實(shí)驗(yàn)室溫濕度跟蹤與分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

劉希林，梁振清，李 強(qiáng)

（廣西壯族自治區(qū)氣象技術(shù)裝備中心，南寧 530022）

引言

根據(jù)JJF1069-2012 法定計(jì)量檢定機(jī)構(gòu)規(guī)范的要求，必須對(duì)環(huán)境條件實(shí)施監(jiān)測(cè)控制和記錄，分析判斷環(huán)境條件是否影響檢定、校準(zhǔn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性［1］。氣象計(jì)量實(shí)驗(yàn)室需要在一定的溫濕度范圍內(nèi)才能對(duì)儀器進(jìn)行檢定［2-5］。因此通過使用溫濕度跟蹤與分析系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)溫濕度自動(dòng)監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)查看環(huán)境溫濕度情況，滿足氣象計(jì)量實(shí)驗(yàn)室對(duì)環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)跟蹤與分析的要求，有助于提升氣象計(jì)量檢定的工作效率。

在實(shí)驗(yàn)室的監(jiān)控項(xiàng)目中，不同實(shí)驗(yàn)室對(duì)溫濕度都有要求，大部分實(shí)驗(yàn)都是在明確的溫濕度環(huán)境中展開。在醫(yī)藥、生化、儀器校準(zhǔn)、農(nóng)業(yè)、氣象、建筑與電器等領(lǐng)域中所用的儀器和設(shè)備都需要追蹤并控制溫度［6-14］，實(shí)驗(yàn)室環(huán)境條件直接影響著這些儀器的檢定和檢測(cè)結(jié)果，每項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行過程都需要精確可靠的監(jiān)測(cè)儀器提供準(zhǔn)確的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)室要求適宜的溫度和濕度，室內(nèi)的小氣候，包括氣溫、濕度和氣流速度等，對(duì)在實(shí)驗(yàn)室工作的人員和儀器設(shè)備有影響。夏季的適宜溫度應(yīng)是18～28℃，冬季為16～20℃，相對(duì)濕度最好在30%（冬季）～70%（夏季）之間。

氣象計(jì)量實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境條件需要符合相關(guān)檢測(cè)物品對(duì)應(yīng)的檢定規(guī)程要求［15］。本文運(yùn)用C＋＋語言實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)室溫濕度連續(xù)檢測(cè)跟蹤與曲線分析，同時(shí)可查看所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)，不間斷采集溫濕度數(shù)據(jù)［16］，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)氣象計(jì)量實(shí)驗(yàn)室總體溫濕度的監(jiān)控分析。

1 系統(tǒng)布點(diǎn)原則及實(shí)施條件

計(jì)量實(shí)驗(yàn)室內(nèi)外環(huán)境，如溫、濕度等因素會(huì)造成設(shè)備性能的不穩(wěn)定，嚴(yán)重影響計(jì)量設(shè)備的管理可靠性。環(huán)境溫濕度的控制，是保證實(shí)驗(yàn)操作能夠滿足實(shí)驗(yàn)程序各個(gè)過程的需要［17-18］。根據(jù)監(jiān)測(cè)環(huán)境結(jié)構(gòu)及各實(shí)驗(yàn)室布局特點(diǎn)和布置不同的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位屬性，監(jiān)測(cè)點(diǎn)優(yōu)化設(shè)定的原則是：

（1）監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)優(yōu)先設(shè)置在監(jiān)測(cè)環(huán)境空氣流動(dòng)平穩(wěn)處，進(jìn)出風(fēng)口位置不宜放置。根據(jù)管理人員可視范圍調(diào)節(jié)放置高度，方便管理人員查看數(shù)據(jù)。

（2）監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置以不影響工作人員正常工作為原則，遠(yuǎn)離各種熱源，盡量避免日常操作碰觸到設(shè)備。

（3）溫濕度跟蹤與分析系統(tǒng)安裝完成后，DSR通過485 通訊線和對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換器連接，然后接入交換機(jī)，交換機(jī)最終無線連接至中心機(jī)房交換機(jī)或計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控。

（4）需裝DSR 的區(qū)域根據(jù)實(shí)際布線，其中溫度室、氣壓室、濕度室、雨量室、酸度室及綜合室安裝DSR－THP－RA 型號(hào)；檔案室、收發(fā)室、倉庫、會(huì)議室及網(wǎng)絡(luò)室安裝DSR－TH－RA 型號(hào)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)提供一個(gè)固定IP（與線路總數(shù)一致）。

