基于嵌入式設(shè)備的機(jī)房溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

（遼寧軌道交通職業(yè)學(xué)院,遼寧 沈陽(yáng) 110023）

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)是當(dāng)下的一個(gè)熱點(diǎn)，其應(yīng)用領(lǐng)域可以分為四大類，分別是用于提高生產(chǎn)效率、保障社會(huì)安全、方便日常生活以及服務(wù)公共事業(yè)。在服務(wù)公共事業(yè)的領(lǐng)域，在日常環(huán)境監(jiān)測(cè)、保護(hù)工作中，通過布設(shè)物聯(lián)網(wǎng)使得環(huán)境信息化，能夠建立起環(huán)境監(jiān)測(cè)、污染源監(jiān)控、生態(tài)保護(hù)和核安全與輻射環(huán)境安全等信息系統(tǒng)，有利于實(shí)時(shí)收集大量準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，進(jìn)行定量和定性的分析，為環(huán)境管理工作提供科學(xué)決策支持[1]。

1 背景

大型機(jī)房如果沒有溫濕度的實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備，會(huì)由于高溫高濕而導(dǎo)致設(shè)備故障。工作期間的設(shè)備故障會(huì)嚴(yán)重影響企業(yè)正常工作的進(jìn)行，甚至造成嚴(yán)重的財(cái)產(chǎn)損失。而24小時(shí)不間斷全功率開啟空調(diào)又耗電量巨大，因此，大型機(jī)房需要配套環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，以實(shí)時(shí)監(jiān)控溫濕度的變化，在溫度過高時(shí)調(diào)高空調(diào)的功率，濕度過高時(shí)啟動(dòng)除濕器，并在實(shí)施溫濕度控制后仍然不能達(dá)到環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)時(shí)向值班員報(bào)警，提醒值班員實(shí)施干預(yù)。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)為BS結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖1所示。系統(tǒng)整體上由兩大部分組成，數(shù)據(jù)采集模塊和遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊。數(shù)據(jù)采集模塊由51單片機(jī)和溫濕度傳感器組成，遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊由傳感器數(shù)據(jù)管理程序（以下簡(jiǎn)稱“管理程序”）、瀏覽器和移動(dòng)客戶端（兩者以下簡(jiǎn)稱“客戶端”）構(gòu)成。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

根據(jù)本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，單片機(jī)采用低成本的51單片機(jī)。單片機(jī)可接多個(gè)溫度和濕度傳感器，管理程序通過串口定時(shí)輪詢單片機(jī)上所連接的溫濕度傳感器的狀態(tài)。管理程序與單片機(jī)之間的通信采用工業(yè)上廣泛應(yīng)用的Modbus協(xié)議，在符合Modbus通信協(xié)議的基礎(chǔ)上，本項(xiàng)目做出了一些定制。Modbus通信協(xié)議定義了多種功能碼，本項(xiàng)目整體上用到其中的4個(gè)，分別是0x02讀離散輸入寄存器、0x04讀輸入寄存器、0x05寫單個(gè)線圈寄存器和0x06寫單個(gè)保持寄存器。管理程序讀取傳感器狀態(tài)時(shí)用的是功能碼0x04。

送信。送信的通信格式與Modbus功能碼與0x04的查詢命令一致，即讀輸入寄存器。本項(xiàng)目定制的部分是寄存器地址必須跳躍設(shè)置，即0、2、4…或者1、3、5…。這樣設(shè)置的目的是既要符合Modbus通信協(xié)議又希望返信時(shí)能夠攜帶更多的信息。

返信。返信的通信格式也是同Modubs功能碼0x04的返信格式。本項(xiàng)目的定制部分有以下幾處。

（1）字節(jié)數(shù)：8bit，值固定為4，指定從字節(jié)數(shù)之后的固定的4個(gè)字節(jié)。

（2）寄存器地址：8bit（0～255），由于采用異步傳輸，上位機(jī)得知道返回的消息是那個(gè)寄存器的地址。由于8bit的二進(jìn)制數(shù)最多可以表示256個(gè)整數(shù)，理論上最多可以連接256個(gè)傳感器，但是由于為了在單次通信的時(shí)候攜帶更多的信息，每次讀兩個(gè)寄存器地址，實(shí)際上只有128個(gè)地址可用。

（3）設(shè)備類型：8bit，1-溫度傳感器，2-濕度傳感器，3-光照傳感器（擴(kuò)展），4-煙霧傳感器（擴(kuò)展）。本系統(tǒng)目前只用到了溫濕度傳感器，光照和煙霧傳感器以及其他類型的傳感器可根據(jù)今后的使用情況進(jìn)行擴(kuò)展。

（4）傳感器讀數(shù)：16 bit，浮點(diǎn)數(shù)乘以100 后再?gòu)?qiáng)制類型轉(zhuǎn)換成short型。常溫的取值范圍必定在-100℃～100℃以內(nèi)，溫度值為浮點(diǎn)數(shù)，相對(duì)濕度以百分?jǐn)?shù)表示，也是浮點(diǎn)數(shù)。如果存放溫濕度的值，8bit是不夠的，因此用16bit來存放溫濕度。存放的方法為，將溫濕度的值強(qiáng)制轉(zhuǎn)換為精度為兩位小數(shù)的浮點(diǎn)數(shù)，乘以100再?gòu)?qiáng)制轉(zhuǎn)換成整數(shù)，存放在16bit里。當(dāng)管理程序讀取到這16bit值的時(shí)候，先強(qiáng)制轉(zhuǎn)換成浮點(diǎn)數(shù)在除以100并保留兩位小數(shù)就得到了原始的溫濕度值。

