設(shè)備庫房多模實(shí)時(shí)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)

□ 李衛(wèi) 秦榮江 湯詩陽 蘇新凌 劉軍

廣播電臺的調(diào)音臺、音頻處理設(shè)備存放間（或庫房）一般會安裝空調(diào)、抽濕機(jī)等，維持合適的環(huán)境溫度和濕度。但是由于無人值守，也不能遠(yuǎn)程看到其中的情況，如果發(fā)生火災(zāi)將帶來很大損失。基于此，我們應(yīng)用溫、濕度傳感器，煙氣傳感器，結(jié)合單片機(jī)和觸摸屏顯示技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等，融合成實(shí)時(shí)監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)，大大提高了保障性。

一、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和功能

系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)是對重要設(shè)備庫房的溫、濕度和煙氣進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上由多個(gè)監(jiān)測傳感器、觸摸顯示報(bào)警器、服務(wù)器組成，以電平傳輸和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸作為聯(lián)系。如圖1所示。

圖1

系統(tǒng)運(yùn)行后，庫房顯示報(bào)警器收到傳感器的監(jiān)測電平值后，經(jīng)過轉(zhuǎn)換互后顯示溫、濕度的值或報(bào)警，每幾秒更新一次顯示數(shù)據(jù)，同時(shí)把數(shù)據(jù)以IP協(xié)議發(fā)給服務(wù)器，服務(wù)器進(jìn)行存儲、統(tǒng)計(jì)，局域網(wǎng)內(nèi)的監(jiān)控電腦能夠通過web頁面看到監(jiān)控情況，報(bào)警信號是通過短信發(fā)給相關(guān)的負(fù)責(zé)人。系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)、多點(diǎn)監(jiān)測，兩種方式顯示和報(bào)警，較好地實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目標(biāo)。

二、技術(shù)選型

1.根據(jù)保存設(shè)備庫房的大小，設(shè)計(jì)了4個(gè)監(jiān)測點(diǎn)。2.選用數(shù)字溫、濕度傳感器DHT21作庫房內(nèi)的溫、濕度監(jiān)測，它具有極高的可靠性和卓越的長期穩(wěn)定性。其分辨率為濕度0.1%RH，溫度0.1℃，易與單片機(jī)相連。3.選用專門的煙霧監(jiān)測器用于煙霧監(jiān)測。4.選用STC15W4K60S4，STC12C5A32S2及STC12C5604AD這三種8位單片機(jī)做溫、濕度監(jiān)測及煙霧監(jiān)測及監(jiān)測數(shù)據(jù)匯總、判斷、發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)等。

三、關(guān)鍵電路設(shè)計(jì)

根據(jù)環(huán)境的要求，下位機(jī)自主設(shè)計(jì)了溫、濕度和煙霧監(jiān)測電路、主控電路和信息接收顯示電路，這三部分的電路設(shè)計(jì)，是保證整個(gè)系統(tǒng)可靠穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。上位機(jī)用服務(wù)器搭建框架，完成與下位機(jī)的通訊和頁面的展示功能。

（一）溫、濕度監(jiān)測和煙霧監(jiān)測原理圖，如圖2。

圖2

其中，P12插座由外部電源提供9V電壓，經(jīng)7805穩(wěn)壓成5V，為數(shù)字溫、濕度傳感器DHT21及STC12C5604AD供電，J2接煙霧監(jiān)測器，DHT21的單線制串行接口接STC12C5604AD的11腳（P3.7），煙霧報(bào)警器接JP1插座，煙霧報(bào)警信號接STC12C5604AD的6腳（P3.2），8、9腳接一個(gè)兩位的撥位開關(guān)JP2，可設(shè)定本監(jiān)測點(diǎn)的地址。正常工作時(shí)STC12C5604AD是處在等待狀態(tài)，當(dāng)其串口接收到查詢溫、濕度的指令后會啟動(dòng)DHT21，然后讀出溫、濕度的值，由于DHT21內(nèi)部存儲的溫、濕度值是前一次監(jiān)測的值，因此需連讀兩次才可得到當(dāng)前的溫、濕度值。（該溫、濕度值均由兩字節(jié)數(shù)據(jù)組成且為16進(jìn)制，其中高位字節(jié)為溫、濕度值的整數(shù)部分，低位字節(jié)為溫、濕度值的小數(shù)部分），當(dāng)串口接收到傳送指令時(shí)就把監(jiān)測到的溫、濕度值傳給控制電路，完成了一次監(jiān)測的過程。若STC12C5604AD在規(guī)定的時(shí)間里讀不到DHT21的數(shù)據(jù)，則判斷其有故障并把此傳給控制電路。煙霧監(jiān)測器監(jiān)測到有煙霧時(shí)會產(chǎn)生一低電平信號，此時(shí)STC12C5604AD進(jìn)入中斷響應(yīng)，會主動(dòng)把報(bào)警信息傳給控制電路，產(chǎn)生報(bào)警。

