基于以太網(wǎng)的分布式溫濕度智能監(jiān)控系統(tǒng)

摘 要：對現(xiàn)有多種傳統(tǒng)溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)其多采用RS485傳輸方式，具有控制范圍小和布線繁瑣等局限性。為構(gòu)建大規(guī)?？绲赜虻臏貪穸缺O(jiān)控系統(tǒng)，采用將以太網(wǎng)技術(shù)與傳統(tǒng)溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)相結(jié)合的方法及軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的思想，研制出了一種模塊化可裁減、基于以太網(wǎng)的分布式智能溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)。實(shí)踐證明，該系統(tǒng)控制范圍大且利用現(xiàn)有發(fā)達(dá)的網(wǎng)絡(luò)，不必重新布線，可有效實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程溫濕度監(jiān)控。文中對系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)和各部分的工作原理進(jìn)行了詳細(xì)的說明。

關(guān)鍵詞：溫濕度監(jiān)控;遠(yuǎn)程控制;以太網(wǎng);分布式

1 引言

現(xiàn)在有很多大型企業(yè)單位擁有多個(gè)庫房分散在不同的地點(diǎn)，不利于統(tǒng)一管理;如何利用已得到廣泛應(yīng)用的以太網(wǎng)改造傳統(tǒng)的基于RS485總線的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)，以組建大范圍遠(yuǎn)程分布式[1]溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)成為一個(gè)迫切需要解決的課題。在此，本文提出了一種便于安裝、不必重新布線、基于現(xiàn)有以太網(wǎng)的遠(yuǎn)程分布式溫濕度智能監(jiān)控系統(tǒng)，文中詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的整體組成結(jié)構(gòu)和工作原理。該系統(tǒng)采用了模塊化設(shè)計(jì)，可以稍加裁剪改造為適于多種不同場合的多庫點(diǎn)分布式遠(yuǎn)程溫濕度智能監(jiān)控系統(tǒng)。

2 硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)整體組成

每個(gè)溫濕度監(jiān)控儀由單片機(jī)、溫度傳感器、濕度傳感器、DS1302、LED數(shù)碼管顯示模塊、地址撥碼模塊、外部存儲(chǔ)器、蜂鳴器、空調(diào)機(jī)、除濕機(jī)、加濕機(jī)等組成。128個(gè)具有獨(dú)立地址的溫濕度監(jiān)控儀通過RS485總線并聯(lián)在一起，再通過一個(gè)RS485轉(zhuǎn)TCP/IP協(xié)議轉(zhuǎn)換器可直接與微機(jī)之間進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通訊從而組成一個(gè)單元溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)(單元溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖1)。

可根據(jù)實(shí)際情況由若干單元溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)通過集線器組成一個(gè)完整的遠(yuǎn)程分布式溫濕度智能監(jiān)控系統(tǒng)(系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖見圖2)。

2.2 具體溫濕度監(jiān)控儀的組成與實(shí)現(xiàn)

由AT89C52外加時(shí)鐘模塊、測溫度模塊、測濕度模塊、LED顯示模塊、外部存儲(chǔ)模塊、地址模塊、空調(diào)機(jī)、加濕機(jī)、除濕機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊等組成一個(gè)具體的溫濕度監(jiān)控儀。

2.2.1 MCU模塊

每個(gè)溫濕度監(jiān)控儀采用了美國ATMEL公司的8位單片機(jī)AT89C52;片內(nèi)含8K Bytes的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲(chǔ)器和256 Bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。

2.2.2 時(shí)鐘模塊

DS1302增加了主電源/后備電源雙電源引腳，同時(shí)提供了對后備電源進(jìn)行涓細(xì)電流充電的能力，以便在主電源掉電的情況下由蓄電池工作能繼續(xù)保存時(shí)間信息以及數(shù)據(jù)。DS1302與CPU的連接僅需要三條線，即SCLK、I/O、RST;在控制指令字輸入后的下一個(gè)SCLK時(shí)鐘的上升沿時(shí)數(shù)據(jù)被寫入DS1302，數(shù)據(jù)輸入從低位即位0開始。同樣，在緊跟8位的控制指令字后的下一個(gè)SCLK脈沖的下降沿讀出DS1302的數(shù)據(jù)[2]。

2.2.3 測溫度模塊

DS18B20[3]是DALLAS公司的最新單線數(shù)字溫度傳感器，可把溫度信號直接轉(zhuǎn)換成串行數(shù)字信號供微機(jī)處理;在本系統(tǒng)中DS18B20的分辨率設(shè)定為12位;故實(shí)際溫度=溫度整數(shù)部分+溫度小數(shù)部分*0.0625。

2.2.4 測濕度模塊

HS1101在電路中等效于一個(gè)電容器，其電容隨所測空氣的相對濕度增大而增大;具有極好的線性輸出，在相對濕度為(0-100)%RH的范圍內(nèi)，其誤差不大于±2%RH;年漂移量0.5%RH/年，響應(yīng)時(shí)間小于5S[4]。

將該濕敏電容置于555振蕩電路中，將電容值的變化轉(zhuǎn)為與之呈反比的電壓頻率信號，可直接被計(jì)算機(jī)所采集[5]。

2.2.5 LED顯示模塊

由一片SN74LS145N芯片驅(qū)動(dòng)10個(gè)LED數(shù)碼關(guān)組成顯示模塊來同步顯示溫度值、濕度值與當(dāng)前時(shí)間。

