范欽武

（中國(guó)民用航空汕頭空中交通管理站 氣象臺(tái)，廣東 汕頭 515041）

0 概述

20 世紀(jì)以來(lái)我國(guó)民用航空事業(yè)飛速發(fā)展，空管的保障壓力也與日俱增，越來(lái)越多的導(dǎo)航臺(tái)站和雷達(dá)臺(tái)站的投入使用。對(duì)于這類事關(guān)航空安全的重要外部臺(tái)站，對(duì)這類精密設(shè)備的運(yùn)行環(huán)境有著更加嚴(yán)格的要求，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的監(jiān)控機(jī)房溫濕度，保證設(shè)備在一個(gè)穩(wěn)定的空氣環(huán)境中運(yùn)行對(duì)提高設(shè)備的可靠運(yùn)行和延長(zhǎng)設(shè)備的工作壽命有著重要的意義。本文主要是介紹如何利用開(kāi)源硬件arduino 和enc28j60 來(lái)快速搭建一個(gè)溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要分為硬件部分和軟件部分。硬件部分主要有arduino 控制板，以太網(wǎng)模塊enc28j60 和溫濕度傳感器sht15。通過(guò)arduino 控制板控制溫濕度傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量周圍環(huán)境的溫濕度數(shù)據(jù)，通過(guò)以太網(wǎng)模塊將采集到的溫濕度分發(fā)到交換機(jī)中。軟件上主要是采用C/S 模式的結(jié)構(gòu)，各個(gè)傳感器測(cè)量到的數(shù)據(jù)通過(guò)udp 傳輸?shù)椒?wù)器端，在服務(wù)器端用html 和javascript 開(kāi)發(fā)部署一個(gè)web 站點(diǎn)。值班人員過(guò)web 頁(yè)面就能實(shí)時(shí)監(jiān)控到各個(gè)外臺(tái)站的機(jī)房環(huán)境。系統(tǒng)的整體框圖如下所示。

圖1

2 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1 arduino 硬件結(jié)構(gòu)及工作原理

本次系統(tǒng)中采用的arduino 控制板型號(hào)主要是arduino uno。UNO的處理器核心是ATmega328，包括了片上32KB Flash，其中0.5KB 用于Bootloader。同時(shí)還有2KB SRAM 和1KB EEPROM。同時(shí)具有14 路數(shù)字輸入/輸出口（其中6 路可作為PWM 輸出），6 路模擬輸入，一個(gè)16MHz 晶體振蕩器，一個(gè)USB 口，一個(gè)電源插座，一個(gè)ICSP header 和一個(gè)復(fù)位按鈕。同時(shí)還提供了一路串口信號(hào)RX（0號(hào)）、TX（1號(hào)）：與內(nèi)部ATmega8U2 USB-to-TTL 芯片相連，提供TTL 電壓水平的串口接收信號(hào)。USB 口附近有一個(gè)可重置的保險(xiǎn)絲，對(duì)電路起到保護(hù)作用。當(dāng)電流超過(guò)500mA 是會(huì)斷開(kāi)USB 連接。UNO 已經(jīng)發(fā)布到第三版，與前兩版相比有以下新的特點(diǎn)：在AREF 處增加了兩個(gè)管腳SDA 和SCL，支持I2C 接口；增加IOREF 和一個(gè)預(yù)留管腳，將來(lái)擴(kuò)展板將能兼容5V 和3.3V 核心板。改進(jìn)了復(fù)位電路設(shè)計(jì)。USB 接口芯片由ATmega16U2 替代了ATmega8U2?？刂破魃线€可以通過(guò)片上的DC-DC產(chǎn)生一個(gè)3.3V 和5V 的電壓。

