檔案館監控系統的設計和實現

黃 兵 （安徽工貿職業技術學院基礎部，安徽 淮南232007）

根據 《檔案館建筑設計規范》的要求，檔案館庫房溫度要求控制在14～24℃，相對濕度控制在45%～60%，同時還需要有防火、防盜和自動報警功能。一般來說，傳統的庫房管理是由庫房值班人員定時到各庫房查看和記錄溫、濕度數據，根據檢測到的數據，適時進行人工啟停空調機和除濕機進行溫濕度調節，但當遇到火災、盜竊事件時，自動報警機制不夠健全，具有明顯的滯后性。為此，筆者設計了檔案館監控系統，實現了對庫房的溫濕度等參數的自動檢測與控制和智能撥號報警功能。

1 系統結構設計

結構設計包括3個層次：頂層為數據處理和顯示層，即上位機；中間層為通信網絡層，負責通信；底層是分布式的智能監控單元，即下位機。上位機為數據處理和操作人員提供良好的人機界面。上位機一旦接收到操作人員的指示，迅速將控制信號發送到下位機，實現控制功能。并將采集到的數據信息顯示給用戶，實現監控功能。底層是指硬件層上的設備。它與所有的傳感器及控制設備結合，通過感知環境參數和狀態的變化，將獲得的數據轉換成數字信號，借助于通信網絡傳遞到上位機系統。并且可以向所有設備發送控制信號，自動調節和控制庫房的溫度、濕度的變化。上位機與下位機之間通過數據交換實現監控功能，該功能的實現由通訊網絡層完成。系統采用RS485串協議［1］，實現一對多的主從式通信，系統結構配置流程圖如圖1所示。

圖1 系統結構配置流程圖

2 硬件系統設計

硬件系統的設計是整個系統的核心，硬件系統的結構主要有MEGA16單片機、分站地址設定、看門狗電路、開關量輸入輸出電路、溫濕度檢測電路、煙霧感應檢測電路、紅外線防盜檢測電路、RS485通信電路和液晶顯示電路等。筆者著重介紹溫濕度檢測電路和智能撥號報警電路的原理和功能。

2．1 溫濕度檢測模塊

采用數字溫濕度傳感器SHT11。SHT11是一款高度集成的數字溫濕度傳感器芯片，可以同時測量溫度和濕度。該芯片廣泛應用于自動化控制領域，主要特點如下：將溫濕度感測、信號變換、A／D轉換等功能集成到一個芯片上；提供二線數字串行接口SCK和DATA，接口簡單，支持CRC傳輸校驗，可靠性高。

SHT11的測量時序［2］由啟動傳輸時序、發布命令、等待測量完成和讀回數據等組成。微控制器由“啟動傳輸”時序完成通信，當SCK時鐘為高電平時，DATA轉為低電平；在SCK時鐘為高電平時，DATA轉為高電平。在 “啟動傳輸”時序后，微控制器向SHT11發送命令，并發布一組溫度或濕度測量命令，SHT11測量結束，進入空閑狀態。等待SCK線重啟后，傳送2字節的測量數據和1字節的CRC校驗。如微控制器與SHT11發生通信中斷，可通過復位時序對串行接口進行復位。DATA為高電平狀態時，可以觸發SCK時鐘9次或更多次。測量和通訊結束后，通過以下公式將其溫度、濕度數據轉換為表示實際的溫度和濕度：

式中，TC為溫度；d1、d2與溫度分辨率有關；SOT表示從SHT11中讀出的溫度值；RHLinear和RHTrue分別為經過溫度補償的線性相對濕度和實際相對溫度；C1、C2、C3、t1、t2與濕度分辨率有關；SORH表示從SHT11中讀出的濕度值。

表1 溫度校正系數

表2 濕度校正系數

SHT11相對濕度數字輸出特性計算過程如下：參照表1、表2校正系數值，當電壓為5V，分辨率為14b時，通過公式T=-40＋0．01M將溫度M轉換成溫度值T；對12位濕度傳感器，計算相對濕度N的非線性相對溫度：

RHL= （-4＋0．0405N-2．8×10-6N2）%

然后對濕度傳感器進行溫度補償，得到相對濕度：

RHT=RHL＋ （T-25）（0．01＋0．00008N）%

SHT11溫濕度傳感器通過I2C總線實現通信，信號調節均由芯片自動完成，直接輸出數字信號，結構簡單，穩定性好，檢測數據準確。

2．2 智能撥號報警模塊

智能撥號報警功能由模塊EX-3實現。EX-3采用無鍵盤設計，可存儲5組以上電話號碼，外部端口最低連接3根線即可控制模塊進行工作。設置外部音頻輸入端口，可與語音電路連接，適用于遠距離的自動控制。EX-3模塊的引腳號、名稱、功能、描述如表3所示。

EX-3智能撥號報警模塊工作流程如下：首先把要撥打的電話號碼預先錄入撥號模塊，錄入完成后，撥號功能處于允許狀態實現正常撥號。此時，指示燈用常亮來表示。當觸發端上有觸發信號時模塊立即向外撥號。高電平HTO觸發端內置100K下拉電阻，在撥號功能開啟狀態下，當端口出現高電平時，模塊開始撥號。每個號碼的撥打時間在30～40s內，如無人接聽自動撥打下一個預存號碼。模塊在接受觸發后，會持續向外撥叫預存號碼，直至收到被叫號碼的確認，方可中止。當被叫號碼收到模塊的報警信號時必須摘機并按動 “8、9、0”數字鍵中的任意一個，表示信息的收到和確認。模塊收到確認信號后立刻停止撥號，并恢復到允許觸發狀態，等待下一次觸發。遠程中斷后如觸發端上次的觸發信號沒有消失，指示燈會以閃爍的方式不斷提示，只有當2個觸發端復位到正常狀態才能進行第2次觸發操作。指示燈端口內置限流電阻可直接連接單只普通或高亮發光二極管進行指示。撥號時，自動打開音頻通路，將音頻信號傳送到電話線上，撥號完畢自動關閉音頻通路。如在報警過程中進行了遠程中斷，但中斷后本次的觸發信號依然存在，指示燈會閃爍提示。此時模塊不再響應任意觸發端口的信號，必須等端口復位后才能響應下一次觸發。

表3 EX-3各引腳功能

3 結 語

根據硬件系統功能設計的需求，以MEGA16單片機作為系統處理核心，通過SHT11溫濕度傳感器完成溫濕度參數的檢測；通過EX-3智能撥號模塊實現電話報警；通過全隔離的RS485接口電路實現了多機主從式通信。該系統已成功應用于淮南市城建局檔案館，運行情況良好，提高了檔案館的管理水平與效率，有著較高的經濟效益和社會效益。

［1］李學海 ．標準80C51單片機基礎教程 ［M］．北京：北京航空航天大學出版社，2006．

［2］張艷麗，張勇 ．基于SHT11的溫濕度控制器 ［J］．兵工自動化，2007，26（5）：83．