基于以太網的軍械倉庫溫濕度監控系統

劉海光，王桂芹，張本生

(海軍潛艇學院，山東 青島 266071)

目前各軍械倉庫對溫濕度的監控還是采用人工檢測和控制，此方法檢測速度慢，而且精度低，效率低，勞動時間長，控制措施滯后。近幾年，特別是大量新型武器裝備后，由溫度、濕度等環境問題給裝備造成的損失逐年上升。目前有很多單位擁有多個庫房且分布于不同的地點，需要監測溫濕度的地點也大多是分散的，不利于溫濕度的統一監控;尤其是近年來技術陣地不斷擴大，傳統的監控方法已經遠遠不能滿足實際需要，急需建立一種管理科學、操作簡便、運行可靠的高效率溫濕度監控系統。

目前針對溫濕度的監控系統雖然已經有很多［1-2］，但適合于軍事庫房及洞庫的大型遠程有線網絡監控系統的還沒有。本文所建立的系統將信息采集、傳輸、處理等多種信息技術相互融合，將參數監測和單片機控制理論相結合，提出了一種切實可行的遠程有線監測系統，該測控系統實用性強，實時性好，數據傳輸效率高，可靠性好。不僅可以應用于軍械倉庫溫濕度監控管理，而且可推廣到其他監控領域，具有廣泛的應用前景。

1 系統結構

基于分布式控制系統(distributed control system，DCS)的思想，系統設計為測控中心、測控站和控制器3 級控制體系，其結構如圖1 所示。測控中心布置于專門的監控室，以實現數據的實時監控，測控中心不僅可以顯示每一個測控站點實時溫濕度信息，還可以對測控站的運行狀態進行監控并設置其運行參數，為解決遠距離通訊，測控中心采用高速以太網與測控站進行實時通訊;測控站布置于監控現場，溫度和濕度的測量通過傳感器在測控站完成，測控站將溫濕度信息及時上傳測控中心，并適時啟動溫濕度控制器對環境的溫度及濕度進行控制;溫濕控制器由測控站進行直接控制。

圖1 系統結構

2 系統硬件設計

2.1 測控中心

控制中心集計算機技術、信號處理技術、測量控制技術、通訊網絡技術、圖形顯示技術及人機接口技術于一體，它對測控站進行集中監測、操作、管理和分布式控制。測控中心采用最新的嵌入式微機、外置人機接口，大尺寸液晶顯示器設計為壁掛式，以方便觀看。控制中心采用虛擬儀器技術來開發，利用軟件就是儀器的思想，充分挖掘PC 機強大的信息處理及圖文顯示能力。

2.2 測控站設計

測控站采用Atmel 公司AVI 單片機系統來構建［3］，其組成如圖2 所示。系統由溫濕度傳感器、報警電路、LED 顯示電路、ATmegal28 單片機、通訊模塊、繼電器等部分組成。

1)MCU

MCU 采用高檔8 位單片機ATMegal28，其晶體振蕩頻率可實現與計算機間的精確通信，它具有128 kB 的系統內可編程Flash，4 kB 的SRAM 和4 kB 的E2PROM。由于其存儲器空間較大，故不需外接存儲單元就可以滿足LED 顯示和TCP/IP 數據幀的存儲需要［4］。

圖2 測控站組成框圖

2)傳感器

為提高測控站的集成性，溫濕度傳感器采用高度集成的溫濕度傳感器芯片SHT75，它采用CMOSens 技術，它具有很高可靠性與穩定性。可測量相對濕度、溫度和露點，可實現自數字式輸出和動校準，傳感器將溫/濕度傳感器、放大器、A/D 轉換器和串行接口電路集成在一個芯片上，并在精確的濕度腔室中進行標定，以冷凝式濕度計為參照，輸出標定的數字信號。采用銅燒結網的防護探頭封裝，不但具有防塵、防水、耐壓和耐損的功能，而且更換方便。采用兩線串行總線與MCU 進行數據通信，由MCU 完成非線性補償和溫度補償。

SHT75 與控制器MCU 的連接是通過ATmegal28 的2 個I/O 分別與傳感器的DATA 引腳和SCK 引腳相連，來實現通訊及數據的傳輸，連接示意圖如圖3 所示。Vdd 與3.3V 電壓相連。為避免信號沖突，控制器應僅驅動DATA 引腳在低電平，在I /O 電路中，DATA 引腳被上拉電阻提至高電平。