2.2 enc28j60 硬件結(jié)構(gòu)及工作原理

enc28j60 是帶有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)串行外設(shè)接口SPI 的獨(dú)立以太網(wǎng)控制器。它可作為任何配備有SPI 的控制器的以太網(wǎng)接口。

enc28j60 符合IEEE 802.3 的全部規(guī)范，采用了一系列包過(guò)濾機(jī)制以對(duì)傳入數(shù)據(jù)包進(jìn)行限制。它還提供了一個(gè)內(nèi)部DMA 模塊，以實(shí)現(xiàn)快速數(shù)據(jù)吞吐和硬件支持的IP 校驗(yàn)和計(jì)算。與主控制器的通信通過(guò)兩個(gè)中斷引腳和SPI 實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)10Mb/s。

enc28j60 由七個(gè)主要功能模塊組成：

（1）SPI 接口—充當(dāng)主控制器和enc28j60 之間通信通道。（2）控制寄存器—用于控制和監(jiān)視enc28j60。

（3）雙端口RAM 緩沖器—用于接收和發(fā)送數(shù)據(jù)包。

（4）判優(yōu)器—當(dāng)DMA、發(fā)送和接收模塊發(fā)出請(qǐng)求時(shí)對(duì)RAM 緩沖器的訪問(wèn)進(jìn)行控制。

（5）總線接口—對(duì)通過(guò)SPI 接收的數(shù)據(jù)和命令進(jìn)行解析。

（6）MAC 模塊——實(shí)現(xiàn)符合IEEE 802.3 標(biāo)準(zhǔn)的MAC 邏輯。

（7）PHY（物理層）模塊——對(duì)雙絞線上的模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼和譯碼。

在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，主要是用SPI 接口和arduino 進(jìn)行通信，其對(duì)應(yīng)管腳如下所示

表1

要能正常的使用enc28j60 還需要庫(kù)文件的支持，支持的第三方庫(kù)有非常多，其中以GitHub 上的EtherCard 庫(kù)和UIPEthernet 庫(kù)最為廣泛使用，但是筆者在使用EtherCard 庫(kù)的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)如果接入交換機(jī)或者路由器的話，服務(wù)器端就沒(méi)有辦法正確的接收到客戶端發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，所以本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使用的是UIPEthernet 庫(kù)。將下載好的庫(kù)文件放入到對(duì)應(yīng)的庫(kù)文件夾中就可以正常的調(diào)用了。本次實(shí)例中我們主要調(diào)用到的是庫(kù)里面的udp.beginPacket()和udp.write()函數(shù)。

udp.beginPacket()函數(shù)用以初始化服務(wù)器的ip 和udp 端口號(hào)。

success=udp.beginPacket(IPAddress(192，168，1，5)，5000);

udp.write () 函數(shù)將傳感器的數(shù)據(jù)通過(guò)udp 數(shù)據(jù)包發(fā)送到服務(wù)器端。

success=udp.write(senorsdata);

2.3 sht15 硬件結(jié)構(gòu)及工作原理

sht15 屬于Sensirion 溫濕度傳感器家族中的貼片封裝系列。傳感器將傳感元件和信號(hào)處理電路集成在一塊微型電路板上，輸出完全標(biāo)定的數(shù)字信號(hào)。傳感器采用專利的CMOSens○R技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。傳感器包括一個(gè)電容性聚合體測(cè)濕敏感元件、一個(gè)用能隙材料制成的測(cè)溫元件，并在同一芯片上，與14位的A/D 轉(zhuǎn)換器以及串行接口電路實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接。因此，該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、響應(yīng)迅速、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。

