УДК 004.383.8, 004.455.2

Система мониторинга офисных помещений на платформе STM32

Лебедев Александр Викторович – магистрант кафедры Компьютерных систем и сетей Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана.

Аннотация: Объектом исследования данной работы является многомодульная система мониторинга офисных помещений, обеспечивающая регистрацию информации о текущем состоянии окружающей среды, поступающей с набора аналоговых и цифровых датчиков, для последующей отправки на удаленный сервер с целью дальнейшей обработки. Рассмотрены принципы построения систем мониторинга, произведено описание требований, предъявляемых к системам данного типа. Выбрана элементная база аппаратной реализации системы, предложена архитектура построения, а также выполнено описание основных алгоритмов работы.

Ключевые слова: Микроконтроллерная система, мониторинг, аналоговый датчик, цифровой датчик, STM32, ARM.

Системы мониторинга офисных, складских и жилых помещений представляют огромный сегмент мирового рынка электронных изделий, в котором успешно работают многие известные компании, и доля финансовых инвестиций в который непрерывно растет. В данной области появляются новые функциональные решения, высокотехнологичные по исполнению и коммуникационным возможностям.

Под системой мониторинга помещений в общем случае понимают систему, обеспечивающую безопасность и ресурсосбережение всех ее пользователей. В простейшем случае система должна распознавать конкретные ситуации, происходящие в помещении, и соответствующим образом на них реагировать. Кроме того, автоматизация нескольких подсистем обеспечивает синергетический эффект всего комплекса. Наиболее распространенными примерами автоматических действий в подобных системах являются включение и выключение света, автоматическая коррекция работы отопительной или сплит-системы, а также уведомления о вторжении, возгорании или протечке воды.

Для реализации системы все используемое оборудование должно быть совместимо между собой. С этой целью был создан Альянс электронной промышленности для разработки единого стандарта электроники [1]. Такое решение позволило различным производителями разрабатывать универсальное оборудование, используемое в системах автоматизации.

При проектировании систем мониторинга офисных помещений наиболее эффективным является выбор централизованного управления с проводным интерфейсом взаимодействия. Комплекс управления при этом построен на базе цифровых и аналоговых датчиков, выполняющих мониторинг текущих параметров контролируемого помещения. Информация с датчиков поступает на управляющие элементы, которые согласно заданной программе мониторинга отправляют команды исполнительным механизмам и устройствам. Посредством глобальной сети Интернет возможен удаленный мониторинг всего оборудования, находящегося в помещении, а также дистанционное управление им.

Разработанная система мониторинга представлена тремя уровнями реализации: уровень датчика, уровень группы датчиков и системный уровень. В предложенном техническом решении происходит переход от обработки информации одиночными датчиками к групповой обработке. Уровень группы датчиков включает микроконтроллер STM32F407, выполняющий обработку информации в соответствии с протоколами обмена по интерфейсам RS-485, 4-20мА, SPI, UART.

Появление микроконтроллеров с ядром ARM сделало возможным переход с 8-разрядных микроконтроллеров на 32-разрядные встраиваемые [2]. Постоянно повышающая функциональная насыщенность встраиваемых систем обуславливает рост требований к мощности используемых микроконтроллеров и их программам.

Архитектура ARM отражает философию компании, суть которой – максимальное удовлетворение требованиям встраиваемых систем. Для этого разработчики не стали ограничиваться формальными рамками RISC архитектуры, и в одном продукте реализовали идеи, ранее считавшиеся несовместимыми [4].

К настоящему времени разработано восемь основных семейств ядер: ARM7™, ARM9™, ARM9E™, ARM10E™, ARM11™, Cortex, SecureCore™ и OptimoDE Data Engines. Помимо перечисленных типов, существуют также специфические ядра, разработанные совместно с компанией Intel: XScale™ и StrongARM®.

Система мониторинга помещений относится к встраиваемым системам реального времени, поэтому главным требованием, предъявляемым к микропроцессорам, является быстрая и детерминированная реакция на внешние события. Для решения данной задачи допустимо снижение производительности вычислительного узла. Характеристики основных параметров процессоров, применяемых для систем реального времени, приведены в таблицах 1-2.

Таблица 1. Основные характеристики процессоров ARM.

Таблица 2. Основные характеристики производительности и энергопотребления.

В таблице 1 показано, что у большинства ядер и процессоров, разработанных для систем реального времени, отсутствует кэш-память, а в случае ее наличия возможно программное отключение. Отсутствие данной памяти обеспечивает детерминированность реакции процессора на внешнее событие.