圖3 SHT75 與ATmegal28 的連接示意圖

3)通訊模塊

通訊選用ENC28J60 以太網接口模塊，該模塊體積小，傳輸速率高;它是帶有SPI 接口的獨立以太網控制器，SPI 接口最高速度可達10MB/S;具有兼容IEEE 802.3，集成MAC 和10BASE-T，支持全雙工模式，內含8 kB 收發數據包雙端口SRAM，可實現硬件管理的循環接收FIFO，硬件支持IP 校驗和計算等多方面的優點，可完全滿足對溫濕度實時監測的要求［5］。

MCU 和ENC28J60 以太網控制芯片通過SPI 接口進行通信，在具體配置中，MCU 配置為主機模式，ENC28J60 為從設備。MCU 的SPI 工 作 模 式 由CPOL、CPHA 設 置，根 據ENC28J60 的SPI 讀寫時序，MCU 的SPI 工作模式應設置為模式0。MCU 通過將ENC28J60 的CS 引腳置低并保證與其同步。寫入到SPI 發送緩存的數據啟動SPI 時鐘，寄存器SPCR 的DORD 位控制SPI MOSI 上的數據發送秩序，置位時數據的最低位先發送，否則數據的最高位先發送。此方案選擇先發送最高位，同時接收到的數據傳送到接收緩存，MCU進行右對齊并從接收緩存中讀取接收數據。

ENC28J60 接口模塊通過網線接口、交換機等網絡設備接入網絡，在程序配置、控制下與以太網絡進行數據幀交換，與測控中心進行基于TCP/IP 網絡協議的數據傳輸。

4)LED 顯示

LED 顯示由一片SN74LS145N 芯片驅動10 個LED 數碼管組成顯示模塊來同步顯示溫度值、濕度值與當前時間。具體實現是定時器每定時到2.5 ms 在中斷中不斷刷新這10 個LED 數碼管，便可以同步顯示溫度值、濕度值與當前時間。

3 軟件設計

3.1 測控站軟件

測控站軟件采用C 語言設計，軟件接口有良好的在線交互功能，可在線隨時設置時間校正值、溫濕度上下限值、采樣間隔時間值、溫濕度校正值并將這些數據進行存儲，可在線提取當前溫濕度數據和測控站狀態等數據。通過LED 數碼管同步顯示當前時間、溫度、濕度，并根據已設置好的溫濕度上下限值來確定是否驅動蜂鳴器報警且控制溫度控制器、濕度控制器工作進行溫濕度控制。軟件流程如圖4 所示。

圖4 測控站控制流程

3.2 控制中心軟件

控制中心程序采用美國NI 公司的圖形化編程語言LabVIEW8.2編寫［6］，按照功能模塊可分為:網絡通信模塊、數據解析模塊、溫濕度數據存儲和顯示模塊等，系統總體界面如圖5 所示。

圖5 測控中心主界面

在圖6 所示的程序框圖中，首先打開TCP 連接，然后進行接收掃描和發送掃描，如果有數據放入待發送區，則進行發送數據，并把數據寫入發送數據緩沖區。同樣掃描到有數據要接收，則進行數據接收，并把數據放入接收數據緩沖區，這樣，就可以對下位機系統進行控制，并對下位機發來的數據存入接收區，進行數據處理。

圖6 網絡連接程序框圖

4 結束語

該系統以溫濕度為主要參數，基于以太網接口模塊，實現了測控站與測控中心進行遠程有線數據傳輸的溫濕度監測，采用AVR 單片機和數字溫濕度傳感器進行通信，單片機控制系統與遠端控制中心進行高速通信，實驗運行情況表明，系統數據分析處理方便，界面友好美觀，控制精度高，實現了溫濕度的實時監控，應用該系統可降低由于溫濕度異常對裝備造成的危害，節約了人工，可以顯著提高軍械倉庫裝備保障水平。該系統除用于溫濕度監測外，在系統單片機外圍接入控制電路、其他性能的傳感器甚至攝像頭等，還可以實現多種其他特殊需要的遠程監測及控制，如電壓監測、視頻監控等，具有十分廣闊的應用前景和顯著的經濟效益。

［1］王文成，常發亮.溫室大棚溫濕度無線測控系統［J］.儀器儀表與傳感器，2011(3):98-100.

［2］施云波，周磊，修德斌，等.基于GSM 的溫濕度環境參數遠程無線監測系統［J］.傳感器與微系統，2010(4):96-98.

［3］陳賾.ARM 嵌入式技術實踐教程［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2005:189-203.

［4］查明華.ATMEGAl28 新型微控制器及應用［J］.工業控制計算機，2002，15(10):57-58.

［5］周曉陽，程紅，張曉媛.新型以太網控制器ENC28J60 及其接口技術［J］.單片機與嵌入式系統應用，2006(8).

［6］侯國屏，王坤，葉齊鑫，等.LabVIEW 編程與虛擬儀器設計［M］.北京:清華大學出版社，2005.