第 5 期刘林真 : 消息邮箱机制在烟花仓库温湿度监控系统中的应用 623 重要手段. 本系统设计基于 STM32 和 nrf2401 的烟花仓库温湿度监控系统. 系统以 STM32F103 处理器为控制中心, 通过温湿度传感器, 采样环境信息, 采用嵌入式 μc/gui 设计图形用户界面, 提

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印鄂
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1 第 43 卷第 5 期 2015 年 10 月 JournalofFuzhouUniversity(NaturalScienceEdition) Vol.43No.5 Oct.2015 DOI: /isn 文章编号 : (2015) 消息邮箱机制在烟花仓库温湿度监控系统中的应用刘林真 ( 阳光学院电子信息工程系, 福建福州 ) 摘要 : 烟花在存储过程中安全问题尤为重要. 对烟花温湿度进行实时监测, 须设置报警装置. 当超过上限时, 能进行声光报警, 并将数据传到服务器进行相应处理. 通过 STM32 控制器 nrf2401 无线通信模块 LED 灯以及蜂鸣器可以实现上述功能. 在 STM32 中移植 μc/os 操作系统, 对程序设计采用并行开发模式, 简化程序结构, 提高系统的实时性. 改进 μc/os 中的消息邮箱机制, 实现数据采集任务与多个报警任务的同步. 关键词 :STM32 控制器 ;μc/os 实时内核 ; 消息邮箱 ; 嵌入式 ; 实时操作系统中图分类号 :TP274.2 文献标识码 :A Applicationofmailboxmesagemechanism in fireworkswarehousetemperatureandhumiditymonitoringsystem LIULinzhen (DepartmentofElectronicInformationEngineering,YangoColege,Fuzhou,Fujian350015,China) Abstract:Fireworksneedspecialcautioninthestorageproces,itneedsareal-timemonitoringfor temperatureandhumidity,itneedsanalarm device,whenthedataismorethantheupperlimit,it canalarmbysoundandlight,anditalsocansendthedatatotheserverforthecorespondingtreat ment.throughstm32controler,nrf2401wirelescommunicationmodule,ledlampandthebuz ercanrealizethesystem.theprogramistransplantedμc/osoperatingsysteminstm32,designing withtheparalelmodel,itcansimplifiedstructureofprogram,improvesthereal-timepropertyofthe system.theprogramcansynchronizedataacquisitiontaskandmultiplealarm taskbyimprovingthe mailboxmechanisminμc/os. Keywords:STM32controler;μC/OSreal-timekernel;mesagebox;embedded;real-timeoper atingsystem 0 引言在中国传统节日中, 人们往往会燃放烟花爆竹为节日增添喜庆气氛. 然而烟花爆竹易燃易爆, 其在生产经营运输燃放过程中都应注意安全. 烟花溯源系统是分析目前烟花爆竹行业现状, 结合当前先进物联网技术, 建立一套由烟花爆竹生产商批发商零售商安全监管人员消费者共同参与数据建立维护和查询的烟花爆竹安全溯源系统, 用以规范烟花爆竹安全监督以及管理工作, 实现烟花爆竹产品的可溯源性 [1]. 系统将利用物联网中先进的 RFID 技术并依托.NET 平台网络技术嵌入式技术多媒体技术数据库技术, 对烟花产品生命周期的每一个阶段 ( 包括生产仓储运输流通 ) 提供合理决策. 通过建立一个完整的烟花爆竹产品安全控制体系, 实现烟花爆竹产品的源头追踪. 本研究主要针对烟花爆竹在仓库存储过程中的温湿度监控模块进行阐述. 相关条例指出, 烟花必须储存在专用仓库, 储存方式须符合国家标准, 并由专人管理, 设置相应的监控系统, 使用场所应设置通讯报警装置, 并保证在任何情况下处于正常适用状态. 为此, 利用先进的电子通讯技术对烟花仓库的温度湿度等环境参量的自动检测和智能化监控, 是实现烟花存储安全的一个收稿日期 : 通讯作者 : 刘林真 (1981-), 讲师, 硕士, 主要从事嵌入式系统应用开发,lz@qq.com 基金项目 : 福建省教育厅科技资助项目 (JA13366)

第 5 期刘林真 : 消息邮箱机制在烟花仓库温湿度监控系统中的应用 623 重要手段. 本系统设计基于 STM32 和 nrf2401 的烟花仓库温湿度监控系统. 系统以 STM32F103 处理器为控制中心, 通过温湿度传感器, 采样环境信息, 采用嵌入式 μc/gui 设计图形用户界面, 提高用户操作性 ; 移植嵌入式 μc/os 操作系统, 简化程序设计, 提高系统实时性.

