采集的数据上传至服务器平台。
　　关键词：STM32；单片机；动力环境监控；机柜监控；ETC门架系统

　　0 引言

　　动力环境监控系统是通过对户外机柜的动力系统、空调环境系统和设备运行状况的数据进行实时采集，并通过对数据的记录和分析，判断出当前机柜设备的运行状况是否出现异常。如果出现异常，动力环境监控系统将在第一时间将故障信息推送给管理方服务平台。工作人员可以通过服务平台远程操作或者指派维护人员赶赴现场进行设备维护，为业主减少因设备故障所带来的经济损失。
　　1 系统设计

　　动力环境监控终端采用单片机做主控制器，采用ST公司的STM32系列的单片机。使用3个LED灯做指示电路，分别代表电源、运行和网络通信状态，3路RS485通信电路用于驱动不同协议的厂家设备，2路RS232作为数据上传和配置接口，1路网络通信接口用于上传数据，6路继电器输出电路用于控制外部设备，6路光耦输入用于外设状态的输入，电源电路为控制板上的所有电路供电。图1是该动力环境监控终端的电路原理框图，图2是该动力环境监控终端与外设接线框图。

　　2 硬件电路设计

　　2.1 RS485电路

　　RS485通信电路的设计如图3。
　　该电路采用美信的MAX3485AE收发器，该芯片为3~3.6 V供电，拥有 ± 20 kV静电保护能力和最大20Mbit/s传输速率。在日常应用过程中，因为通信的距离和通信速率不同，因此需要给RS485总线收发器配置偏置电阻和终端电阻。A点和B点的电位差需要≥ 200 mV，提升系统的抗干扰能力。
　　偏置电阻和终端电阻的计算公式:

　　当 R2 = Ω 120 时，R1和 R3 ≤930 Ω ，考虑到阻值的±5% 精度误差，通过查找标准阻值取R1和R3的阻值为820 Ω。由于机柜内部设备通信速率在9 600 bit/s，且通信长度在10 m以内，因此这3个电阻可以选择不接。C1和C2为退耦电容，作用是消除电路网络之间的寄生耦合。DZ1为SM712做传输接口的静电保护，内部结构双路双向，保护工作电压7 V、12 V。TH1为B3D090L，是表面贴装三端子气体放电管，保护设备免受中低强度的雷击感应浪涌和其他电压瞬变的侵害。

　　2.2 W5500以太网通信电路该电路

　　采用全硬件TCP/IP协议栈W5500以太网芯片，W5500支持高速标准4线SPI接口与主机进行通信， 该SPI速率理论上可以达到 80 MHz。其内部还集成了以太网数据链路层（MAC）和10BaseT/100BaseTX 以太网物理层（PHY），支持自动协商（10/100-Based全双工/半双工）、掉电模式和网络唤醒功能。与传统软件协议栈不同，W5500内嵌的8个独立硬件 Socket 可以进行8路独立通信，该8路Socket的通信效率互不影响，可以通过 W5500 片上32 kB的收/发缓存灵活定义各个Socket的大小。
　　3 软件设计

　　3.1 RS485数据采集流程

　　RS485通信包含ModbusRTU协议、厂家私有协议和通信用磷酸铁锂电池协议，按照协议类型分别将通信设备分别挂载在3个不同的RS485总线上，如图2所示。软件采用设备轮询的方式采集数据，当查询数据包发送完后，监听有无数据回传，当计时一定时间内有数据回传，就清除计时定时器并等待数据接收完毕。当一定时间内无任何数据回传，认为该设备通信异常，便开始发送下一条查询数据包。编程采用RTX实时操作系统，每一路RS485接口都开辟了1个线程处理数据。

　　3.2 TCP数据上传流程

　　使用W5500以太网芯片的1路Socket通过TCP连接服务器主机，当连接上服务器平台后，动力环境监控终端先发送本机参数，使服务器平台可以将当前的Socket绑定至平台对应的数据库地址，便于后期数据存入数据库。服务器平台会定时向所有连接的Socket发送心跳包指令，用于查询远程终端机是否掉线。动力环境监控终端会将采集到的对象数据，经过一系列的数据处理和判断，最后整合打包通过Socket发送给服务器平台。当用户需要对远程终端进行控制的时候，通过web浏览器打开远程终端显示界面，单击功能按钮后，服务器平台会对远程终端发送控制命令，远程终端执行控制命令后会返回一个执行结果（如图5）。

　　4 结语

　　在科技飞速发展的今天，动力环境监控系统在机柜、无人化机房和工业厂房的应用越来越多。不同行业对应不一样的需求，动力环境监控系统需要很强的可扩展性和兼容性。未来，动力环境监控系统会更趋向于更规范化、更智能化的方向发展。
　　参考文献

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　　本文来源于科技期刊《电子产品世界》2020年第02期第74页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。