（5）子網(wǎng)絡(luò)最終都與中心機(jī)房的交換機(jī)相連，通過路由器并可接入Internet；從服務(wù)器連接到交換機(jī)，通過局域網(wǎng)獲得子網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。

（6）局域網(wǎng)PC 可成為局域網(wǎng)授權(quán)訪問終端，通過客戶端軟件訪問服務(wù)器、查看數(shù)據(jù)；互聯(lián)網(wǎng)PC 可成為互聯(lián)網(wǎng)授權(quán)訪問終端，可遠(yuǎn)程訪問、遠(yuǎn)程查看數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

依據(jù)氣象計(jì)量實(shí)驗(yàn)室對(duì)環(huán)境溫濕度跟蹤與分析的需求，確保溫濕度自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)處在精準(zhǔn)穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)此將系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)分為三大模塊。

（1）數(shù)據(jù)采集模塊

采集過程主要通過傳感器自動(dòng)測(cè)量出實(shí)驗(yàn)室的溫濕度，再使用轉(zhuǎn)換器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單處理。傳統(tǒng)模擬式的溫濕度傳感器測(cè)量精度低且校準(zhǔn)復(fù)雜，而該系統(tǒng)將采用具有先進(jìn)的溫濕度檢測(cè)技術(shù)的DHT11溫濕度復(fù)合傳感器。DHT11 內(nèi)部采用特殊的數(shù)字模塊采集技術(shù)，將溫度和濕度信息處理集成到傳感器中，通過單總線與微控制器連接直接傳輸出時(shí)鐘信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)，大大降低了所在電路的復(fù)雜性和范圍。

由電阻式濕度傳感器和NTC 溫度傳感器構(gòu)成DHT11 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，連接著一個(gè)高性能8 位單片機(jī)，這個(gè)單片機(jī)能實(shí)時(shí)將器件進(jìn)行分析和處理，確保系統(tǒng)能夠良好地運(yùn)行，所以DHT11 既有著高度的穩(wěn)當(dāng)性，同時(shí)也滿足了品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、高性價(jià)比等優(yōu)勢(shì)。每個(gè)DHT11 傳感器都在極為精確的濕度校驗(yàn)室中進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式存在OTP內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測(cè)信號(hào)的處理過程中要調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù)。單線制串行接口，結(jié)合無線收發(fā)芯片在無線網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點(diǎn)上的應(yīng)用，使系統(tǒng)集成變得簡(jiǎn)易快捷，利于運(yùn)用到實(shí)際電路系統(tǒng)中。

（2）數(shù)據(jù)處理模塊

通過監(jiān)測(cè)電路，在DSR 屏幕上實(shí)時(shí)顯示實(shí)驗(yàn)室內(nèi)溫濕度值，由直觀的曲線變化來判斷溫濕度的變化，同時(shí)可由數(shù)據(jù)庫將數(shù)據(jù)信息保存在系統(tǒng)內(nèi)部，最終也可根據(jù)實(shí)際需求將數(shù)據(jù)導(dǎo)入終端。

（3）終端PC 監(jiān)控模塊

此模塊是人機(jī)交互的一部分，通過電腦端的串行接口轉(zhuǎn)換電路完成與單片機(jī)直接的通信，自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與遠(yuǎn)端PC 之間的連接。當(dāng)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)溫度超出預(yù)警值時(shí)，DSR 記錄儀發(fā)出警報(bào)到終端PC，保證在PC 端也能夠?qū)崟r(shí)參與到監(jiān)控當(dāng)中，得以實(shí)現(xiàn)人工及時(shí)調(diào)節(jié)操作功能。溫濕度自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)原理圖如下圖1 所示。

圖1 溫濕度自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)原理圖

3 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)包含10 個(gè)小的功能模塊，本別是后臺(tái)管理、子網(wǎng)管理、設(shè)備管理、設(shè)備工作參數(shù)設(shè)置、實(shí)時(shí)顯示與記錄功能、超限報(bào)警功能、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析功能、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能、數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能、用戶端查看功能。系統(tǒng)的運(yùn)行處理流程如下圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)的運(yùn)行處理流程

