基于以太網(wǎng)的軍械倉(cāng)庫(kù)溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)

劉海光，王桂芹，張本生

(海軍潛艇學(xué)院，山東 青島 266071)

目前各軍械倉(cāng)庫(kù)對(duì)溫濕度的監(jiān)控還是采用人工檢測(cè)和控制，此方法檢測(cè)速度慢，而且精度低，效率低，勞動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，控制措施滯后。近幾年，特別是大量新型武器裝備后，由溫度、濕度等環(huán)境問(wèn)題給裝備造成的損失逐年上升。目前有很多單位擁有多個(gè)庫(kù)房且分布于不同的地點(diǎn)，需要監(jiān)測(cè)溫濕度的地點(diǎn)也大多是分散的，不利于溫濕度的統(tǒng)一監(jiān)控;尤其是近年來(lái)技術(shù)陣地不斷擴(kuò)大，傳統(tǒng)的監(jiān)控方法已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際需要，急需建立一種管理科學(xué)、操作簡(jiǎn)便、運(yùn)行可靠的高效率溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)。

目前針對(duì)溫濕度的監(jiān)控系統(tǒng)雖然已經(jīng)有很多［1-2］，但適合于軍事庫(kù)房及洞庫(kù)的大型遠(yuǎn)程有線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的還沒(méi)有。本文所建立的系統(tǒng)將信息采集、傳輸、處理等多種信息技術(shù)相互融合，將參數(shù)監(jiān)測(cè)和單片機(jī)控制理論相結(jié)合，提出了一種切實(shí)可行的遠(yuǎn)程有線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該測(cè)控系統(tǒng)實(shí)用性強(qiáng)，實(shí)時(shí)性好，數(shù)據(jù)傳輸效率高，可靠性好。不僅可以應(yīng)用于軍械倉(cāng)庫(kù)溫濕度監(jiān)控管理，而且可推廣到其他監(jiān)控領(lǐng)域，具有廣泛的應(yīng)用前景。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于分布式控制系統(tǒng)(distributed control system，DCS)的思想，系統(tǒng)設(shè)計(jì)為測(cè)控中心、測(cè)控站和控制器3 級(jí)控制體系，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。測(cè)控中心布置于專門的監(jiān)控室，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，測(cè)控中心不僅可以顯示每一個(gè)測(cè)控站點(diǎn)實(shí)時(shí)溫濕度信息，還可以對(duì)測(cè)控站的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控并設(shè)置其運(yùn)行參數(shù)，為解決遠(yuǎn)距離通訊，測(cè)控中心采用高速以太網(wǎng)與測(cè)控站進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊;測(cè)控站布置于監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)，溫度和濕度的測(cè)量通過(guò)傳感器在測(cè)控站完成，測(cè)控站將溫濕度信息及時(shí)上傳測(cè)控中心，并適時(shí)啟動(dòng)溫濕度控制器對(duì)環(huán)境的溫度及濕度進(jìn)行控制;溫濕控制器由測(cè)控站進(jìn)行直接控制。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 測(cè)控中心

控制中心集計(jì)算機(jī)技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、測(cè)量控制技術(shù)、通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、圖形顯示技術(shù)及人機(jī)接口技術(shù)于一體，它對(duì)測(cè)控站進(jìn)行集中監(jiān)測(cè)、操作、管理和分布式控制。測(cè)控中心采用最新的嵌入式微機(jī)、外置人機(jī)接口，大尺寸液晶顯示器設(shè)計(jì)為壁掛式，以方便觀看?？刂浦行牟捎锰摂M儀器技術(shù)來(lái)開(kāi)發(fā)，利用軟件就是儀器的思想，充分挖掘PC 機(jī)強(qiáng)大的信息處理及圖文顯示能力。

2.2 測(cè)控站設(shè)計(jì)