（二）控制電路，如圖 3。

圖3

主控芯片使用STC15W4K60S4，P5插座接DHT21，其單線制串行接口接STC15W4K60S4的15腳，用于監(jiān)測電路板及附近的溫、濕度。16腳通過Q3控制繼電器用于報(bào)警，P3口接插座控制一個(gè)液晶屏，工作人員在庫房能看到庫房內(nèi)的實(shí)時(shí)溫、濕度值。T1為輸出9V變壓器，供串行總線使用，大大解決了串口傳輸距離短的問題，該電源不能用開關(guān)電源代替。電路上器件的供電由另一路9V/1A的直流電源提供，由P2插座接入。STC15W4K60S4有兩個(gè)串口，串口4（2、3腳）接網(wǎng)卡，傳送各監(jiān)測點(diǎn)的溫、濕度值及煙霧報(bào)警信息。串口2（0、1腳）發(fā)送查詢溫、濕度的指令，正常情況下每一分鐘發(fā)送一次查詢指令，若能收到回傳數(shù)據(jù)，說明監(jiān)測點(diǎn)正常，如果在規(guī)定時(shí)間（3秒）內(nèi)接收不到監(jiān)測點(diǎn)回傳數(shù)據(jù)，則判斷該監(jiān)測點(diǎn)有故障。監(jiān)測點(diǎn)如有煙霧報(bào)警信息，繼電器吸合報(bào)警器，發(fā)出聲光報(bào)警。

P13插座接短信模塊，該模塊與單片機(jī)串口1（21，22腳）通訊，使用標(biāo)準(zhǔn)的AT命令來控制短信模塊實(shí)現(xiàn)各種無線通信功能。當(dāng)有報(bào)警時(shí)，單片機(jī)會向短信模塊撥打內(nèi)置好的負(fù)責(zé)人或管理員的電話，確保了報(bào)警信息能及時(shí)有效地發(fā)送出去，預(yù)防和減少財(cái)產(chǎn)的損失。

在庫房和值班室均放有液晶屏顯示器材庫房溫、濕度監(jiān)測值。如果在一段時(shí)間（80秒）內(nèi)接收不到數(shù)據(jù)，則在屏上顯示網(wǎng)絡(luò)不通，同時(shí)蜂鳴器會發(fā)出兩聲以作提醒，同時(shí)蜂鳴器報(bào)警。當(dāng)有煙霧信息時(shí)，此時(shí)庫房可能已經(jīng)發(fā)生火災(zāi)，屏幕會變成非常刺眼的紅底且出現(xiàn)閃爍的報(bào)警符號，蜂鳴器同時(shí)報(bào)警。

（三）平臺PC框架搭建

信息系統(tǒng)開發(fā)采用Microsoft.NET平臺進(jìn)行Web項(xiàng)目的開發(fā)，結(jié)合fineui整體框架下開發(fā)，fineui有快速開發(fā)能力且具有華麗的UI效果和深度的封裝控件庫。

B/S架構(gòu)的特性決定了PC端為客戶端的服務(wù)均有服務(wù)器提供。因此要達(dá)到數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)變化顯示，我們引入了基于HTML5規(guī)范的WebSocket協(xié)議，它具有全雙工通訊模式，在Web端實(shí)時(shí)顯示溫、濕度監(jiān)測器的數(shù)據(jù)信息，不需要安裝程序，實(shí)現(xiàn)方便，只需要打開網(wǎng)頁即可實(shí)時(shí)監(jiān)控，性能好實(shí)現(xiàn)方便且不易丟失數(shù)據(jù)。

（四）服務(wù)端與下位機(jī)通訊

基于Socket通信原理，服務(wù)器端應(yīng)用程序具體的實(shí)現(xiàn)方式如下：服務(wù)端與單片機(jī)通訊通過Socket傳遞，單片機(jī)先采集溫、濕度和煙氣傳感器的數(shù)據(jù)，通過穩(wěn)定可靠的嵌入式聯(lián)網(wǎng)模塊串口設(shè)備，使單片機(jī)立即具備聯(lián)入TCP/IP網(wǎng)絡(luò)的功能，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)端處理，并在數(shù)據(jù)庫中存儲。服務(wù)端和單片機(jī)通過交換機(jī)連接到內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)中，擁有獨(dú)立的IP地址和端口號，多個(gè)單片機(jī)與服務(wù)器通訊采用了UDP多線程工作方式。

四、應(yīng)用效果

系統(tǒng)投入使用后運(yùn)行情況比較好，傳感器的精度高，零點(diǎn)溫度漂移和靈敏度誤差小。監(jiān)測系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，監(jiān)測控制報(bào)警器放置在全天24小時(shí)值班辦公室內(nèi)，能夠掌握監(jiān)測情況，同時(shí)基于web的電腦端顯示也能夠?qū)崟r(shí)顯示，界面簡潔直觀，成為可移動(dòng)的監(jiān)測終端。數(shù)據(jù)庫記錄有最近30天的數(shù)據(jù)量，可以在電腦監(jiān)控界面上顯示趨勢曲線，對環(huán)境溫、濕度趨勢具有很好的跟蹤監(jiān)控功能。