基于Modbus總線的室內(nèi)通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)

摘要：針對(duì)化學(xué)、生物實(shí)驗(yàn)室等易產(chǎn)生有害氣體的空間，設(shè)計(jì)了基于Modbus總線的室內(nèi)通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)由下位機(jī)排風(fēng)控制器、補(bǔ)風(fēng)控制器與上位機(jī)監(jiān)控中心組成，可實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)通風(fēng)柜集中遠(yuǎn)程控制與監(jiān)測(cè)。硬件電路以LPC2138為核心控制芯片，由風(fēng)速傳感器、通風(fēng)柜窗開度位移傳感器、人體傳感器等電路組成，采用RS485模塊構(gòu)建基于Modbus的通信網(wǎng)絡(luò)。試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)成本低，穩(wěn)定性好，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，具有較高的實(shí)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞：通風(fēng)監(jiān)控；ARM；Modbus總線

0 引言
    化學(xué)、生物實(shí)驗(yàn)室等場(chǎng)所在運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生有害物質(zhì)，這些有害物質(zhì)一般由氣體、微小顆粒等懸浮物組成，不及時(shí)排除會(huì)嚴(yán)重影響室內(nèi)人員的健康甚至生命安全。因此，在這些實(shí)驗(yàn)室內(nèi)每個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)前一般均安裝有通風(fēng)設(shè)備通風(fēng)柜。傳統(tǒng)的通風(fēng)柜多為單一控制模式，工作時(shí)通風(fēng)量保持固定不變，不能根據(jù)具體情況調(diào)節(jié)風(fēng)量，通風(fēng)效果不佳，也不利于節(jié)約電能；在無人監(jiān)控狀況下一旦通風(fēng)柜發(fā)生故障停止運(yùn)轉(zhuǎn)，會(huì)造成危險(xiǎn)。
    Modbus技術(shù)己成為一種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，其通訊主要采用RS232、RS485等通訊媒介，是一種開放、靈活和標(biāo)準(zhǔn)的通訊技術(shù)。本文設(shè)計(jì)了一種基于Modbus總線的室內(nèi)通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)通風(fēng)柜集中遠(yuǎn)程控制(根據(jù)具體情況調(diào)節(jié)風(fēng)量)與監(jiān)測(cè)。

1 監(jiān)控系統(tǒng)的組成
    整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)由通風(fēng)柜控制器(下位機(jī))、Modbus總線和服務(wù)端(上位機(jī))三部分組成，通風(fēng)柜可根據(jù)實(shí)驗(yàn)室房間的大小和實(shí)驗(yàn)臺(tái)分布的具體情況進(jìn)行合理的布局。通風(fēng)控制器在功能上可分為排風(fēng)控制器和補(bǔ)風(fēng)控制器兩種，硬件電路上結(jié)構(gòu)一致。對(duì)于諸如化學(xué)、生物實(shí)驗(yàn)室等特定房間，需要對(duì)每個(gè)排風(fēng)柜進(jìn)行單獨(dú)的排風(fēng)控制，整個(gè)房間還需要一個(gè)補(bǔ)風(fēng)終端對(duì)房間進(jìn)行風(fēng)量的補(bǔ)充以免造成室內(nèi)氣壓過低。排風(fēng)控制器安裝在每個(gè)通風(fēng)柜上，補(bǔ)風(fēng)控制器安裝在補(bǔ)風(fēng)終端上。每個(gè)通風(fēng)控制器都有風(fēng)量控制、監(jiān)測(cè)、報(bào)警和參數(shù)設(shè)置等功能，并實(shí)時(shí)與上位機(jī)通信。
    通風(fēng)控制器的控制對(duì)象是每個(gè)通風(fēng)柜以及補(bǔ)風(fēng)終端上安裝的文丘里閥，文丘里閥采用了數(shù)字化氣流控制技術(shù)，內(nèi)部具有高速的氣流控制器，具有快速反應(yīng)的自動(dòng)壓力平衡裝置，提供可靠的通風(fēng)柜集塵與室內(nèi)壓力的控制，風(fēng)量的控制不受通風(fēng)系統(tǒng)波動(dòng)的影響。每個(gè)房間的通風(fēng)柜和補(bǔ)風(fēng)終端都連接著統(tǒng)一的通風(fēng)管道和外部的風(fēng)機(jī)相連。
    通信網(wǎng)絡(luò)采用RS485網(wǎng)絡(luò)，通信協(xié)議采用Modbus協(xié)議，其作用是實(shí)現(xiàn)通風(fēng)控制器終端和上位機(jī)之間的通信。
    服務(wù)端是在PC機(jī)上實(shí)現(xiàn)，可檢測(cè)設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、報(bào)警等信息，并可遠(yuǎn)程設(shè)置各個(gè)控制端的參數(shù)，統(tǒng)計(jì)查看歷史數(shù)據(jù)曲線等，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 通風(fēng)控制器的設(shè)計(jì)
    通風(fēng)控制器在功能上分為補(bǔ)風(fēng)控制器和排風(fēng)控器，兩者在硬件電路設(shè)計(jì)上一致，補(bǔ)風(fēng)控制器是通過Modbus總線獲取每個(gè)房間所有排風(fēng)控制器的風(fēng)量數(shù)據(jù)，通過運(yùn)算控制補(bǔ)風(fēng)終端的文丘里閥門輸送相應(yīng)的補(bǔ)風(fēng)量。
2．1 硬件電路的組成
    通風(fēng)控制器的硬件設(shè)計(jì)采用了模塊化的設(shè)計(jì)，由ARM芯片LPC2138及其外圍電路、Modbus通信接口電路以及各種傳感器電路組成，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

