基于以太网的分布式温湿度智能监控系统

摘 要：对现有多种传统温湿度监控系统进行了研究，发现其多采用RS485传输方式，具有控制范围小和布线繁琐等局限性。为构建大规模跨地域的温湿度监控系统，采用将以太网技术与传统温湿度监控系统相结合的方法及软硬件协同设计的思想，研制出了一种模块化可裁减、基于以太网的分布式智能温湿度监控系统。实践证明，该系统控制范围大且利用现有发达的网络，不必重新布线，可有效实现远程温湿度监控。文中对系统的整体结构和各部分的工作原理进行了详细的说明。

关键词：温湿度监控;远程控制;以太网;分布式

1 引言

现在有很多大型企业单位拥有多个库房分散在不同的地点，不利于统一管理;如何利用已得到广泛应用的以太网改造传统的基于RS485总线的温湿度监控系统，以组建大范围远程分布式[1]温湿度监控系统成为一个迫切需要解决的课题。在此，本文提出了一种便于安装、不必重新布线、基于现有以太网的远程分布式温湿度智能监控系统，文中详细介绍了系统的整体组成结构和工作原理。该系统采用了模块化设计，可以稍加裁剪改造为适于多种不同场合的多库点分布式远程温湿度智能监控系统。

2 硬件系统的设计与实现

2.1 系统整体组成

每个温湿度监控仪由单片机、温度传感器、湿度传感器、DS1302、LED数码管显示模块、地址拨码模块、外部存储器、蜂鸣器、空调机、除湿机、加湿机等组成。128个具有独立地址的温湿度监控仪通过RS485总线并联在一起，再通过一个RS485转TCP/IP协议转换器可直接与微机之间进行网络通讯从而组成一个单元温湿度监控系统(单元温湿度监控系统结构图见图1)。

可根据实际情况由若干单元温湿度监控系统通过集线器组成一个完整的远程分布式温湿度智能监控系统(系统整体结构图见图2)。

2.2 具体温湿度监控仪的组成与实现

由AT89C52外加时钟模块、测温度模块、测湿度模块、LED显示模块、外部存储模块、地址模块、空调机、加湿机、除湿机驱动模块等组成一个具体的温湿度监控仪。

2.2.1 MCU模块

每个温湿度监控仪采用了美国ATMEL公司的8位单片机AT89C52;片内含8K Bytes的可反复擦写的只读程序存储器和256 Bytes 的随机存取数据存储器。

2.2.2 时钟模块

DS1302增加了主电源/后备电源双电源引脚，同时提供了对后备电源进行涓细电流充电的能力，以便在主电源掉电的情况下由蓄电池工作能继续保存时间信息以及数据。DS1302与CPU的连接仅需要三条线，即SCLK、I/O、RST;在控制指令字输入后的下一个SCLK时钟的上升沿时数据被写入DS1302，数据输入从低位即位0开始。同样，在紧跟8位的控制指令字后的下一个SCLK脉冲的下降沿读出DS1302的数据[2]。

2.2.3 测温度模块

DS18B20[3]是DALLAS公司的最新单线数字温度传感器，可把温度信号直接转换成串行数字信号供微机处理;在本系统中DS18B20的分辨率设定为12位;故实际温度=温度整数部分+温度小数部分*0.0625。

2.2.4 测湿度模块

HS1101在电路中等效于一个电容器，其电容随所测空气的相对湿度增大而增大;具有极好的线性输出，在相对湿度为(0-100)%RH的范围内，其误差不大于±2%RH;年漂移量0.5%RH/年，响应时间小于5S[4]。

将该湿敏电容置于555振荡电路中，将电容值的变化转为与之呈反比的电压频率信号，可直接被计算机所采集[5]。

2.2.5 LED显示模块

由一片SN74LS145N芯片驱动10个LED数码关组成显示模块来同步显示温度值、湿度值与当前时间。

2.2.6 外部存储模块

外部存储模块采用ATMEL公司的容量为64K字节的24C512芯片，利用I2C总线进行读写操作，可存储6520条历史数据纪录。

2.2.7 地址模块

由8位拨码管组成地址拨码模块，利用8421编码的方法来确定每个温湿度仪的地址。

2.3 单元温湿度监控系统通讯模块

RS485转TCP/IP协议转换器主要负责串口数据帧和以太网数据帧之间的相互转换和发送。处理器接收到以太网数据包后，先按某种排队规则对数据包排队，数据按一定顺序放在缓冲区中，当到达一定限度时，内部的数据处理芯片开始处理数据帧，然后以串口数据帧的形式发送出去。反之，当有串口数据到达时，转换器把串口数据帧转化为以太网数据帧，其处理过程是类似的，两个处理过程互为逆过程[6]。

3 温湿度监控仪工作原理

上电初始化，根据板子的拨码开关的状态读取并保存温湿度仪地址;读取存在外存中的上次已设置好的温湿度上下限的历史值和保存的采样间隔历史值。然后，进入主循环中，根据采样间隔时间，将温度、湿度、等数据存入外存，点亮LED数码管显示当前时间、温度、湿度，并根据已设置好的温湿度上下限值来确定是否驱动蜂鸣器报警且控制空调机、加湿机、除湿机工作进行温湿度控制调节[7](温湿度上下限控制示意图见图3)。系统有良好的交互性能，利用中断可在线随时设置时间校正值、温湿度上下限值、采样间隔时间值、温湿度校正值并将这些数据存到外存中;可在线提取当前温湿度数据和温湿度仪状态等数据;可由相应指令提取根据采样间隔已存在外存中的历史温湿度数据。

微机发送的指令格式为：FF+从机地址+指令码+数据，而温湿度控制仪在中断程序中可根据广播的从机地址是否与自己的地址匹配来接收指令，并根据指令做相应的动作设置时间校正值、温湿度上下限值、采样间隔时间值、温湿度校正值并将这些数据存到外存中以防断电遗失。

4 PC机软件设计

本温湿度监控系统软件部分包括以下五大部分功能模块：

一、系统设置：(1)设置温湿度上下限、日期、采样间隔、接口转换器参数等;(2)用户密码修改、系统用户信息管理;(3)库房单位管理、温湿度仪管理。

二、提取数据：(1)系统用户随时提取温度、湿度的历史数据并存入系统数据库;(2)系统用户随时提取温度、湿度的当前数据和温湿度当前工作状态。

二、数据采集与分析：(1)对温度、湿度数据的采集;(2)对当前数据的分析。

四、数据查询与分析：按年、按月、按日对已有数据查询，并对查询结果进行分析，以表格或者曲线的方式显示。

五、数据备份与恢复：完成对数据库中的历史数据进行备份及恢复操作。

图3 温湿度上下限控制示意图

5 结束语

本系统灵活性、交互性较强，可在线根据需要随时设置温湿度上下限值、采样间隔、校正值等参数;系统设计开发过程中充分运用了软硬件协同设计的思想，各部分尽量采用模块化设计，可以稍加裁剪改造为适于多种不同场合的多库房分布式远程温湿度智能监控系统。系统已投入实际运行，稳定可靠、实时性强且充分利用现有网络，利于传统的基于RS485温湿度监控系统快速改造为大范围分布式远程温湿度智能监控系统，取得了较好的社会经济效益。