Таким образом, оптимальным процессором для использования в качестве основного элемента системы мониторинга помещений является процессор ARM Cortex M4 семейства Cortex, а наиболее распространенным представителем данного семейства является микроконтроллер STM32F407.

Разработанная и апробированная аппаратная реализация системы мониторинга офисных помещений помимо главного компонента – микроконтроллера STM32F407 –включает:

• модуль часов реального времени с резервным источником питания;
• модуль GSM, работающий в сети стандарта GSM 900/1800;
• модуль приема и передачи данных в беспроводной сети Wi-Fi;
• набор аналоговых датчиков, регистрирующих состояние контролируемого помещения: датчик температуры, датчик освещенности, датчик влажности и др.;
• набор цифровых датчиков, обеспечивающих контроль возникновения экстренных ситуаций: датчики дыма и пламени, датчик Холла в качестве датчика открытия дверей и окон и др.;
• модуль последовательного интерфейса USB для обмена данными с ПЭВМ.

Устройство производит регистрацию информации о текущем состоянии окружающей среды, поступающую с аналоговых и цифровых датчиков (датчики температуры TMP36G [5] и DS18B20, датчик освещенности GL5528, датчик влажности воздуха SYH-2RS, датчик магнитного поля SS-49E, датчик угарного газа MQ-7, датчик Холла TLE4905 и др.) для последующей отправки на удаленной сервер с целью дальнейшей обработки. Опрос датчиков осуществляется каждые 5 секунд в заданные пользователем интервалы времени, для чего предоставляется возможность установки текущего времени и загрузки программы мониторинга в энергонезависимую FLASH-память микроконтроллера. В случае отключения электропитания системы мониторинга часы реального времени продолжат работу от резервного источника питания.

В случае возникновения нештатных ситуаций (поступление сигналов с датчиков дыма, пламени, открытия дверей и окон, а также превышение предельно допустимых значений отслеживаемых параметров окружающей среды) устройство осуществляет передачу тревожных сообщений по каналу связи на мобильный телефон пользователя.

В процессе функционирования системы мониторинга помещений микроконтроллер в течение заданных интервалов времени формирует пакет данных, содержащий информацию о состоянии системы и производит его отправку на удаленный сервер посредством радиоканала Wi-Fi диапазона 2.4 ГГц и глобальной сети Интернет в соответствии со схемой, представленной на рисунке 1.

Рисунок 1. Схема взаимодействия с удаленным сервером.

При запуске системы выполняется инициализация основных компонентов микроконтроллера: системы тактирования RCC, портов ввода/вывода GPIO, интерфейсов USART3, USART6, SPI1 [6], таймеров общего назначения, контроллера прямого доступа к памяти и аналого-цифрового преобразователя, затем производится инициализация внешних компонентов разрабатываемой системы – модулей GSM и Wi-Fi (рисунок 2). Инициализация часов реального времени на данном этапе не требуется, так как сохранение их конфигурации в энергонезависимой памяти модуля обеспечивается с использованием резервного источника питания – аккумуляторной батареи.

В основном цикле программы производится получение текущего времени по интерфейсу SPI от модуля часов реального времени, а также проверка состояния «аварийных» датчиков.

Рисунок 2. Алгоритм работы системы мониторинга.

Используемый таймер TIM4 задает период циклического опроса аналоговых датчиков. В данном случае таймер подключен к шине APB1, работающей на частоте 48 МГц. Для отсчета временного интервала длительностью 5 секунд необходима установка следующих параметров: значение предделителя – 48000, период счета – 5000.

Таким образом, в соответствии с формулой [1] каждые 5 секунд будет возникать прерывание по переполнению таймера TIM4, в обработчике которого описаны функции регистрации информации с аналоговых датчиков и их дальнейшей обработки.

Микроконтроллеры семейства STM32 реализуют два варианта чтения данных с аналоговых выводов, подключенных к аналого-цифровому преобразователю ADC1:

• с использованием регулярных каналов;
• с использованием инжектированных каналов.

Использование первого метода опроса состоит в том, что АЦП по очереди опрашивает некоторый заранее заданный список каналов, сохраняя результат опроса в единственном специальном регистре. Для получения актуального результата измерения с датчика необходимо предусмотреть своевременно копирование полученного значения из специального регистра в память SRAM микроконтроллера [7].

Иначе построен механизм опроса с инжектированными каналами. В случае использования этого метода результат измерения каждого канала АЦП сохраняется в отдельном регистре. Однако следует учитывать, что в состав микроконтроллера STM32F407VGT6 входит 4 таких специализированных регистра, в то время как для функционирования системы мониторинга требуется одновременная работа 8 каналов АЦП.

