黃奧云，高瑜翔

(成都信息工程大學(xué) 通信工程學(xué)院，四川 成都 610225)

曲房溫濕度智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

黃奧云，高瑜翔

(成都信息工程大學(xué) 通信工程學(xué)院，四川 成都 610225)

針對(duì)酒曲房中布線繁瑣、成本高、測(cè)量精度差等問題,提出了酒曲房智能溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)。該設(shè)計(jì)將硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)相結(jié)合，硬件系統(tǒng)由采集端、無(wú)線中繼、主機(jī)組成，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和自動(dòng)預(yù)警；為了使系統(tǒng)能協(xié)調(diào)運(yùn)行，軟件系統(tǒng)的控制由C#語(yǔ)言編寫。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)具有成本低、功耗小、可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

無(wú)線通信； 溫濕度；低功耗；智能

0 引言

智能監(jiān)控具有廣泛的應(yīng)用前景和潛在的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，從而激發(fā)了國(guó)內(nèi)外廣大科研工作者及相關(guān)人士的濃厚興趣，尤其在美國(guó)、英國(guó)等國(guó)家已經(jīng)開展了大量相關(guān)項(xiàng)目的研究。在我國(guó)，這方面的研究近幾年才開展起來(lái)。中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所模式識(shí)別國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室己經(jīng)成立智能視覺監(jiān)控研究組，研究表明，酒曲房?jī)?nèi)的溫濕度會(huì)隨著酒曲的發(fā)酵而產(chǎn)生強(qiáng)烈的變化[1]。人工手動(dòng)檢測(cè)酒曲房的溫濕度不僅效率低下，而且存在很大的誤差，不能及時(shí)準(zhǔn)確地反映出當(dāng)前數(shù)據(jù)。采用有線設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)的缺點(diǎn)在于布線繁瑣，而且需要投入一定的人力。基于上述原因，提出一種無(wú)線智能監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)采用SHT10來(lái)采集溫濕度，具有測(cè)量精度高、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)采集溫濕度的設(shè)定值來(lái)做出智能報(bào)警措施，采用si4463無(wú)線收發(fā)芯片來(lái)傳輸采集到的溫濕度，利用其低功耗特點(diǎn)[2]可大大降低系統(tǒng)的功耗。

1 曲房溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)方案

該系統(tǒng)由軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)組成。其中硬件系統(tǒng)由RS-485接口、溫度濕度檢測(cè)電路、無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)電路、自動(dòng)報(bào)警電路等構(gòu)成。各溫度和濕度傳感器分別將檢測(cè)到的溫度和濕度通過(guò)485總線傳輸給485主機(jī)，485主機(jī)再將數(shù)據(jù)打包，通過(guò)si4463無(wú)線傳輸?shù)絊TM32單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理。當(dāng)上位機(jī)訪問下位機(jī)時(shí),系統(tǒng)根據(jù)上位機(jī)的命令實(shí)時(shí)傳回所需數(shù)據(jù)[3]。溫濕度各節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)由上位機(jī)進(jìn)行記錄和存儲(chǔ),軟件則是在PC終端或移動(dòng)客服端上。其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控電路設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)的主控芯片采用的是STM32F103系列芯片。采集端與接收主機(jī)之間的通信方式采用RS-485串行總線。采用平衡發(fā)送和差分接收是RS-485的最大特點(diǎn)，因此這種方式具有非常強(qiáng)的抗干擾能力。RS-485的數(shù)據(jù)最高傳輸速率為10Mb/s。應(yīng)用RS-485 可以聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成分布式系統(tǒng)。根據(jù)接收器輸入阻抗，從而確定RS-485的節(jié)點(diǎn)數(shù)。

本系統(tǒng)中，RS-485的通信采用ModBus協(xié)議。該協(xié)議規(guī)定了消息域和內(nèi)容的具體格式，并且描述了控制器訪問其他設(shè)備的具體過(guò)程以及與其他設(shè)備之間的應(yīng)答、錯(cuò)誤識(shí)別以及數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，因此通過(guò)此協(xié)議可以使控制器與其他設(shè)備進(jìn)行良好的通信[4]。

2.2 溫濕度傳感器相關(guān)行能分析

本系統(tǒng)采用高精度溫濕度傳感器SHT10在采集端對(duì)溫濕度進(jìn)行采集。SHT10由一個(gè)測(cè)濕敏感元件和一個(gè)測(cè)溫元件組成，并與一個(gè)14位A/D轉(zhuǎn)換器以及串行接口電路連接。其濕度測(cè)量范圍為0～100%RH，溫度測(cè)量范圍為-40℃～+123.8℃，濕度測(cè)量精度為±4.5%RH、溫度測(cè)量精度為±0.5℃。

根據(jù)芯片的數(shù)據(jù)手冊(cè)，讀出的相對(duì)濕度是非線性的，為了補(bǔ)償非線性，可以用式(1)調(diào)整濕度的非線性。

(1)

C1、C2、C3是式(1)的濕度補(bǔ)償系數(shù)，芯片的手冊(cè)里有詳細(xì)的介紹，根據(jù)SOrh的分辨率來(lái)選擇。通過(guò)式(2)可以計(jì)算出濕度的真實(shí)值：

RHtrue=(T℃-25)·(t1+t2.SORH)+RHlinear

(2)

2.3 無(wú)線模塊設(shè)計(jì)

485主機(jī)采用si4463進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送。si4463能在低電流情況下進(jìn)行高性能的數(shù)據(jù)收發(fā)功能，si4463的頻率范圍是119MHz～1 050MHz。si4463器件的靈敏度為-126dBm，因此可以保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無(wú)誤地傳輸，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了極低的活動(dòng)和休眠電流消耗。

2.4CRC效驗(yàn)

為了避免外界的干擾，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳輸，采集端先將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC效驗(yàn)，這里采用的是CRC8效驗(yàn)方式，其多項(xiàng)式為X9+X5+X4+1,對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制為0x31，最終生成一個(gè)字節(jié)的效驗(yàn)碼[5]。

2.5 對(duì)系統(tