如何基于RS485總線設(shè)計溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)？

1 概述

環(huán)境條件中的溫濕度指標(biāo)是很多工作場合中的重要參數(shù)，不論是倉庫治理、圖書保存還是產(chǎn)業(yè)丈量與計量檢定，都需要符合操縱規(guī)定的溫濕度環(huán)境條件。而溫濕度也是最不輕易保障的指標(biāo)，針對這一情況，研制可靠且實用的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)顯得非常重要。監(jiān)控系統(tǒng)以RS-485總線協(xié)議為基礎(chǔ)組成分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，采用PC機與單片機組成的多機系統(tǒng)完成丈量與控制任務(wù)。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖如圖1。系統(tǒng)采用兩級主從式總線型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。由1臺PC機(作為上位機)、若干臺AT89S52單片機(作為下位機)和RS-485總線通訊網(wǎng)絡(luò)組成。整個系統(tǒng)在監(jiān)控系統(tǒng)治理軟件的控制下，同一協(xié)調(diào)工作，完成設(shè)計功能。

2.2 主從式通訊網(wǎng)絡(luò)

監(jiān)控系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)通訊采用RS-485串行總線連接，串行通訊具有傳輸間隔長、連接簡單、使用靈活方便、數(shù)據(jù)傳輸可靠性高的特點，在產(chǎn)業(yè)監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集和實時控制系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。其中采用差分通訊方式進行信號發(fā)送與接收的RS-485(EIA-485Standard)總線協(xié)議較RS-232C協(xié)議進步了抗共模干擾能力和傳輸速率，擴大了傳輸間隔，更適合作為現(xiàn)場總線應(yīng)用于復(fù)雜的環(huán)境中的產(chǎn)業(yè)控制和實時監(jiān)控系統(tǒng)中[1]。

下位現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集與控制單元掛接于同一條數(shù)據(jù)通訊總線，總線為各現(xiàn)場單元共享，為避免總線通訊的競爭與沖突，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通訊采用主從式和廣播式通訊控制方法。由主控微機決定一次通訊過程的啟動和終止，通過給需要通訊的現(xiàn)場單元分配總線通訊使用權(quán)的方法來實現(xiàn)與下位單片機與主控微機之間的網(wǎng)絡(luò)通訊。網(wǎng)絡(luò)中的下位單片機請求通訊時必須等待主控微機將總線使用權(quán)分配給它后才能收發(fā)數(shù)據(jù)[2]。采用主從通訊控制方法固然速度稍慢，但由于現(xiàn)場單片機與主控微機間的信息交換不是特別頻繁，因此對于本監(jiān)控系統(tǒng)是適用的。

PC主控微機與各現(xiàn)場單元單片機之間所采用的通訊規(guī)約是自定義的、非標(biāo)準(zhǔn)的、比較簡單的格式。主控PC微機通過RS-232C串口向總線通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換控制器發(fā)送命令幀信息，總線控制器接口電路負責(zé)RS-232C電平和RS-485電平之間的相互轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)發(fā)此通訊幀向RS-485總線網(wǎng)絡(luò)廣播。在通訊幀中包含主控微機所要求的下位現(xiàn)場單元編號，所有下位現(xiàn)場單元單片機都收聽廣播，在收到廣播幀后，進行編號對比操縱，各下位單片機把收到的編號與自己的編號進行比較，編號相同的下位單片機控制器為被選中的下位機，對接收到的幀信息進行處理，其余下位單片機控制器皆為未選中的下位機，需要丟棄收到的幀信息并繼續(xù)進行網(wǎng)絡(luò)偵聽工作[3]。同樣，下位現(xiàn)場單元單片機向主控微機發(fā)送信息幀時，由總線通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換控制器轉(zhuǎn)換為RS-232C通訊協(xié)議電平向主控微機轉(zhuǎn)發(fā)。在設(shè)計實驗中，監(jiān)控系統(tǒng)在串行通訊波特率為9600bit/s，無奇偶校驗位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位的設(shè)置下通訊正常，沒有發(fā)生丟幀或錯幀的現(xiàn)象。