測(cè)控站采用Atmel 公司AVI 單片機(jī)系統(tǒng)來(lái)構(gòu)建［3］，其組成如圖2 所示。系統(tǒng)由溫濕度傳感器、報(bào)警電路、LED 顯示電路、ATmegal28 單片機(jī)、通訊模塊、繼電器等部分組成。

1)MCU

MCU 采用高檔8 位單片機(jī)ATMegal28，其晶體振蕩頻率可實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)間的精確通信，它具有128 kB 的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash，4 kB 的SRAM 和4 kB 的E2PROM。由于其存儲(chǔ)器空間較大，故不需外接存儲(chǔ)單元就可以滿足LED 顯示和TCP/IP 數(shù)據(jù)幀的存儲(chǔ)需要［4］。

圖2 測(cè)控站組成框圖

2)傳感器

為提高測(cè)控站的集成性，溫濕度傳感器采用高度集成的溫濕度傳感器芯片SHT75，它采用CMOSens 技術(shù)，它具有很高可靠性與穩(wěn)定性?？蓽y(cè)量相對(duì)濕度、溫度和露點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)自數(shù)字式輸出和動(dòng)校準(zhǔn)，傳感器將溫/濕度傳感器、放大器、A/D 轉(zhuǎn)換器和串行接口電路集成在一個(gè)芯片上，并在精確的濕度腔室中進(jìn)行標(biāo)定，以冷凝式濕度計(jì)為參照，輸出標(biāo)定的數(shù)字信號(hào)。采用銅燒結(jié)網(wǎng)的防護(hù)探頭封裝，不但具有防塵、防水、耐壓和耐損的功能，而且更換方便。采用兩線串行總線與MCU 進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，由MCU 完成非線性補(bǔ)償和溫度補(bǔ)償。

SHT75 與控制器MCU 的連接是通過(guò)ATmegal28 的2 個(gè)I/O 分別與傳感器的DATA 引腳和SCK 引腳相連，來(lái)實(shí)現(xiàn)通訊及數(shù)據(jù)的傳輸，連接示意圖如圖3 所示。Vdd 與3.3V 電壓相連。為避免信號(hào)沖突，控制器應(yīng)僅驅(qū)動(dòng)DATA 引腳在低電平，在I /O 電路中，DATA 引腳被上拉電阻提至高電平。

圖3 SHT75 與ATmegal28 的連接示意圖

3)通訊模塊

通訊選用ENC28J60 以太網(wǎng)接口模塊，該模塊體積小，傳輸速率高;它是帶有SPI 接口的獨(dú)立以太網(wǎng)控制器，SPI 接口最高速度可達(dá)10MB/S;具有兼容IEEE 802.3，集成MAC 和10BASE-T，支持全雙工模式，內(nèi)含8 kB 收發(fā)數(shù)據(jù)包雙端口SRAM，可實(shí)現(xiàn)硬件管理的循環(huán)接收FIFO，硬件支持IP 校驗(yàn)和計(jì)算等多方面的優(yōu)點(diǎn)，可完全滿足對(duì)溫濕度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的要求［5］。

MCU 和ENC28J60 以太網(wǎng)控制芯片通過(guò)SPI 接口進(jìn)行通信，在具體配置中，MCU 配置為主機(jī)模式，ENC28J60 為從設(shè)備。MCU 的SPI 工 作 模 式 由CPOL、CPHA 設(shè) 置，根 據(jù)ENC28J60 的SPI 讀寫時(shí)序，MCU 的SPI 工作模式應(yīng)設(shè)置為模式0。MCU 通過(guò)將ENC28J60 的CS 引腳置低并保證與其同步。寫入到SPI 發(fā)送緩存的數(shù)據(jù)啟動(dòng)SPI 時(shí)鐘，寄存器SPCR 的DORD 位控制SPI MOSI 上的數(shù)據(jù)發(fā)送秩序，置位時(shí)數(shù)據(jù)的最低位先發(fā)送，否則數(shù)據(jù)的最高位先發(fā)送。此方案選擇先發(fā)送最高位，同時(shí)接收到的數(shù)據(jù)傳送到接收緩存，MCU進(jìn)行右對(duì)齊并從接收緩存中讀取接收數(shù)據(jù)。