2 第 5 期刘林真 : 消息邮箱机制在烟花仓库温湿度监控系统中的应用 623 重要手段. 本系统设计基于 STM32 和 nrf2401 的烟花仓库温湿度监控系统. 系统以 STM32F103 处理器为控制中心, 通过温湿度传感器, 采样环境信息, 采用嵌入式 μc/gui 设计图形用户界面, 提高用户操作性 ; 移植嵌入式 μc/os 操作系统, 简化程序设计, 提高系统实时性. 1 系统实现方案系统主要由三部分组成 : 温湿度采集模块, 数据接收模块及 PC 端监控模块. 温湿度采集器分布于监测环境的各位置, 自动进行温湿度数据采集. 当温度或者湿度超过阈值时, 系统报警 ( 灯闪烁, 蜂鸣器响起 ), 并将数据传输至数据接收模块. 数据接收模块接收到环境参数信息后, 通过串口通信方式将采集的温湿度数据信息以及对应的监测位置上报给 PC 端监测模块. 监图 1 系统总体框图测模块对数据进行分析处理并进行实时显示. Fig.1 Blockdiagramofoveralsystem 系统总体框图如图 1 所示. 1.1 系统硬件平台温湿度采集分站在嵌入式设备上实现, 硬件平台采用 STM32F103 处理器为控制器, 外接电源串口 JTAG 接口 LCD 触摸屏, 温湿度传感器采用 DHT11, 无线通信模块采用 nrf2401 无线收发器芯片. 硬件重点考虑主控模块无线通信模块温湿度采集模块. 主控模块采用技术较为成熟且功能强大的 ARM Cortex-M3T 体系的 STM32 单片机 [2]. 考虑用 STM32, 主要是因为其实时性能出色, 具有较大的集成性, 易于开发, 性价比远高于 51 单片机, 能移植 μc/os 操作系统. 要使 STM32 能工作起来, 至少分别需要几部分电路, 包括供电电源晶振电路复位电路 BOOT 电路等. 无线通信模块采用 nrf24l01.nrf24l01 是一款工作在 2.4GHz 全球开放 ISM 频段的无线射频收发芯片, 具有自动应答及自动重发功能.STM32 通过 SPI 接口 IO 口外部中断与 nrf2401 连接 [3],SPI 为数据通信,IO 口控制模块的使能端, 当发送或者接收到数据通过外部中断引脚进入中断处理程序. 图 2 为 nrf2401 与 STM32 连接图. 温湿度传感器采用 DHT11.DHTl 作为一种新型的单总线数字温湿度传感器, 不再需要外置的 A/D 转换模块, 而且体积小功耗低响应速度快抗干扰能力强. 湿度测量范围为 20% ~90%, 温度测量范围为 0~+50, 湿度测量精度为 ±5.0%, 温度测量精度为 ±1.0 [4].DHTl 与 STM32 通信只需要一个 IO 口, 固将其 DATA 线连接到 STM32 的 IO 口上, 通过 IO 口模拟单总线时序. 系统硬件如图 3 所示. 图 2 nrf2401 与 STM32 连接图 Fig.2 ConnectiondiagrambetweennRF2401andSTM32 图 3 系统硬件实物图 Fig.3 Systemhardwarediagram 1.2 系统软件平台软件平台为嵌入式 μc/os 操作系统, 版本为 V2.86, 移植 μc/gui3.9 设计图形界面 [5]. 开发环境为