（1）后臺(tái)管理

服務(wù)器后臺(tái)管理系統(tǒng)可完成對(duì)測(cè)量點(diǎn)監(jiān)測(cè)設(shè)備的管理，諸如子網(wǎng)添加、組網(wǎng)設(shè)備添加、設(shè)備參數(shù)設(shè)置等。通過此后臺(tái)管理軟件便可將所有DSR 設(shè)備的即時(shí)數(shù)據(jù)直接保存到服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫當(dāng)中，并可以啟動(dòng)記錄、下載，參數(shù)設(shè)置，停止記錄，同步時(shí)鐘。軟件界面采用不同顏色提示，鮮明奪目，可實(shí)時(shí)查看各臺(tái)儀器運(yùn)行狀況。

（2）子網(wǎng)管理

本系統(tǒng)采用的是RS485 組網(wǎng)方式，每個(gè)DSR 通過485 組網(wǎng)連接，再連入對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換器中，轉(zhuǎn)換器將485 信號(hào)轉(zhuǎn)換成以太網(wǎng)信號(hào)，每個(gè)轉(zhuǎn)換器組成為一個(gè)子網(wǎng)。

（3）設(shè)備管理

監(jiān)控PC 通過IP 地址訪問到轉(zhuǎn)換器，通過儀器的序列號(hào)來分辨儀器的類型，所以需要將設(shè)備逐一添加，由于每臺(tái)儀器都有對(duì)應(yīng)的IP 地址，所以IP 地址要與儀器的序列號(hào)所在子網(wǎng)一一對(duì)應(yīng)。

（4）設(shè)備工作參數(shù)設(shè)置

右鍵后臺(tái)軟件上的儀器圖標(biāo)即可出現(xiàn)上圖顯示的對(duì)話框，在此對(duì)話框中可以設(shè)置儀器的屬性參數(shù)，包括刷新間隔、記錄間隔、報(bào)警上下限、啟動(dòng)方式與結(jié)束方式等。如果所有設(shè)備均使用同一設(shè)置，點(diǎn)擊對(duì)話框中的“應(yīng)用參數(shù)到同類設(shè)備”便可以將所有的儀器信息設(shè)置成統(tǒng)一參數(shù)。

（5）實(shí)時(shí)顯示與記錄功能

不間斷地采集和記錄被監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境內(nèi)溫濕度參數(shù)的情況，以數(shù)字、圖形、表格的方式進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和記錄監(jiān)測(cè)信息。

（6）超限報(bào)警功能

DSR 溫濕度記錄儀內(nèi)置蜂鳴器，具有超限報(bào)警功能，報(bào)警時(shí)能自動(dòng)改變記錄頻率，確保記錄數(shù)據(jù)真實(shí)反映環(huán)境變化，在出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)的時(shí)候，如溫濕度超過上下限時(shí)，可以按照管理人員指定的方式輸出多種報(bào)警。如：郵件報(bào)警、電話報(bào)警、短信報(bào)警、蜂鳴報(bào)警、聲光報(bào)警等。

（7）數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析功能

實(shí)時(shí)統(tǒng)一顯示各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫濕度情況，可查詢歷史數(shù)據(jù)，顯示各個(gè)被測(cè)環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)曲線變化，數(shù)據(jù)分析功能可獲得某監(jiān)測(cè)點(diǎn)某段時(shí)間內(nèi)的最大值、最小值、平均值等情況。

（8）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能

DSR 溫濕度記錄儀本身帶有內(nèi)置存儲(chǔ)功能，可記錄26 萬條溫度數(shù)據(jù)，最多可擴(kuò)展208 萬條數(shù)據(jù)，所以可將數(shù)據(jù)保存在記錄儀內(nèi)部，同時(shí)服務(wù)器將監(jiān)控軟件界面的數(shù)據(jù)按自我設(shè)定的時(shí)間間隔保存至數(shù)據(jù)庫，對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)行雙重保護(hù)，避免丟失溫濕度數(shù)據(jù)。