ENC28J60 接口模塊通過(guò)網(wǎng)線接口、交換機(jī)等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)，在程序配置、控制下與以太網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)幀交換，與測(cè)控中心進(jìn)行基于TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸。

4)LED 顯示

LED 顯示由一片SN74LS145N 芯片驅(qū)動(dòng)10 個(gè)LED 數(shù)碼管組成顯示模塊來(lái)同步顯示溫度值、濕度值與當(dāng)前時(shí)間。具體實(shí)現(xiàn)是定時(shí)器每定時(shí)到2.5 ms 在中斷中不斷刷新這10 個(gè)LED 數(shù)碼管，便可以同步顯示溫度值、濕度值與當(dāng)前時(shí)間。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 測(cè)控站軟件

測(cè)控站軟件采用C 語(yǔ)言設(shè)計(jì)，軟件接口有良好的在線交互功能，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)進(jìn)行存儲(chǔ)，可在線提取當(dāng)前溫濕度數(shù)據(jù)和測(cè)控站狀態(tài)等數(shù)據(jù)。通過(guò)LED 數(shù)碼管同步顯示當(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(lái)確定是否驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警且控制溫度控制器、濕度控制器工作進(jìn)行溫濕度控制。軟件流程如圖4 所示。

圖4 測(cè)控站控制流程

3.2 控制中心軟件

控制中心程序采用美國(guó)NI 公司的圖形化編程語(yǔ)言LabVIEW8.2編寫［6］，按照功能模塊可分為:網(wǎng)絡(luò)通信模塊、數(shù)據(jù)解析模塊、溫濕度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和顯示模塊等，系統(tǒng)總體界面如圖5 所示。

圖5 測(cè)控中心主界面

在圖6 所示的程序框圖中，首先打開(kāi)TCP 連接，然后進(jìn)行接收掃描和發(fā)送掃描，如果有數(shù)據(jù)放入待發(fā)送區(qū)，則進(jìn)行發(fā)送數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)寫入發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。同樣掃描到有數(shù)據(jù)要接收，則進(jìn)行數(shù)據(jù)接收，并把數(shù)據(jù)放入接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，這樣，就可以對(duì)下位機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行控制，并對(duì)下位機(jī)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)存入接收區(qū)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

圖6 網(wǎng)絡(luò)連接程序框圖

4 結(jié)束語(yǔ)

該系統(tǒng)以溫濕度為主要參數(shù)，基于以太網(wǎng)接口模塊，實(shí)現(xiàn)了測(cè)控站與測(cè)控中心進(jìn)行遠(yuǎn)程有線數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏貪穸缺O(jiān)測(cè)，采用AVR 單片機(jī)和數(shù)字溫濕度傳感器進(jìn)行通信，單片機(jī)控制系統(tǒng)與遠(yuǎn)端控制中心進(jìn)行高速通信，實(shí)驗(yàn)運(yùn)行情況表明，系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析處理方便，界面友好美觀，控制精度高，實(shí)現(xiàn)了溫濕度的實(shí)時(shí)監(jiān)控，應(yīng)用該系統(tǒng)可降低由于溫濕度異常對(duì)裝備造成的危害，節(jié)約了人工，可以顯著提高軍械倉(cāng)庫(kù)裝備保障水平。該系統(tǒng)除用于溫濕度監(jiān)測(cè)外，在系統(tǒng)單片機(jī)外圍接入控制電路、其他性能的傳感器甚至攝像頭等，還可以實(shí)現(xiàn)多種其他特殊需要的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)及控制，如電壓監(jiān)測(cè)、視頻監(jiān)控等，具有十分廣闊的應(yīng)用前景和顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

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