檔案館監(jiān)控系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)

黃 兵 （安徽工貿職業(yè)技術學院基礎部，安徽 淮南232007）

根據(jù) 《檔案館建筑設計規(guī)范》的要求，檔案館庫房溫度要求控制在14～24℃，相對濕度控制在45%～60%，同時還需要有防火、防盜和自動報警功能。一般來說，傳統(tǒng)的庫房管理是由庫房值班人員定時到各庫房查看和記錄溫、濕度數(shù)據(jù)，根據(jù)檢測到的數(shù)據(jù)，適時進行人工啟停空調機和除濕機進行溫濕度調節(jié)，但當遇到火災、盜竊事件時，自動報警機制不夠健全，具有明顯的滯后性。為此，筆者設計了檔案館監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了對庫房的溫濕度等參數(shù)的自動檢測與控制和智能撥號報警功能。

1 系統(tǒng)結構設計

結構設計包括3個層次：頂層為數(shù)據(jù)處理和顯示層，即上位機；中間層為通信網(wǎng)絡層，負責通信；底層是分布式的智能監(jiān)控單元，即下位機。上位機為數(shù)據(jù)處理和操作人員提供良好的人機界面。上位機一旦接收到操作人員的指示，迅速將控制信號發(fā)送到下位機，實現(xiàn)控制功能。并將采集到的數(shù)據(jù)信息顯示給用戶，實現(xiàn)監(jiān)控功能。底層是指硬件層上的設備。它與所有的傳感器及控制設備結合，通過感知環(huán)境參數(shù)和狀態(tài)的變化，將獲得的數(shù)據(jù)轉換成數(shù)字信號，借助于通信網(wǎng)絡傳遞到上位機系統(tǒng)。并且可以向所有設備發(fā)送控制信號，自動調節(jié)和控制庫房的溫度、濕度的變化。上位機與下位機之間通過數(shù)據(jù)交換實現(xiàn)監(jiān)控功能，該功能的實現(xiàn)由通訊網(wǎng)絡層完成。系統(tǒng)采用RS485串協(xié)議［1］，實現(xiàn)一對多的主從式通信，系統(tǒng)結構配置流程圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結構配置流程圖

2 硬件系統(tǒng)設計

硬件系統(tǒng)的設計是整個系統(tǒng)的核心，硬件系統(tǒng)的結構主要有MEGA16單片機、分站地址設定、看門狗電路、開關量輸入輸出電路、溫濕度檢測電路、煙霧感應檢測電路、紅外線防盜檢測電路、RS485通信電路和液晶顯示電路等。筆者著重介紹溫濕度檢測電路和智能撥號報警電路的原理和功能。

2．1 溫濕度檢測模塊

采用數(shù)字溫濕度傳感器SHT11。SHT11是一款高度集成的數(shù)字溫濕度傳感器芯片，可以同時測量溫度和濕度。該芯片廣泛應用于自動化控制領域，主要特點如下：將溫濕度感測、信號變換、A／D轉換等功能集成到一個芯片上；提供二線數(shù)字串行接口SCK和DATA，接口簡單，支持CRC傳輸校驗，可靠性高。

SHT11的測量時序［2］由啟動傳輸時序、發(fā)布命令、等待測量完成和讀回數(shù)據(jù)等組成。微控制器由“啟動傳輸”時序完成通信，當SCK時鐘為高電平時，DATA轉為低電平；在SCK時鐘為高電平時，DATA轉為高電平。在 “啟動傳輸”時序后，微控制器向SHT11發(fā)送命令，并發(fā)布一組溫度或濕度測量命令，SHT11測量結束，進入空閑狀態(tài)。等待SCK線重啟后，傳送2字節(jié)的測量數(shù)據(jù)和1字節(jié)的CRC校驗。如微控制器與SHT11發(fā)生通信中斷，可通過復位時序對串行接口進行復位。DATA為高電平狀態(tài)時，可以觸發(fā)SCK時鐘9次或更多次。測量和通訊結束后，通過以下公式將其溫度、濕度數(shù)據(jù)轉換為表示實際的溫度和濕度：