（9）數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能

實(shí)時(shí)顯示每個(gè)實(shí)驗(yàn)室的溫濕度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、趨勢(shì)曲線，數(shù)據(jù)報(bào)表、圖表、記錄、存儲(chǔ)、導(dǎo)出、打印等功能，同時(shí)也可以包含部分控制和報(bào)警功能等，管理員可導(dǎo)出各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫濕度數(shù)據(jù)變化曲線圖或數(shù)據(jù)列表，并按照特定的要求，輸出不同格式的報(bào)表，如：DOC、EXCEL、TXT 等。

（10）用戶端查看功能

該系統(tǒng)可設(shè)置用戶端訪問權(quán)限，在同一局域網(wǎng)內(nèi)的PC 可通過專業(yè)的用戶端軟件訪問服務(wù)器，查看實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。若服務(wù)器連接進(jìn)入互聯(lián)網(wǎng)，遠(yuǎn)程PC 也可通過網(wǎng)絡(luò)訪問服務(wù)器，查看實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

4 系統(tǒng)檢驗(yàn)測(cè)試

為了檢驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性和準(zhǔn)確性，選取測(cè)試點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控和測(cè)試。

如上圖3 曲線所示，在時(shí)間序列中選取08∶00、10 ∶00、12 ∶00、14 ∶00、16 ∶00 點(diǎn)測(cè)得的數(shù)據(jù)分別為20.0℃、23.0℃、25.0℃、26.5℃、26.0℃，而用精確溫度計(jì)測(cè)量的數(shù)據(jù)為20.2℃、22.5℃、25.4℃、26.5℃、26.2℃。其誤差分別為＋0.1℃、－0.5℃、＋0.4℃、0.0℃、＋0.2℃，誤差絕對(duì)值均在1.0℃內(nèi)（如下表1 所示），說明氣溫測(cè)試數(shù)據(jù)可用（如下表1 所示）。

圖3 日氣溫測(cè)試變化曲線

表1 檢測(cè)與實(shí)際溫度比對(duì)表

如圖4 曲線所示，在時(shí)間序列中選取08∶00、10∶00、12∶00、14∶00、16∶00 點(diǎn)測(cè)得的數(shù)據(jù)分別為35.60%RH、39.50%RH、42.30%RH、37.60%RH、35.60%RH，而用精確濕度計(jì)測(cè)量的數(shù)據(jù)為35.80%RH、39.40%RH、42.10RH%、37.30%RH、35.70%RH。其誤差分別為＋0.20%RH、－0.10%RH、－0.20%RH、－0.30%RH、＋0.10%RH，誤差絕對(duì)值均在3.0%RH 內(nèi)，說明相對(duì)濕度測(cè)試數(shù)據(jù)可用（如表2 所示）。

圖4 相對(duì)濕度測(cè)試變化曲線

表2 檢測(cè)與實(shí)際相對(duì)濕度比對(duì)表

該系統(tǒng)的圖形化操作界面直觀簡(jiǎn)單，用表格和曲線方式查詢顯示各監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)時(shí)測(cè)量值和任意日月年歷史數(shù)據(jù)，支持表格或圖形方式顯示和打印，能統(tǒng)計(jì)任意區(qū)間的數(shù)據(jù)最大值、最小值及平均值，可設(shè)置各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的上下報(bào)警值，并能記錄可查詢報(bào)警歷史。

5 結(jié)論

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)符合JJF1069－2012 規(guī)范的各項(xiàng)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫濕度自動(dòng)監(jiān)測(cè)分析查看、數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理、數(shù)據(jù)存檔及時(shí)超限報(bào)警，能夠跟蹤溫濕度環(huán)境數(shù)據(jù)同時(shí)能分析判斷數(shù)據(jù)是否影響檢定、校準(zhǔn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，支持多點(diǎn)監(jiān)測(cè)以及數(shù)據(jù)報(bào)表打印，分級(jí)管理功能強(qiáng)大，有利于質(zhì)量控制工作的開展，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)質(zhì)量活動(dòng)的監(jiān)測(cè)和管理，以及對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境及測(cè)試品進(jìn)行有效的測(cè)量。系統(tǒng)采用濕度傳感器與溫濕度測(cè)控儀智能一體化設(shè)計(jì)，具有模塊化結(jié)構(gòu)、分散布置、組態(tài)靈活、擴(kuò)展方便等特點(diǎn)，可與各種帶標(biāo)準(zhǔn)通信接口的設(shè)備以及上級(jí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行，具有良好的兼容性。