怎么实现基于STM32的户外机柜内环境检测器设计？

引 言
   随着智慧城市信息化建设的推进，作为信息化设备硬件载体的户外机柜，也从以往的小箱体、单设备、粗放式管理向着大规模、高集成、精细智能化管理的方向发展，安装数量也在不断增加，户外机柜运行、管理以及维护的工作难度也随之提高。目前城市中户外机柜的运维管理大多还依靠巡检报修的方式，管理者面临户外机柜类型各异，管理项目多，监管内容复杂，问题发现不及时，管理人员不足等各种问题。这种管理模式不仅处理问题的效率低下，还忽略了对户外设备最重要的机柜内部的监控管理。
   针对这个问题，本文设计了一套适用于户外机柜的多功能检测器，对机柜内部的供电电压、电流、温度、湿度、烟雾、水位等环境变量进行检测，并对异常情况进行报警及自动调节，设备提供优良运行环境，保证设备安全，同时还具有物联网数据传输功能，互联网平台服务，从而实现户外设备微观层面的精细化监控管理，为维护人员提供一种高效的管理手段。系统应用拓扑图如下图1所示：
   
  

  

   图 1　系统应用拓扑图
   01
   户外机柜内部环境监控系统构建
   通过物联网技术与互联网+ 技术相结合，整合检测系统、报警系统、远程数据传输系统、自动调节系统、定位系统，扩展AI故障预测技术，形成一套独立高智能的户外机柜监控系统，使管理人员可以实时查看户外IT设备的运行环境情况，遇到异常情况及时报警，并对异常现象进行自动调节，对运行环境数据进行云上传，可通过AI分析环境数据，提前预测设备的异常状态，做设备维护“未卜先知”，实现管理者从被动维护到主动式预测维护的进步。
   02
   系统硬件设计
   检测器，主要有STM32处理器、测量模块、通讯模块、自调节输出模块、报警定位模块与人机交互模块组成，系统构成如下图所示：
   
  

  

   图 2　系统构成图
   ST公司的STM32F105微处理器以ARM Cortex®-M3为内核，采用32为内部总线架构，集成了丰富的资源、方便使用的架构以及低功耗的特性，有着出众的功耗效率，在待机模式下，复位威廉希尔官方网站 开启时，典型的耗电值仅为2 µA，2.0到3.6 V的供电电压范围，适合于电池供电的应用，且有一流的外设接口包括UART接口、IIC接口、以太网接口、USB接口、SPI接口、ADC接口、CAN接口等，此外还具有处理速度快、价格便宜，低功耗功能强大的优点，很适合本设计使用。
   2.1. 测量模块

   2.1.1. 电气参数采集威廉希尔官方网站 设计

   检测器可支持12路AC(0～220V/0～40A)的交流信号采集，3路DC(0～100V/0～10A)的直流信号采集，设计使用30路A/D通道，但STM32 ADC管脚有限，需通过数模转换芯片AD1556来进行电气数据扫描采集，AD1556将采集的数据通过IIC串口发送STM32。
   2.1.2. 环境参数采集威廉希尔官方网站 设计

   检测器可支持4路0～100℃的温度信号采集，4路0～100RH%的湿度信号采集，选用瑞士盛思锐Sensirion的温湿度数字传感器SHT20，其核心运用CMOSens®技术，将半导体技术与传感器技术融合与一体，设计出的温湿度探头具有精度高、可靠性高、数字化高、性价比高的优点。
   检测器可支持烟雾检测，多级水位检测，最大支持70级水位检测，设计采用感烟迷宫作为烟雾检测的传感模块，因其内部的红外对管及光学迷宫构造结构简单，具有抗干扰强、可靠性高、成本低的优点，非常适合应用于本设计，而水位检测采用干簧管、浮球浮子等磁传感成熟技术，同时具有价格低、检测准确、性能可靠等诸多优点。
   2.2. 报警定位模块

   由GB/GPS双模定位模块，GPRS模块，扬声器警示模块共同构成检测器报警定位功能，选用国内知名厂商天工测控SKYLAB生产的SKC111 GSM/GPRS+GNSS集成一体化模块，该模块基于MTK2503方案设计，功能十分强大，具有4频：GSM850/GSM900/DCS1800/PCS1900的GSM/GPRS功能，支持GPS/GLONASS/北斗/GALILEO，支持扬声器输出，开发简单，性价比高，适合本设计使用。
   2.3. 通讯输出模块