2.2.6 外部存儲(chǔ)模塊

外部存儲(chǔ)模塊采用ATMEL公司的容量為64K字節(jié)的24C512芯片，利用I2C總線進(jìn)行讀寫操作，可存儲(chǔ)6520條歷史數(shù)據(jù)紀(jì)錄。

2.2.7 地址模塊

由8位撥碼管組成地址撥碼模塊，利用8421編碼的方法來確定每個(gè)溫濕度儀的地址。

2.3 單元溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)通訊模塊

RS485轉(zhuǎn)TCP/IP協(xié)議轉(zhuǎn)換器主要負(fù)責(zé)串口數(shù)據(jù)幀和以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀之間的相互轉(zhuǎn)換和發(fā)送。處理器接收到以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包后，先按某種排隊(duì)規(guī)則對數(shù)據(jù)包排隊(duì)，數(shù)據(jù)按一定順序放在緩沖區(qū)中，當(dāng)?shù)竭_(dá)一定限度時(shí)，內(nèi)部的數(shù)據(jù)處理芯片開始處理數(shù)據(jù)幀，然后以串口數(shù)據(jù)幀的形式發(fā)送出去。反之，當(dāng)有串口數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)，轉(zhuǎn)換器把串口數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)化為以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀，其處理過程是類似的，兩個(gè)處理過程互為逆過程[6]。

3 溫濕度監(jiān)控儀工作原理

上電初始化，根據(jù)板子的撥碼開關(guān)的狀態(tài)讀取并保存溫濕度儀地址;讀取存在外存中的上次已設(shè)置好的溫濕度上下限的歷史值和保存的采樣間隔歷史值。然后，進(jìn)入主循環(huán)中，根據(jù)采樣間隔時(shí)間，將溫度、濕度、等數(shù)據(jù)存入外存，點(diǎn)亮LED數(shù)碼管顯示當(dāng)前時(shí)間、溫度、濕度，并根據(jù)已設(shè)置好的溫濕度上下限值來確定是否驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警且控制空調(diào)機(jī)、加濕機(jī)、除濕機(jī)工作進(jìn)行溫濕度控制調(diào)節(jié)[7](溫濕度上下限控制示意圖見圖3)。系統(tǒng)有良好的交互性能，利用中斷可在線隨時(shí)設(shè)置時(shí)間校正值、溫濕度上下限值、采樣間隔時(shí)間值、溫濕度校正值并將這些數(shù)據(jù)存到外存中;可在線提取當(dāng)前溫濕度數(shù)據(jù)和溫濕度儀狀態(tài)等數(shù)據(jù);可由相應(yīng)指令提取根據(jù)采樣間隔已存在外存中的歷史溫濕度數(shù)據(jù)。

微機(jī)發(fā)送的指令格式為：FF+從機(jī)地址+指令碼+數(shù)據(jù)，而溫濕度控制儀在中斷程序中可根據(jù)廣播的從機(jī)地址是否與自己的地址匹配來接收指令，并根據(jù)指令做相應(yīng)的動(dòng)作設(shè)置時(shí)間校正值、溫濕度上下限值、采樣間隔時(shí)間值、溫濕度校正值并將這些數(shù)據(jù)存到外存中以防斷電遺失。

4 PC機(jī)軟件設(shè)計(jì)

本溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)軟件部分包括以下五大部分功能模塊：

一、系統(tǒng)設(shè)置：(1)設(shè)置溫濕度上下限、日期、采樣間隔、接口轉(zhuǎn)換器參數(shù)等;(2)用戶密碼修改、系統(tǒng)用戶信息管理;(3)庫房單位管理、溫濕度儀管理。

二、提取數(shù)據(jù)：(1)系統(tǒng)用戶隨時(shí)提取溫度、濕度的歷史數(shù)據(jù)并存入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫;(2)系統(tǒng)用戶隨時(shí)提取溫度、濕度的當(dāng)前數(shù)據(jù)和溫濕度當(dāng)前工作狀態(tài)。

二、數(shù)據(jù)采集與分析：(1)對溫度、濕度數(shù)據(jù)的采集;(2)對當(dāng)前數(shù)據(jù)的分析。

四、數(shù)據(jù)查詢與分析：按年、按月、按日對已有數(shù)據(jù)查詢，并對查詢結(jié)果進(jìn)行分析，以表格或者曲線的方式顯示。

五、數(shù)據(jù)備份與恢復(fù)：完成對數(shù)據(jù)庫中的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行備份及恢復(fù)操作。

圖3 溫濕度上下限控制示意圖

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)靈活性、交互性較強(qiáng)，可在線根據(jù)需要隨時(shí)設(shè)置溫濕度上下限值、采樣間隔、校正值等參數(shù);系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)過程中充分運(yùn)用了軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的思想，各部分盡量采用模塊化設(shè)計(jì)，可以稍加裁剪改造為適于多種不同場合的多庫房分布式遠(yuǎn)程溫濕度智能監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)已投入實(shí)際運(yùn)行，穩(wěn)定可靠、實(shí)時(shí)性強(qiáng)且充分利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)，利于傳統(tǒng)的基于RS485溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)快速改造為大范圍分布式遠(yuǎn)程溫濕度智能監(jiān)控系統(tǒng)，取得了較好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。