3 624 第 43 卷 RealViewMDK-ARM3.80a, 采用 STM32 标准库开发流程具体包括 :1 μc/os 内核裁剪移植 ; 2 μc/gui 移植 ;3 编写多任务 ;4 代码测试. 系统的程序主要包括这几部分 : 多任务创建无线 NRF2401 数据发送接收 DHT11 温湿度数据采集 μc/gui 界面显示串口数据接收发送系统与运行及报警指示灯等. 系统的流程为 : 系统上电复位后, 首先对系统的各部分硬件进行初始化. 初始化后 μc/os 完成 6 个任务的创建, 分别包括界面任务 APP_TASK_US ER_IF 触屏任务 APP_TASK_KBD DHT11 温湿度采集任务 APP_TASK_THC LED 灯闪烁任务 APP_ TASK_LED 蜂鸣器报警任务 APP_TASK_BEE nrf2401 发送数据任务 APP_TASK_NRF. 然后, 系统开始执行第一个已经就绪的并且任务优先级最高的任务. 系统中, 界面任务和触屏任务启动, 两个任务都调用延时函数 OSTimeDlyHMSM(0,0,0, 100) 延时 100ms, 然后刷新屏幕. 温湿度采集任务图 4 系统程序总流程图每 500ms 采集一次 DHT11 的温湿度数据, 并根据 Fig.4 Flowdiagramofsystemprogram 数据的结果决定是否启动灯闪烁任务蜂鸣器报警任务以及 nrf2401 发送数据任务. 基于 μc/os 操作系统应用程序的主函数流程如图 4 所示. 2 μc/os 操作系统 μc/os 是一个可移植可固化的可裁剪的可剥夺的多任务实时内核, 它适用于多种微处理器微控制器和数字处理芯片 ( 已经移植到超过 100 种以上的微处理器应用中 ) [6]. 同时, 该系统源代码开放, 有详细的注释, 适合系统开发 [6]. μc/os 是专门为计算机的嵌入式应用设计的, 绝大部分代码是用 C 语言编写的 [7].CPU 硬件相关部分是用汇编语言编写的总量约 200 行的汇编语言部分被压缩到最低限度, 便于移植到任意 CPU 上. 用户只要有标准的 ANSI 的 C 交叉编译器, 有汇编器连接器等软件工具, 就可以将 μc/os 嵌入到开发的产品中 [8].μC/OS 具有执行效率高占用空间小实时性能优良和可扩展性强等特点, 最小内核可编译至 2kB.μC/OS 已经移植到了几乎所有知名的 CPU 上 [9]. 2.1 消息邮箱消息邮箱是 μc/os 内核中用来实现任务间通信的一种机制, 它能使一个任务或中断服务向另一个任务发送一个指针型的变量, 这个指针指向一个包含特定消息的数据结构 [10].μC/OS 内核提供了与消息邮箱相关的 7 个函数 :OSMboxCreate()- 创建消息邮箱 OSMboxDel()- 删除消息邮箱 OSMboxPend()- 请求消息邮箱 OSMboxAccept()- 无等待地请求消息邮箱 OSMboxPostOpt()- 可选择发送方式的发送消息邮箱 OSMboxPost()- 发送消息邮箱和 OSMboxQuery()- 查询消息邮箱. 2.2 算法改进系统要求温度或者湿度高于给定阈值的情况下能唤醒 3 个任务 :LED 灯闪烁任务蜂鸣器报警任务 nrf2401 发送数据任务, 所以采用可选择的广播方式发送邮箱. 考虑到温度值或者湿度值都可唤醒以上 3 个任务, 可设计 2 个消息邮箱, 分别用来监控两类数据. 同时, 较大面积的仓库中需多个点同时采集温湿度值, 为了记录每个点的具体位置, 设计一个结构体专门用来存储每个点的温湿度值以及对应的位置, 结构体定义如下 : typedefstruct{ FP32 temp; / 温度值变量 / FP32 humi; / 湿度值变量 / INT8U addr; / 对应点的地址指针变量 / }THDATA;

第 5 期刘林真 : 消息邮箱机制在烟花仓库温湿度监控系统中的应用 625 如此, 只要将消息邮箱中的指针指向该结构体, 当报警时能实时读出具体的位置, 对后续的处理争取了更多的时间. μc/os 具有源代码开放的特性, 从 μc/os 关于发送消息邮箱相关函数得到一个结论 : 如果消息邮箱中已有消息, 则返回错误代码. 说明消息邮箱已满, 立即返回调用者, 并丢弃新消息.