Таким образом, при использовании регулярных каналов необходимо своевременное сохранение результатов преобразования данных с модуля АЦП в область памяти SRAM для получения актуальной информации. Однако в микроконтроллерах семейства STM32 имеется механизм прямого доступа к памяти, который автоматизирует данную задачу, сохраняя полученные с модуля АЦП данные в ячейках памяти SRAM, а по прерыванию DMA извлекает сохраненные данные из указанного буфера.

Для увеличения достоверности данных о состоянии окружающей среды, полученных после обработки аналого-цифровым преобразователем, необходимо использование фильтра скользящего среднего [3], являющегося разновидностью математического усреднения по заданному количеству точек. Формула математического среднего имеет вид:

Из формулы [2] следует, что получен лишь один отсчет выходного значения при N входных. Этот недостаток можно устранить, реализовав скользящее среднее.

В соответствии с формулой [3] на каждой итерации новый отсчет заменяет самое старое значение в массиве, участвующее в суммировании, после чего происходит вычисление среднего по всем элементам массива.

Для отправки полученных с АЦП значений отслеживаемых параметров окружающей среды на удаленный сервер необходимо выполнение следующей последовательности операций:

- передача команды перезапуска модуля приема и передачи данных «AT+RST»;

- передача команды «AT+CWMODE=1» установки первого режима работы STA, в котором модуль подключается к сети, созданной маршрутизатором пользователя;

- передача команды «AT+SWJAP = SSID, PASSWORD», где SSID соответствует имени пользовательской сети;

- передача GET-запроса удаленному серверу, параметры которого соответствуют данным, содержащим информацию о текущем состоянии системы.

Создание стандарта сети Интернет Web 2.0 позволило пользователям не только принимать информацию, но и активно взаимодействовать с Интернет-сервисами. Для организации подобного взаимодействия необходимо предусмотреть передачу запросов от пользователя (в данном случае, Wi-Fi-модуля системы мониторинга) на удаленный сервер с использованием GET-запросов.

Набор передаваемых данных на сервер начинается с символа «?» и разделяется символом «&». Передаваемые данные представляют собой пары [параметр – значение]. Следует обратить внимание, что браузеры устаревших версий могут некорректно воспринимать кириллицу и передача русских символов будет выполняться некорректно. Поэтому в GET-запросах необходимо передавать исключительно служебную информацию в виде чисел и слов, состоящих из латинских символов.

Пример экранной формы, содержащей графическое отображение переданных в течение последних 6 часов значений температуры помещения, представлен на рисунке 3.

Рисунок 3. График изменения температуры помещения.

В результате проведенных исследований была разработана многомодульная система мониторинга помещений на платформе STM32, осуществляющая регистрацию информации о состоянии окружающей среды и отправку полученных значений на сервер с целью их дальнейшей обработки.

В качестве аппаратной реализации компонентов системы был использован микроконтроллер STM32F407 с набором аналоговых и цифровых датчиков, а также модули Wi-Fi и GSM, часы реального времени. Серверные компоненты системы, осуществляющие накопление полученных от устройства данных, представляют собой приложение ASP.NET с использованием фреймворков Entity Framework (модель ORM) и Identity, а также встроенных библиотек C# для визуализации информации, накопленной в базе данных. Именно сочетание низкоуровневого программирования микроконтроллера и высокоуровневых средств, обеспечивающих обработку данных, позволило создать гибкую и удобную в использовании многомодульную систему мониторинга офисных помещений.

Список литературы

1. ANSI E. I. A. EIA-632-1998 (R2003)-processes for engineering a system //Electronic Industries Alliance. – 1999.
2. ARM A. R. M. Cortex-M4 Processor Technical Reference Manual //Revision: r0p1, ARM 100166_0001_00_en. – 2015.
3. Azami H., Mohammadi K., Bozorgtabar B. An improved signal segmentation using moving average and Savitzky-Golay filter. – 2012.
4. Berger L., Sjölund M., Thiele B. Code generation for STM32F4 boards with Modelica device drivers //Proceedings of the 8th International Workshop on Equation-Based Object-Oriented Modeling Languages and Tools. – 2017. – С. 77-80.
5. Ramesh V. et al. Remote temperature monitoring and control using IoT //2017 International Conference on Computing Methodologies and Communication (ICCMC). – IEEE, 2017. – С. 1059-1063.
6. Yao L. et al. High-speed USB Communication Module Based on STM32CubeMX //Microcontrollers & Embedded Systems. – 2017. – №. 9. – С. 13.
7. Yiu J. The Definitive Guide to ARM® Cortex®-M3 and Cortex®-M4 Processors. – Newnes, 2013.