    風(fēng)速傳感器、通風(fēng)柜窗開度位移傳感器、人體傳感器檢測(cè)到的數(shù)據(jù)經(jīng)A／D采樣送入ARM處理器，與系統(tǒng)設(shè)定的風(fēng)量等參數(shù)進(jìn)行比較計(jì)算后輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制文丘里閥門開度再由風(fēng)速反饋與閥門反饋電壓回饋形成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。各種信息數(shù)據(jù)通過Modbus總線傳至上位機(jī)。[!--empirenews.page--]
2．1．1 Modbus通信接口電路設(shè)計(jì)
    通信電路采用ADM2587E與LPC2138串口連接實(shí)現(xiàn)基于RS485的Modbus協(xié)議通信，ADM2582E是具備±15kV ESD保護(hù)功能的完全集成式隔離數(shù)據(jù)收發(fā)器，適合用于多點(diǎn)傳輸線路上的高速高效通信。該芯片單個(gè)封裝內(nèi)集成了一個(gè)三通道隔離器、一個(gè)三態(tài)差分線路驅(qū)動(dòng)器、一個(gè)差分輸入接收機(jī)和一個(gè)isoPower DC／DC轉(zhuǎn)換器，采用5V或3．3V單電源供電，從而實(shí)現(xiàn)了完全隔離的基于RS-485的Modbus通信解決方案。ADM2587E與LPC2138接口電路如圖3所示。

2．1．2 風(fēng)速傳感電路設(shè)計(jì)
    風(fēng)速傳感電路包括傳感器電路和信號(hào)調(diào)理電路兩部分。風(fēng)速傳感器安裝在排風(fēng)／補(bǔ)風(fēng)口，傳感器上內(nèi)置有兩個(gè)溫敏二極管D1、D2，D1和發(fā)熱電阻由導(dǎo)熱膏連在一起，電阻通電發(fā)熱，風(fēng)量吹向電阻起到一定的散熱作用，電阻通過導(dǎo)熱膏將此風(fēng)速下的發(fā)熱量傳遞給D1，D1導(dǎo)通特性發(fā)生變化，D2作為無熱量傳導(dǎo)的固定參照。由于獲取當(dāng)前風(fēng)速需要D1、D2的電壓差作為參數(shù)，且D1、D2傳導(dǎo)的電壓信號(hào)較微弱，故采用信號(hào)調(diào)理電路通過運(yùn)放放大后使兩路電壓作差送入LPC2138的A／D接口。FS2與FS3之間的溫度差是風(fēng)速的函數(shù)，由此可計(jì)算出對(duì)應(yīng)的風(fēng)速。傳感器電路如圖4所示。

2．1．3 其他外圍電路
    其他外圍電路主要有驅(qū)動(dòng)電路、報(bào)警電路、輸入電路、存儲(chǔ)電路、顯示電路以及其他的傳感器電路。
    鍵盤和LED燈電路采用的是Philips的GPIO擴(kuò)展芯片PCA9555D與主控芯片連接，最高可擴(kuò)展16路通過GPIO口，可以直接驅(qū)動(dòng)LED閃爍，節(jié)省了主芯片的GPIO口，通過I2C總線與主芯片通信。
    存儲(chǔ)電路和復(fù)位電路采用CAT1025芯片實(shí)現(xiàn)。CAT1025是基于微控制器系統(tǒng)的存儲(chǔ)器和電源監(jiān)控的完全解決方案，它利用低功耗CMOS技術(shù)將2kbit的串行EEPOM存儲(chǔ)器和帶掉電保護(hù)的系統(tǒng)電源監(jiān)控電路集成在一起。存儲(chǔ)器采用400kHz的I2C總線接口。
    傳感電路除了風(fēng)速傳感電路外，還有以下幾種傳感器連接入主電路：1)人體傳感器，通過人體傳感器可以檢測(cè)到人員是否進(jìn)入工作區(qū)。  2)通風(fēng)柜窗移傳感器，采用滑動(dòng)阻尼變阻器法，監(jiān)測(cè)窗開度的大小。
    顯示電路中顯示屏采用12864 LCD。報(bào)警電路的蜂鳴器是通過PWM2端口輸出PWM信號(hào)來控制其蜂鳴報(bào)警。
2. 2 軟件設(shè)計(jì)
    程序設(shè)計(jì)采用ARM公司的集成開發(fā)環(huán)境Keil。設(shè)計(jì)中采用主程序與終端服務(wù)程序相結(jié)合的方法。系統(tǒng)主程序流程圖如圖5所示。首先進(jìn)行初始化，包括端口、A／D(初始化后立即進(jìn)行轉(zhuǎn)換)、LCD、Modbus模塊等的初始化。Modbus模塊初始化包括波特率、Modbus協(xié)議的初始化。所有控制器以及上位機(jī)的波特率必須相同，本文中波特率設(shè)定為9600bps。

