恒溫恒濕實驗室溫濕度監控裝置的研究

王靜云++++馬練兵

摘要：

通過對棉花、紡織品恒溫恒濕實驗室溫濕度監控現狀的調研，研究并設計一套無線傳輸方式的溫濕度監控裝置是非常有必要的。該文基于傳感器、無線通信、計算機等技術的溫濕度監控裝置使用溫度場分布算法對采集的數據進行處理，并選用一種新的無線擴頻通信技術將數據傳輸出去，最后通過網絡使數據在PC機上接收，實現用戶能夠從記錄軟件中隨時查看室內環境溫濕度的功能。

關鍵詞：溫濕度；采集；無線傳輸；監控

1 研究背景

棉花和紡織品是關系國計民生的重要物資，在國民經濟發展中具有重要地位。隨著社會質量意識的提高，棉花和紡織品的品質檢測工作也越來越重要。全國專業纖維檢驗機構普遍建設了棉花公檢實驗室和紡織品恒溫恒濕實驗室。目前各棉花公檢實驗室溫濕度數據是通過雙絞線將溫濕度數據傳至信息系統。這種傳輸方式主要有四個缺點：一是成本較高；二是有線傳輸方式安裝起來比較復雜；三是該方式采用的數據變送器在市場上存在唯一性，如果某實驗室變送器需要更換而變送器生產鏈又出現問題的話，該實驗室將陷入癱瘓；四是傳輸距離有限。

紡織品實驗室的溫濕度測量更是一個空白，目前大多數實驗室使用干濕球溫濕度計進行測量。通過對棉花、紡織品恒溫恒濕實驗室溫濕度監控現狀的調研，研究并設計出一套無線傳輸方式的溫濕度監控裝置是非常有必要的。

2 關鍵技術內容

2.1 總體設計及功能

本項目主要運用傳感器、無線通信、計算機等技術，將傳感器測量得到的數據進行分析和處理，采用動態網格劃分（TFDR）算法，模擬出整個空間場各點的溫濕度值。又運用CUDA并行計算的技術，提高算法的準確性和計算速度。再把數據通過LoRa無線擴頻通信傳輸出去，設計以太網/LoRa無線擴頻通信網的網關，實現兩種網絡的互通互聯。同時開發網絡轉虛擬串口驅動，使以太網的數據包轉換成串口的形式，和原溫濕度監控系統無縫對接，方便用戶在記錄軟件中可以實時查看室內環境的溫濕度。

硬件部分：

由TM-CJ型數據采集器（如圖1）和TM-PKI型多路溫度記錄儀（如圖2）組成。

TM-PKI型多路溫度記錄儀：可以接收到5個子站點的SHT75溫濕度傳感器采集并通過無線通信模塊傳輸出來的數據，然后將其在屏幕主界面上顯示。

軟件部分：如圖3所示，此裝置中一共包含10個子站，每5個子站為一組將溫濕度傳感器采集到的數據通過無線傳輸的方式發送給主站，然后把主站用網線連接到交換機上，再將裝有“中國棉花公證檢驗信息系統”軟件、溫濕度記錄軟件以及網絡轉串口驅動的計算機與交換機連接在一起。

2.2 項目實施關鍵技術

2.2.1 溫濕度測量模塊

這一部分由溫濕度傳感器組成，將溫濕度非電量轉化成電信號，再經過模數轉換電路，把溫濕度的模擬量轉化成單片機處理的數字量，進行溫濕度數據的處理。此研究中選取型號為SHT75的溫濕度傳感器，它是一款集溫度、濕度于一體的傳感器，采用CMOSens技術，具有體積小、抗干擾能力強、功耗低等優點。采用兩線數字化接口，可與單片機直接相連，大大減小了外圍電路。

2.2.2 數據無線傳輸模塊

溫濕度傳感器測量數據后，需要將其通過無線擴頻通信技術傳輸出去。本裝置中，我們采用YL-900IL（如圖4所示）這款高性能、低功耗、遠距離的微功率射頻無線數據收發模塊，內部自動擴頻計算和前導CRC糾錯處理，不改變用戶的任何數據和協議，采用半雙工透明傳輸機制，實現無線代替的功能。模塊的射頻芯片基于擴頻跳頻技術，在穩定性、抗干擾能力以及接收靈敏度上都超越現有的GFSK模塊。配置STM低功耗高速處理器，數據處理能力、運算速度均有所提高。