4 第 5 期刘林真 : 消息邮箱机制在烟花仓库温湿度监控系统中的应用 625 如此, 只要将消息邮箱中的指针指向该结构体, 当报警时能实时读出具体的位置, 对后续的处理争取了更多的时间. μc/os 具有源代码开放的特性, 从 μc/os 关于发送消息邮箱相关函数得到一个结论 : 如果消息邮箱中已有消息, 则返回错误代码. 说明消息邮箱已满, 立即返回调用者, 并丢弃新消息. 从实际应用角度考虑, 如果消息邮箱中已经存放有相关的超值信息, 但还未处理, 此时如果有新的消息进来, 不能简单屏蔽新消息或者旧消息, 而应该根据实际保留数值较高的那个消息, 目的是可以保证实时同步, 也能第一时间监控到更危险区域. 这样就需要对 μc/os 中 OSMboxPostOpt() 函数进行修改. OSMboxPostOpt() 函数中对已有消息的处理为 : if(pevent->oseventptr! =(void )0){ / 消息邮箱已有消息 / OS_EXIT_CRITICAL(); return(os_mbox_full); / 返回错误信息 / } pevent->oseventptr=msg; / 保存消息 / 具体改进代码为 : if(pevent->oseventptr! =(void )0){ / 消息邮箱已有消息 / if(msg->temp<pevent->oseventptr->temp msg->humi<pevent->oseventptr->humi) / 温度或湿度低于原先值 / return(os_mbox_full); / 丢弃新消息 / } pevent->oseventptr=msg; / 丢弃旧消息 / 3 监控主站系统设计监控主站通过串口与数据的接收总站进行通信, 考虑到现在的 PC 机较少提供串口, 而在下位机端串口是较普遍简单的通信方式, 于是在 PC 端利用 USB 接口虚拟串口, 及安装 USB 虚拟串口驱动. 监控总站在启动监控之前可以根据需要修改默认的下位机报警阈值, 启动监控后从下位机接收超过阈值的温湿度数据以及对应的位置, 将报警数据通过特殊颜色标注出来, 提醒监控人员. 系统还具有停止监控清除警报历史查询等功能.PC 端软件基于.NET 平台设计, 采用 C# 语言进行开发, 开发工具使用 VisualStudio 系统测试系统在 11m 8m 的实验室环境下进行了测试. 实验设备包括 4 个温湿度监控模块, 放置于实验室 4 个角落. 一个无线数据接收模块 (STM32+nRF2401 接收模块 ) 以及一台 PC 机 (STM32 与 PC 机通过 USB 转虚拟串口连接 ), 放置于实验室教师机位置 ( 与其中两个监控模块较近, 与另外两个监控模块距离较远 ). 设置温度阈值为 28, 相对湿度阈值为 75%. 系统开启后,4 个监控模块开始作业, 每 500ms 采集一次温湿度. 当温湿度超过阈值时, 会产生声光报警, 同时,PC 机的调试串口终端会显示报警的位置以及当前的温湿度值. 结图 5 PC 端系统主界面果如图 5 所示. Fig.5 MaininterfaceofPCterminalsystem 实验过程采集多组温度以及湿度的数据, 并将这些数据与标准温湿度进行对比, 测量数据以及对比结果如表 1 所示. 由表 1 的对比结果可以看出, 测量温度与标准温度的偏差小等于 1.0, 测量湿度和标准湿度的偏差小于等于 3.0%, 满足烟花温湿度监控系统的应用设计要求.

