如何基于RS485總線設計溫濕度監(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，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)議為基礎組成分布式網(wǎng)絡結(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。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1網(wǎng)絡監(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，完成設計功能。

2.2 主從式通訊網(wǎng)絡

監(jiān)控系統(tǒng)中網(wǎng)絡通訊采用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)場總線應用于復雜的環(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的方法來實現(xiàn)與下位單片機與主控微機之間的網(wǎng)絡通訊。網(wǎng)絡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、非標準的、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、非易失性存儲技術制造，兼容標準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?？赏ㄟ^軟件設置省電模式。空閑模式下，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。下位機還設有煙霧、火光和熱釋電紅外傳感器及其相關電路 ，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)絡相連接構(gòu)成半雙工主從式串行通訊網(wǎng)絡，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)隨意設置系統(tǒng)監(jiān)控的溫、濕度指標，以便系統(tǒng)適應不同的需要。

3 軟件設計

3.1網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)軟件的設計與開發(fā)

網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)軟件的設計與開發(fā)采用基于面向?qū)ο蟪绦蛟O計思想和關系數(shù)據(jù)庫技術，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)絡監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設計功能較多而復雜，而且層次比較多。因此在設計上首先基于Windows的多任務處理機制，前臺完成命令響應、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;在編程技術上采用VCL組件開發(fā)技術，應用多線程技術進行多任務處理;其次，采用模塊化程序設計，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 下位機程序設計[5]