2.2.3 網絡轉虛擬串口的驅動

這部分主要完成由TCP/UDP協議傳輸的數據在PC端實現虛擬串口轉化。該驅動解決了棉花信息系統中溫濕度監測數據傳輸時需要通過窗口，連接硬件設備進行通信的問題，從而將網絡數據直接在PC端通過底層驅動轉換為虛擬串口實現。

驅動安裝成功后，需將棉花檢驗信息系統的溫濕度探頭設置為網絡型，將某一個探頭的端口設置為虛擬出來的串口，如圖5所示的紅框部分。

該虛擬串口的具體功能在驅動層實現，應用程序不需要關心它的細節，對于應用程序來說，虛擬串口和真實的串口并無區別，使用方式也是一樣的。

虛擬串口的通信在應用層實現，并通過和驅動層串口的交互，從網絡發送和接收串口的數據內容。

該虛擬串口通過設備對象來模擬真實的串口，并為其實現對應的接口。每一個串口都是一個設備對象，而串口的具體參數都保存在設備對象的設備擴展中。

2.2.4 計算機溫濕度記錄軟件的開發

在設計的棉纖維溫濕度檢測系統中，我們能夠查看各個站點實時的溫濕度數據，并自動記錄在表格單元里，同時以動態曲線圖的形式得到相對的變化趨勢。

另外，從打開的軟件界面（如圖6）可觀察系統與溫濕度監控裝置的通信狀態是否正常以及實驗室的溫濕度數據是否符合標準要求。如果溫度或者濕度某一項與設定的閾值做比對超過設定閾值時，則出現紅色字體的提示信息，表明該站點的溫度或者濕度出現異常，提醒用戶此時需要注意。

如圖6點擊系統軟件界面下方處于中間的站點溫濕度狀態信息，在新的頁面下可以添加站點信息，其中包括：站號、站名、站點所在位置，空氣溫度上限值、空氣溫度下限值、相對濕度上限值、相對濕度下限值。當選中某一行時，對應行的數據信息在右側的各個對應部分進行顯示，此時可以修改這些內容，也可以刪除某一個選定的站點。

3 項目研究的創新點

在河北省質量技術監督局研究經費的支持下，針對現有恒溫恒濕實驗室溫濕度監控裝置存在的若干技術不足，通過對溫濕度場分布算法和無線擴頻通信進行研究，開發出虛擬驅動下的串口（COM口），并取得了如下創新性研究成果：（1）實現溫濕度數據的無線傳輸。溫濕度節點與網關采用LoRa無線擴頻通信技術，設計了以太網/LoRa無線擴頻通信網的網關，完成兩種網絡的互通互聯。（2）實現溫濕度數據的實時顯示。獨立設計了溫濕度顯示及保存軟件，可通過數據列表和曲線分別進行展示。（3）與“中國棉花公證檢驗信息系統”軟件對接。實現網絡轉虛擬串口驅動，把網絡上發來的數據包轉換為串口，原溫濕度監控軟件可以像硬件串口一樣使用虛擬串口。（4）發表論文。（5）申請專利。

4 今后的工作

本課題經過仿真計算和試驗分析，已滿足了項目計劃任務書的要求。作為今后的研究工作，應主要考慮以下技術和問題：（1）進一步改善溫濕度場分布的算法，提高其精確度。（2）軟件代碼和驅動代碼進一步完善。（3）軟件界面進一步美化 。

綜上所述，本課題選取合適的實驗室溫濕度空間場分布算法，數值模擬出各點的溫濕度，以及采用一種新型的無線擴頻通信技術進行數據的傳輸，設計網絡轉虛擬串口驅動，最終實現了棉花檢驗信息系統采集溫濕度數據的功能 。另外開發計算機溫濕度記錄軟件，從而達到實時顯示、自動監控溫濕度的功能，完成了本課題的要求。

（作者單位：王靜云，河北省紡織纖維玖仟質量認證咨詢中心；馬練兵，國家羊絨產品質量監督檢驗中心）endprint