5 626 第 43 卷实验结果表明, 该套系统能完成既定目标反应时间以及传输速率基本能达到实时的特性,PC 端能实时且不遗漏地显示温湿度超过阈值的位置, 性价比较高, 适合推广. 系统的特色有如下几点 : 1 采用 STM32 控制器,STM32 控制器性价比高, 低端的 51 或 52 单片机无法移植 μc/os μc/gui, 高端的 ARM 处理器价格却高于 STM32 较多, 而且学习难度较大 ;STM32 有官方提供的库函数, 开发速度快, 周期短, 而且系统稳定性较高. 2 移植 μc/os 操作系统,μC/OS 操作系统实现了多任务, 而且通过消息邮箱消息队列实现了多任务的通信. 系统为保证能不丢失地显示温湿度超过阈值的位置, 选择了消息队列机制, 消息队列能存取多则消息, 适合多个发送者和接收者之间复杂的交互操作 [10]. 表 1 测量分析数据 Tab.1 Analysisofmeasurementdata 组别 t 测量 / t 标准 / Δt/ 测量 /% 标准 /% Δ /% 注 :DHT11 的温度分辨率为 1 5 结语结合嵌入式技术无线通信技术 μc/os 操作系统 μc/gui 图形界面软件, 综合设计了烟花仓库温湿度监测系统. 经过方案的选择和比较方案的设计芯片的选型原理图的设计, 设计出基于 STM32 和 nrf2401 无线报警的硬件系统和软件系统. 主机硬件系统设计规范, 实现液晶显示控制温湿度采集无线发送报警信息和串口通信控制等功能. 主机软件系统设计合理, 其中软件移植 μc/os 操作系统, 简化了程序设计. 各模块相互独立, 提高任务的并行性. 改进消息邮箱算法, 使消息邮箱中广播发送函数更适合本系统.μC/OS 操作系统的开源特性得到具体应用, 提高系统的可靠性和可扩展性. 移植 μc/gui, 使整个界面更加整洁, 并且有相对较好地交互性. 实验证明 : 该系统能实时对烟花温湿度进行监测, 能实现一定的报警装置. 当超过上限时能进行声光报警, 并将数据传到服务器进行相应处理, 整个系统具有较高的性价比. 参考文献 : [1] 刘晓青. 基于物联网的烟花爆竹流通安全监管系统的设计 [J]. 电脑知识与技术,2012,8(29): [2] 陈志旺.STM32 嵌入式微控制器快速上手 [M]. 北京 : 电子工业出版社,2012: [3] 李庆山, 戴曙光, 穆平安.nRF2401 无线模块在测控系统中的应用 [J]. 电测与仪表,2006(8): [4] 曹昌勇, 贾伟建. 基于 AT89C52 和 DHT11 数字式粮库温湿度监控系统设计 [J]. 齐齐哈尔大学学报 : 自然科学版, 2014,30(1): [5] 王兰英. 基于 STM32 嵌入式系统的 ucgui 移植与实现 [J]. 四川理工学院学报 : 自然科学版,2012,25(1): [6] 严明贵. 嵌入式轴承故障诊断系统中基于 ARM S3C2410A 的 Linux 平台设计与实现 [D]. 杭州 : 浙江大学,2006. [7] 李正军. 基于 NiosI 软核 CPU 的 TCP/IP 协议实现 [D]. 西安 : 西安电子科技大学,2006. [8] 任玉帅.SD 存储方案的研究与实现 [D]. 大连 : 辽宁师范大学,2009. [9] 王庆, 季振洲, 刘涛. 基于嵌入式 ecos 多核平台的 OpenMP 并行算法的研究 [J]. 黑龙江大学学报 : 自然科学版,2010, 27(1): [10] 吴永忠. 嵌入式实时操作系统 μc/os-i 教程 [M]. 西安 : 西安电子科技大学出版社,2007:36; ( 责任编辑 : 沈芸 )

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