2.3 下位機數(shù)據(jù)采集與控制單元

下位機是一個以AT89S52單片機為核心的數(shù)據(jù)采集與控制單元。AT89S52是一個低功耗，高性能CMOS 8位單片機，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，功能強大的AT89S52可為很多嵌進式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價比的解決方案。 AT89S52具有如下資源：40個引腳，8k Bytes Flash片內(nèi)程序存儲(In system programmable可反復(fù)擦寫1000 次)，256 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器(RAM)，32個外部雙向輸進/輸出(I/O)口，5個中斷優(yōu)先級2層中斷嵌套中斷，2個16位可編程定時計數(shù)器，2個全雙工串行通訊口，看門狗(WDT)電路，片內(nèi)時鐘振蕩器。可通過軟件設(shè)置省電模式?？臻e模式下，CPU暫停工作，而RAM定時計數(shù)器，串行口，外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，直至外中斷激活或硬件復(fù)位[4]。下位機分別接有8路溫度濕度傳感器，進行溫度濕度檢測，并根據(jù)各路的均勻溫度和均勻濕度，控制除濕機、空調(diào)機或其他設(shè)施，以使環(huán)境溫度與濕度控制在特定的范圍內(nèi)，并輪流顯示均勻溫度、濕度值。下位機還設(shè)有煙霧、火光和熱釋電紅外傳感器及其相關(guān)電路 ，組成防火、防盜報警系統(tǒng)。下位單片機通過TTL/RS-485通訊接口電路與總線網(wǎng)絡(luò)相連接構(gòu)成半雙工主從式串行通訊網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)下位機通過串行口與上位機交換數(shù)據(jù)。下位機是一個相對獨立的智能型區(qū)域數(shù)據(jù)丈量與控制子系統(tǒng)，當(dāng)監(jiān)控主機與下位單片機之間的通訊發(fā)生故障時，各下位機仍可獨立完成相關(guān)區(qū)域的數(shù)據(jù)采集、告警和控制功能。

各溫度和濕度傳感器分別將檢測到的溫度和濕度物理量轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)各自的低噪聲放大器放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/ D)后，送到AT89S52單片機進行數(shù)據(jù)分析處理。下位機可接受上位機的訪問，根據(jù)需要將溫度、濕度數(shù)據(jù)實時傳遞給上位機，由上位機對各倉庫的溫濕度數(shù)據(jù)進行記錄并做相應(yīng)處理。由于不同武器裝備對環(huán)境溫、濕度要求不同，用戶可通過外加鍵盤，在所需要的范圍內(nèi)隨意設(shè)置系統(tǒng)監(jiān)控的溫、濕度指標(biāo)，以便系統(tǒng)適應(yīng)不同的需要。

3 軟件設(shè)計

3.1網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)軟件的設(shè)計與開發(fā)

網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)軟件的設(shè)計與開發(fā)采用基于面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計思想和關(guān)系數(shù)據(jù)庫技術(shù)，在Windows9x/2000/XP系統(tǒng)平臺上采用 Borland C++ Builder編程語言開發(fā)而成。監(jiān)控系統(tǒng)軟件完成的主要任務(wù)和功能有:系統(tǒng)組態(tài)、串行通訊治理、圖形顯示治理、數(shù)據(jù)存儲、報表打印、統(tǒng)計分析、異常處理等。倉儲網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計功能較多而復(fù)雜，而且層次比較多。因此在設(shè)計上首先基于Windows的多任務(wù)處理機制，前臺完成命令響應(yīng)、各模塊調(diào)用以及系統(tǒng)工作狀態(tài)的動態(tài)實時圖形化顯示等，后臺負責(zé)實時監(jiān)視接收各下位現(xiàn)場單元發(fā)送的數(shù)據(jù)、定時巡檢或隨機抽檢工作現(xiàn)場的單片機控制器、進行異常處理和報警處理等;在編程技術(shù)上采用VCL組件開發(fā)技術(shù)，應(yīng)用多線程技術(shù)進行多任務(wù)處理;其次，采用模塊化程序設(shè)計，把一個大的程序劃分為若干個小的功能模塊，每個模塊之間既相互獨立又相互聯(lián)系，這樣可以進步軟件的可維護性、可讀性、可靠性和高效性[2]。

3.2 下位機程序設(shè)計[5]