2.2 空調(diào)

在本系統(tǒng)中，空調(diào)采用的是EMERSON公司出品的大型機(jī)房Pex空調(diào)，該空調(diào)配備支持Modbus通信協(xié)議的OC485通信卡，管理程序所在服務(wù)器通過RS485串口與OC485通信卡相連接。通過定時(shí)向OC485通信卡發(fā)送查詢指令，管理程序可以實(shí)時(shí)掌握空調(diào)的工作狀態(tài)。OC485通信卡的RS485傳輸模式及通信格式可以參考PeX空調(diào)OC485卡Modbus通訊協(xié)議官方文檔。管理程序與空調(diào)的通信用到了功能碼0x02、0x04、0x05和0x06。

2.3 遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊

遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊的主要功能由部署在服務(wù)器上的管理程序完成。管理程序啟動(dòng)后首先連接數(shù)據(jù)庫(kù)，然后開啟一個(gè)定時(shí)任務(wù)，該任務(wù)的工作有兩個(gè)方面。一方面定時(shí)向單片機(jī)發(fā)送指令讀取其所連接傳感器的狀態(tài)，讀取到的傳感器讀數(shù)除了保存在內(nèi)存中供客戶端查詢，還要寫入數(shù)據(jù)庫(kù)中作為溫濕度的歷史數(shù)據(jù)。這些歷史數(shù)據(jù)做成曲線可以反映出機(jī)房中溫濕度隨季節(jié)變換的趨勢(shì)，也可以作為溫濕度與機(jī)房故障關(guān)聯(lián)性的分析之用。另一方面該任務(wù)定時(shí)向空調(diào)發(fā)出指令讀取空調(diào)的狀態(tài)并保存在內(nèi)存中供客戶端顯示并控制空調(diào)的運(yùn)行之用。

這兩方面的工作需要執(zhí)行的頻率并不相同。通常溫濕度的變化是一個(gè)相對(duì)緩慢的過程，過于頻繁的采集是沒有意義的，因此對(duì)溫濕度數(shù)據(jù)的讀取可以設(shè)定在5分鐘一次。對(duì)空調(diào)狀態(tài)的監(jiān)控實(shí)時(shí)性要求比較高，因此可以設(shè)定每5秒鐘讀取一次空調(diào)的狀態(tài)，這兩方面的工作可以放在一個(gè)定時(shí)任務(wù)中執(zhí)行?？蛻舳说卿浌芾沓绦虺晒螅瑑烧咧g將建立一個(gè)WebSocket連接，管理程序會(huì)定時(shí)向客戶端推送傳感器和空調(diào)的狀態(tài)，管理程序的工作流程。

2.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分可采用MySQL。MySQL是一個(gè)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，由瑞典MySQL AB公司開發(fā)，目前屬于Oracle 旗下產(chǎn)品。MySQL是最流行的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)之一，在WEB應(yīng)用方面，MySQL是最好的RDBMS應(yīng)用軟件。由于其社區(qū)版的性能卓越，搭配JSP和Apache可組成良好的開發(fā)環(huán)境[2]。

管理程序啟動(dòng)后，按照指定的時(shí)間間隔，將采集到的溫濕度信息插入到數(shù)據(jù)庫(kù)中的表history。表history用來存放每天24小時(shí)內(nèi)的傳感器數(shù)據(jù)，從00:00開始，每隔5分鐘上傳一條，每個(gè)個(gè)傳感器每天將有288條數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)可被服務(wù)器讀取并顯示成圖表，用來分析數(shù)據(jù)、天氣、用電量以及機(jī)房故障之間的關(guān)系。表history需要的字段有：device_id，設(shè)備編號(hào)，即傳感器或其他設(shè)備的編號(hào)；device_type，設(shè)備類型，表示溫度傳感器，濕度傳感器或其他設(shè)備；value，傳感器或其他設(shè)備的值；timestamp，讀取到傳感器值的時(shí)間戳。

2.5 瀏覽器和移動(dòng)客戶端

瀏覽器和移動(dòng)客戶端需要支持WebSocket協(xié)議，WebSocket協(xié)議可以在客戶端和服務(wù)器之間建立全雙工的通信，改善用戶體驗(yàn)[3]。瀏覽器和移動(dòng)客戶端成功登錄管理程序后首先從管理程序讀取傳感器的配置信息，并顯示畫面上，然后向服務(wù)器發(fā)起WebSocket連接，連接建立后，服務(wù)器將定時(shí)推送傳感器實(shí)時(shí)信息，畫面上的傳感器信息也隨之更新。

3 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過測(cè)試本解決方案可有效地實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)房的溫濕度變化，并可長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。如果將光照傳感器，空調(diào)，加濕器，照明，窗簾等控制設(shè)備也加入，并增加根據(jù)溫濕度、光照等智能控制設(shè)備的開啟和關(guān)閉的功能，則該解決方案也可以用于企業(yè)的智能工作環(huán)境的搭建。同時(shí)，本系統(tǒng)也應(yīng)用于教學(xué)實(shí)踐，在服務(wù)器開發(fā)和移動(dòng)應(yīng)用開發(fā)相關(guān)課程中取得了良好的教學(xué)效果。