[!--empirenews.page--]
    補(bǔ)風(fēng)控制器通過RS485總線傳輸過來各個(gè)排風(fēng)控制器的排風(fēng)量進(jìn)行累加補(bǔ)送相應(yīng)的風(fēng)量。排風(fēng)控制器根據(jù)自身參數(shù)設(shè)定值、傳感器信號(hào)等通過計(jì)算來控制排風(fēng)量。中斷服務(wù)程序流程圖如圖6所示。

2．2．1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    通風(fēng)柜控制器根據(jù)通風(fēng)柜窗開度、風(fēng)速反饋量、閥門電壓反饋量和其他設(shè)定的量實(shí)時(shí)計(jì)算出排風(fēng)量的大小，轉(zhuǎn)換成輸出電壓，即文丘里閥門的控制電壓。
    控制的基本思路是：1)當(dāng)窗高發(fā)生明顯變化時(shí)，由窗高等參數(shù)計(jì)算出輸出電壓，即時(shí)輸出，并由閥門反饋電壓做修正；2)當(dāng)窗高穩(wěn)定或變化很小時(shí)，交由風(fēng)速反饋的基于PID調(diào)節(jié)的電壓輸出。然后根據(jù)通風(fēng)柜前是否有人做最后的電壓輸出處理?？刂屏鞒虉D如圖7所示。

2．2．2 Modbus通訊協(xié)議
    設(shè)備以及上位機(jī)之間的通信是基于Modbus協(xié)議。Modbus協(xié)議是應(yīng)用于電子控制器上的一種通用語(yǔ)言。通過此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)和其它設(shè)備之間可以通信。它已經(jīng)成為一通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，利用此協(xié)議控制設(shè)備可以連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行集中監(jiān)控。該協(xié)議定義了一個(gè)控制器能認(rèn)識(shí)使用的消息結(jié)構(gòu)，而不管它們是經(jīng)過何種網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的。它描述了一控制器請(qǐng)求訪問其它設(shè)備的過程，如何回應(yīng)來自其它設(shè)備的請(qǐng)求，以及怎樣偵測(cè)錯(cuò)誤并記錄，并制定了消息域格局和內(nèi)容的公共格式。

3 監(jiān)控中心上位機(jī)軟件平臺(tái)
    該服務(wù)端上位機(jī)軟件是采用微軟公司Visual Studio軟件開發(fā)平臺(tái)開發(fā)的，具有良好的人機(jī)交互界面，并實(shí)現(xiàn)了與PC上的串口相連的RS 485總線通信。操作簡(jiǎn)單，可對(duì)每個(gè)設(shè)備的參數(shù)進(jìn)行查看和修改，實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前風(fēng)速以及周圍狀況等參數(shù)，獲取設(shè)備報(bào)警信息，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)并繪制實(shí)時(shí)風(fēng)速曲線，并顯示告警信息。

4 結(jié)語(yǔ)
    監(jiān)控系統(tǒng)中的通風(fēng)控制器以ARM作為數(shù)據(jù)處理、控制、顯示以及數(shù)據(jù)通信的控制核心，采用Modbus協(xié)議的RS485總線作為通信傳輸，上位機(jī)控制中心實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。測(cè)試結(jié)果表明，本系統(tǒng)工作穩(wěn)定、可靠性強(qiáng)、且操作方便?；贛odbus協(xié)議的通信總線可以方便地增加或移除通風(fēng)柜而不會(huì)影響系統(tǒng)運(yùn)行，便于整個(gè)系統(tǒng)的維護(hù)和更新。為室內(nèi)通風(fēng)控制提供了一種新的方法，具有較高的實(shí)用價(jià)值。