基于CMOS 微處理器的實驗室監控智能控制系統設計

戴美玲

（南京審計大學實驗中心， 南京 211815）

0 引 言

在科技迅速發展的時代背景下，實驗室的基礎建設規模不斷擴大［1］。 高校實驗室擴大了招生規模，科研實驗室也拓寬了工業技術開發范圍，為科技的進步提供了條件。 實驗室環境的好壞，直接決定著科研結果的優劣［2］。 在高校實驗室中，學生通過科研實驗，與理論知識相結合，進一步提高自身的專業能力；在科研實驗室中，通過工業技術的開發與研究，不斷推動工業領域的可持續發展［3］。 因此，本文設計基于CMOS 微處理器的實驗室監控智能控制系統，最大限度地提高實驗室監控智能控制效果。

1 硬件設計

1.1 CMOS 微處理器

本文設計的CMOS 微處理器工作主頻可以達到688 MHz，能夠支持系統對實驗室監控視頻的多種編碼，除了H.264／H.263、Mpeg4 之外，還存在USB外擴展接口，用于處理監控視頻信息。 CMOS 微處理器存在多個TTL 串口，標準DB9 串口、LCD 接口、USB Host1.1、Mini USB2.0 等接口。 在監控數據處理與控制的過程中，主要通過ZigBee 協議完成，系統遠程控制通過以太網完成。 CMOS 微處理器接口情況如圖1 所示。

圖1 CMOS 微處理器接口示意圖Fig. 1 Schematic diagram of the CMOS microprocessor interface

由圖1 可知，本文設計的CMOS 微處理器通過以太網、ZigBee 協議、報警串口、網卡、LCD 顯示、存儲模塊等接口，對實驗室監控視頻數據進行采集并處理，使視頻內容更加清晰。 并將視頻信息存儲在存儲模塊中，使系統能夠精準把控實驗室監控數據。

1.2 HS1101 濕度傳感器

本文設計的HS1101 濕度傳感器是一種獨特工藝設計的電容元件，對于實驗室濕度控制、空氣質量控制具有重要作用。 HS1101 濕度傳感器能夠與實驗室環境中的空氣進行互換，在標準環境下無需校正，能夠快速脫除濕氣，使實驗室內的環境更佳，科研人員能夠更加快速地進入研究中［4］。 HS1101 濕度傳感器的技術設計指標見表1。

表1 HS1101 濕度傳感器的技術設計指標Tab. 1 Technical design index of HS1101 humidity sensor

由表1 可知，本文設計的HS1101 濕度傳感器尺寸較小，在系統中以低功耗環境運行，提高系統對濕度—電容控制效果。 HS1101 濕度傳感器在運行過程中，相對濕度在0%RH～100%RH 范圍內，電容在145 pF～200 pF 的范圍內變化，濕度控制誤差≤±0.02%RH，響應時間在0.5 ms 左右，能夠快速有效地控制實驗室濕度環境。

2 軟件設計

本文設計的系統軟件架構，是以CMOS 微處理器與HS1101 濕度傳感器等硬件基礎上構建而成。本文將軟件架構分為3 個部分，分別為應用中心、監控中心、控制中心。 軟件結構如圖2 所示。

圖2 軟件總體結構圖Fig. 2 Overall structure diagram of the software

本文在應用中心以監控管理終端為主，監控中心主要為溫濕度監控、煤氣濃度、煙霧濃度、電氣控制、警報響應等；控制中心主要為實驗室監控數據、監控管理數據、數據應用服務、執行控制指令等。 其中，監控中心作為實驗室監控智能控制系統的傳感網絡，能夠將實驗室相關數據傳達到控制中心中，為系統提供更加穩定的運行條件。

2.1 監控目標控制算法

本文在構建的軟件整體架構基礎上，設計監控目標運動控制算法。 實驗室監控以視頻為主，在電腦終端上，將視頻中的運動目標與背景分開，并對監控目標進行跟蹤與控制。 處理監控視頻數據流程為：提取監控視頻第n幀與n －1 幀，進行差分圖像處理與閾值處理，進而得出監控目標的運動控制數據。 差分圖像處理公式具體如下：

其中，sn為差分圖像的第n幀；sn－1為差分圖像的第n －1 幀；sn（x，y） 為第n幀監控目標的運動軌跡；sn－1（x，y）為第n－1 幀監控目標的運動軌跡；t為常數；T（x，y） 為實驗室監控視頻圖像的監控目標；F（x，y） 為監控目標的最終運行控制軌跡；V為運動控制閾值。 當F（x，y）＝1 時，F（x，y） 為監控目標點，T（x，y）為運動背景點；當F（x，y）＝0 時，T（x，y）為監控目標點，F（x，y） 為運動背景點。 最終的智能控制效果則由F（x，y） 的結果而定。 該算法流程如圖3 所示。

