摘要：對(duì)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(duì)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(kù)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(chǎng)合的多庫(kù)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(cè)溫度模塊、測(cè)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。
2.2.1mcu模塊
每個(gè)溫濕度監(jiān)控儀采用了美國(guó)atmel公司的8位單片機(jī)at89c52;片內(nèi)含8kbytes的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲(chǔ)器和256bytes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(duì)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(cè)溫度模塊
ds18b20[3]是dallas公司的單線數(shù)字溫度傳感器，可把溫度信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成串行數(shù)字信號(hào)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(cè)濕度模塊
hs1101在電路中等效于一個(gè)電容器，其電容隨所測(cè)空氣的相對(duì)濕度增大而增大;具有*的線性輸出，在相對(duì)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(hào)，可直接被計(jì)算機(jī)所采集[5]。
2.2.5led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(duì)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(kù)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(kù);（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(duì)溫度、濕度數(shù)據(jù)的采集;（2）對(duì)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(duì)已有數(shù)據(jù)查詢，并對(duì)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(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)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(chǎng)合的多庫(kù)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。