   检测器可支持多种对外无线通讯手段，其利用电磁波信号可以在自由空间中传播的特性进行信息交换，具有无需架设线路、灵活性强的优点，设计采用工业物联网中成熟技术方案，包括：乐鑫的ESP8266 WiFi芯片、NORDIC的nRF52832 BLE芯片、四信的F8913D ZigBee模块、simcom的SIM7100X 4G模块共同构成。
   2.4. 调节输出模块

   检测器采集到烟雾、进水漏水、电压过高或者过低、电流过高、温湿度过高或者过低后，通过信号输出控制的方式，对被检测机柜进行自我保护及调节，采用隔离威廉希尔官方网站 +驱动输出威廉希尔官方网站 的形式设计，对散热风扇、LED暖光照明灯、AFG灭火弹、电控重合闸、防逆流排水泵进行控制，实现该功能。
   03
   系统软件设计
   STM32可嵌入的操作系统常见的共有三种：μC/OS-II、μClinux、eCos。μC/OS-II是在μC/OS的基础上发展起来的，是用C语言编写的一个结构小巧、抢占式的多任务实时内核；具有执行效率高、占用空间小、实时性能优良和扩展性强等特点；μClinux对标Linux相比具有内核小、稳定性好、移植性好、网络功能强大等优点；eCos更适用于深度嵌入式应用，其特点有配置灵活、模块化设计、调度方法丰富等，根据本设计具体需要，更注重于操作系统得小巧性、实时性，因此选用μC/OS-II作为操作系统是最合适的。
   系统软件设计部分主要有μC/OS-II操作系统的移植于时序调整、机柜内环境检测采集、故障报警、异常自恢复调节、物联网数据交互、互联网数据云传输、资产管理数据平台开发及用户界面图形设计7个重要部分。
   系统程序设计主要对机柜内部的多个传感器数据进行采集，并把数据与合理环境指标进行对比，如果出现异常则由故障报警模块进行报警，同时异常自恢复调节部分会根据异常状况来操控对应调节模块，并将采集数据通过通讯模块互联网+技术分包发送，与固定资产管理平台数据中心建立Socket 连接，使用TCP/IP协议将数据进行交互。系统程序实时数据内容也将通过物联网技术手段进行传输，WIFI热点及BLE ibeacon、ZigBee组网作为嵌入系统的子线程，将连接管理员所使用的移动端上，维护工人通过查看移动端的APP用户监控界面，就可在不打开机柜门的情况下对户外机柜进行巡检维护，管理者只需点击平台页面就可实现对城域内所有户外机柜的监控，并对户外机柜故障进行AI分析故障预测，实现户外机柜集中高效化管理。
   
  

  

   图 3　系统功能图
   04
   环境检测器在信号机户外机柜的应用
   

   4.1. 信号机户外机柜监管

   固定资产管理平台分别对信号机内部的电压、电流、温度、湿度、烟雾、水位等信息进行监控，对异常情况报警显示，图4中显示路口设备环境数据，根据系统分析结果看出电压电流结果为0，说明路口处于断电的异常，图5中标红地点表示该地点出现故障。
   
  

  

   图4环境数据监控
   
  

  

   图 5平台故障报警
   4.2. 信号机户外机柜维护管理

   当数据管理中心通过检测器网络数据，AI运算预测到将有故障发生或故障已经发生时，固定资产平台将精确的机柜地理位置信息及故障类型推送给巡检修护人员，实现对户外机柜高效精细化的保障。
   
  

  

   图 6故障预测及维修推送
   
  

  
  总结
   本文以STMF105为核心控制器，通过测量传感器、通讯模块、报警模块、调节输出模块等实现了一套户外机柜内环境检测设备，结合物联网技术与互联网 +技术，从硬件和软件两个部分阐述了系统的设计过程。结合固定资产管理数据平台的应用，户外机柜内环境检测器不仅能够监管机柜内的电流电压、温温湿度、烟雾水位等微环境参数，对异常情况进行实时报警，还能够控制调节输出模块自我调整内环境变量，为设备提供稳定运行环境，通过通讯模块可将数据上传固定资产管理数据平台，做到城域户外机柜监控集中化、管理高效化、设备维护精准化、故障判断预知化，为用户提供了一套低成本，高效率的户外机柜管理产品，为智能交通基础设施建设的安全保驾护航。同时本检测器还可用于楼宇机房、安防家居、智慧城市等领域，具有广泛的应用前景。