圖3 算法流程圖Fig. 3 Flow chart of the algorithm

2.2 實驗室監控智能控制數據庫

為了實現實驗室監控的精準控制，本文在監控目標運動控制算法設計的基礎上，建立了實驗室監控智能控制數據庫。 見表2。

表2 實驗室監控智能控制數據庫Tab. 2 Laboratory monitoring intelligent control database

由表2 可知，本文選取了登錄名稱、地址、溫濕度監控數據、煤氣煙霧濃度、電器控制、狀態響應、警報響應等數據，建立了智能控制數據庫。 點擊對應的數據類型，即可得出相應的數據內容，縮短系統運行時間的基礎上，提高智能控制效果。

3 系統測試

為了驗證本文設計的系統是否具有實用價值，本文對上述系統進行測試。 在硬件與軟件均調試完成的基礎上，使整體系統運行正常，即可開始系統運行測試。 最終的測試結果以傳統實驗室監控智能控制系統，與本文設計的基于CMOS 微處理器的實驗室監控智能控制系統進行對比的形式呈現。 具體測試過程及測試結果，將展開研究論述如下。

3.1 測試方案設計

在進行系統測試之前，本文將CMOS 微處理器與HS1101 濕度傳感器等硬件進行調試。 將CMOS微處理器按照說明書進行安裝之后，處理器上的綠色指示燈亮起，各個接口處并未出現紅色指示燈亮起的現象，可以保證CMOS 微處理器運行正常。 將HS1101 濕度傳感器按照說明書安裝完畢之后，系統能夠將實驗室內相對濕度控制在0%RH ～100%RH的范圍內，電容量從145 pF 變化到200 pF。 因此，在安裝好濕度傳感器后，本文對系統電容量進行測試，電容量在182 pF 左右，在165 pF ～200 pF 的范圍內，可見HS1101 濕度傳感器運行正常。 將系統硬件調試完畢后，本文對系統軟件進行調試。

3.2 測試過程

本文中，將軟件調試串口設定為COM1，波特率為9 600，校驗位為NONE，數據位為8，停止位為1。此時，點擊軟件接收區，并以自動清空的形式進行數據顯示界面調試與更改。 調試結束后，點擊關閉程序，即可完成軟件調試。 軟件調試無誤后，本文將硬件與軟件相連接，出現的系統登錄界面如圖4 所示。

圖4 系統登錄界面Fig. 4 Login interface of the system

由圖4 可知，系統硬件與軟件調試完成后，系統得以正常運行。 在登錄界面中，輸入正確的用戶名、密碼、驗證碼后，點擊登錄，進入到系統中。 點擊智能控制系統中的實驗室環境參數監控，得出的界面如圖5 所示。

由圖5 可知，進入系統后，本文對實驗室環境參數進行智能控制。 將實驗室溫度控制在21.82 ℃左右，濕度控制在2.17%RH 左右，煤氣濃度控制在0.05 ppm 左右，煙霧濃度控制在0.08 mg／m3左右。 由此保證實驗室內部的基礎環境穩定。

在控制實驗室電器的過程中，分別對窗簾、電子鎖、電源開關等電器進行智能控制。 通過系統終端，將窗簾控制在打開的狀態，電子鎖控制在關閉的狀態，電源開關控制在打開的狀態，保證實驗室內的科研人員能夠迅速進入研究狀態。 并將電器智能控制響應時間設定為0.26 ms，最大限度地提高系統控制質量。

在實驗室完成研究之后，對實驗室情況進行最終檢查，電子鎖為關閉的狀態，狀態查看響應時間為0.14 ms；語音警報未觸發，響應時間為0.08 ms；服務器為錯誤狀態，亟需進行處理，警報響應時間為0.05 ms。經過實驗室環境、電器、狀態等控制，可以保證系統運行正常。

3.3 測試結果

在上述測試條件下，本文選取出8 種系統測試條件，每個監控內容均存在一個標準控制結果。 在其他條件均一致的情況下，本文將傳統實驗室監控智能控制系統的控制結果，與本文設計的基于CMOS 微處理器的實驗室監控智能控制系統的控制結果進行對比。 具體測試結果見表3。

表3 測試結果Tab. 3 Test results

由表3 可知，本文選取出實驗室溫度、濕度、煤氣濃度、煙霧濃度、電氣控制響應時間、電子鎖狀態查看響應時間、語音警報響應時間、服務器錯誤警報響應時間等實驗室智能監控內容作為系統測試條件，每一個測試內容均對應著標準值。 在其他條件均一致的情況下，傳統實驗室監控智能控制系統的控制結果，與標準控制結果相差較多，響應時間、溫度、濕度、濃度等智能控制結果與標準控制結果相差得越多，系統運行能力越弱，智能控制效果隨之下降。 而本文設計的基于CMOS 微處理器的實驗室監控智能控制系統的控制結果，與標準控制結果相差較少，響應時間、溫度、濕度、濃度等智能控制結果與標準控制結果相差較小，煤氣濃度、煙霧濃度、語音警報響應時間等監控內容的智能控制結果，與標準控制結果一致，可以保證系統運行能力，智能控制水平較高，符合本文研究目的。

4 結束語

為了使實驗室環境更加符合科研需求，本文設計了基于CMOS 微處理器的實驗室監控智能控制系統，通過硬件設計與軟件設計兩方面，實現實驗室監控智能控制，為科研事業的發展提供基礎條件。