各個(gè)引腳的定義如下圖所示：

表2 SHT1x 引腳分配，NC 保持懸空

其中sht15 的供電電壓范圍為2.4V-5.5V，建議工作電壓為3.3V。在電源引腳（VDD，GND）之間須加一個(gè)100nF 的電容，用以去耦濾波。串行時(shí)鐘輸入SCK 用于微處理器與SHT1x 之間的通訊同步。串行數(shù)據(jù)DATA 引腳為三態(tài)結(jié)構(gòu)，用于讀取傳感器數(shù)據(jù)。當(dāng)向傳感器發(fā)送命令時(shí)，DATA 在SCK 上升沿有效且在SCK 高電平時(shí)必須保持穩(wěn)定。DATA 在SCK 下降沿之后改變。為確保通訊安全，DATA 的有效時(shí)間在SCK 上升沿之前和下降沿之后應(yīng)該分別延長(zhǎng)至TSU and THO。當(dāng)從傳感器讀取數(shù)據(jù)時(shí)，DATA TV 在SCK 變低以后有效，且維持到下一個(gè)SCK 的下降沿。為避免信號(hào)沖突，微處理器應(yīng)驅(qū)動(dòng)DATA 在低電平。需要一個(gè)外部的上拉電阻（例如：10kΩ）將信號(hào)提拉至高電平。

典型的應(yīng)用電路如下圖所示：

圖2

要使用sht15 同樣也是需要庫(kù)文件的支持，在GitHub 上下載好SHT1x 庫(kù)文件并放入庫(kù)文件夾就可以調(diào)用庫(kù)文件夾里已經(jīng)寫好的函數(shù)。本實(shí)例中主要用到的是sht1x.readTemperatureC () 和sht1x.readHumidity()。具體的例子如下所示：

2.4 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)整體的硬件結(jié)構(gòu)圖如下所示：

圖3

3 系統(tǒng)服務(wù)器端的部署和應(yīng)用

3.1 udp 監(jiān)聽(tīng)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

各個(gè)外臺(tái)站的傳感器數(shù)據(jù)通過(guò)udp 的方式傳輸?shù)椒?wù)器端，在服務(wù)器端，用Python 腳本編寫了2 個(gè)小模塊，一個(gè)是udpmonitor 模塊，用來(lái)監(jiān)聽(tīng)udp 數(shù)據(jù)包，另外一個(gè)是datacsv 模塊，用于將監(jiān)聽(tīng)到的傳感器數(shù)據(jù)存入到服務(wù)器上的csv 文件中。

3.2 webserver 站點(diǎn)部署和應(yīng)用

在服務(wù)器端可以使用IIS 或者Apache 部署web 服務(wù)器，為了能夠讓數(shù)據(jù)更加直觀的以圖表的形式顯示出來(lái)，在監(jiān)控頁(yè)面里調(diào)用了一個(gè)叫做Highcharts 的圖表庫(kù)，純javascript 編寫的。為了能夠引用highcharts 文件，需要將下載好的文件放入本地的js 目錄中，同時(shí)還需要有jQuery 的支持，所以還要引入jQuery 文件。將下載好的文件放入js 目錄中后，在自己編寫的監(jiān)控主頁(yè)里添加如下的代碼：

打開(kāi)瀏覽器輸入主頁(yè)的地址后顯示以下的界面（圖表中的數(shù)據(jù)為測(cè)試數(shù)據(jù)）

圖4

4 總結(jié)

Arduino 素來(lái)有電子積木的美稱，通過(guò)這個(gè)溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程，我們也不難發(fā)現(xiàn)，只要通過(guò)引用正確的庫(kù)文件和對(duì)庫(kù)文件接口的簡(jiǎn)單認(rèn)知，就能夠?qū)⒏鱾€(gè)硬件簡(jiǎn)單快速搭建運(yùn)行起來(lái)。而且正是由于開(kāi)源硬件的發(fā)展，本次設(shè)計(jì)方案里所花費(fèi)的總的成本不超過(guò)過(guò)60 元，如果選用arduino mini 板的話，成本可以更低至30 元左右。當(dāng)然，無(wú)論采用什么方案都好，都是為了更加準(zhǔn)確和實(shí)時(shí)的監(jiān)控各種導(dǎo)航設(shè)備的運(yùn)行環(huán)境，為保障設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行，保障航空安全提供更有力的支持。