式中，TC為溫度；d1、d2與溫度分辨率有關；SOT表示從SHT11中讀出的溫度值；RHLinear和RHTrue分別為經(jīng)過溫度補償?shù)木€性相對濕度和實際相對溫度；C1、C2、C3、t1、t2與濕度分辨率有關；SORH表示從SHT11中讀出的濕度值。

表1 溫度校正系數(shù)

表2 濕度校正系數(shù)

SHT11相對濕度數(shù)字輸出特性計算過程如下：參照表1、表2校正系數(shù)值，當電壓為5V，分辨率為14b時，通過公式T=-40＋0．01M將溫度M轉換成溫度值T；對12位濕度傳感器，計算相對濕度N的非線性相對溫度：

RHL= （-4＋0．0405N-2．8×10-6N2）%

然后對濕度傳感器進行溫度補償，得到相對濕度：

RHT=RHL＋ （T-25）（0．01＋0．00008N）%

SHT11溫濕度傳感器通過I2C總線實現(xiàn)通信，信號調節(jié)均由芯片自動完成，直接輸出數(shù)字信號，結構簡單，穩(wěn)定性好，檢測數(shù)據(jù)準確。

2．2 智能撥號報警模塊

智能撥號報警功能由模塊EX-3實現(xiàn)。EX-3采用無鍵盤設計，可存儲5組以上電話號碼，外部端口最低連接3根線即可控制模塊進行工作。設置外部音頻輸入端口，可與語音電路連接，適用于遠距離的自動控制。EX-3模塊的引腳號、名稱、功能、描述如表3所示。

EX-3智能撥號報警模塊工作流程如下：首先把要撥打的電話號碼預先錄入撥號模塊，錄入完成后，撥號功能處于允許狀態(tài)實現(xiàn)正常撥號。此時，指示燈用常亮來表示。當觸發(fā)端上有觸發(fā)信號時模塊立即向外撥號。高電平HTO觸發(fā)端內置100K下拉電阻，在撥號功能開啟狀態(tài)下，當端口出現(xiàn)高電平時，模塊開始撥號。每個號碼的撥打時間在30～40s內，如無人接聽自動撥打下一個預存號碼。模塊在接受觸發(fā)后，會持續(xù)向外撥叫預存號碼，直至收到被叫號碼的確認，方可中止。當被叫號碼收到模塊的報警信號時必須摘機并按動 “8、9、0”數(shù)字鍵中的任意一個，表示信息的收到和確認。模塊收到確認信號后立刻停止撥號，并恢復到允許觸發(fā)狀態(tài)，等待下一次觸發(fā)。遠程中斷后如觸發(fā)端上次的觸發(fā)信號沒有消失，指示燈會以閃爍的方式不斷提示，只有當2個觸發(fā)端復位到正常狀態(tài)才能進行第2次觸發(fā)操作。指示燈端口內置限流電阻可直接連接單只普通或高亮發(fā)光二極管進行指示。撥號時，自動打開音頻通路，將音頻信號傳送到電話線上，撥號完畢自動關閉音頻通路。如在報警過程中進行了遠程中斷，但中斷后本次的觸發(fā)信號依然存在，指示燈會閃爍提示。此時模塊不再響應任意觸發(fā)端口的信號，必須等端口復位后才能響應下一次觸發(fā)。

表3 EX-3各引腳功能

3 結 語

根據(jù)硬件系統(tǒng)功能設計的需求，以MEGA16單片機作為系統(tǒng)處理核心，通過SHT11溫濕度傳感器完成溫濕度參數(shù)的檢測；通過EX-3智能撥號模塊實現(xiàn)電話報警；通過全隔離的RS485接口電路實現(xiàn)了多機主從式通信。該系統(tǒng)已成功應用于淮南市城建局檔案館，運行情況良好，提高了檔案館的管理水平與效率，有著較高的經(jīng)濟效益和社會效益。

［1］李學海 ．標準80C51單片機基礎教程 ［M］．北京：北京航空航天大學出版社，2006．

［2］張艷麗，張勇 ．基于SHT11的溫濕度控制器 ［J］．兵工自動化，2007，26（5）：83．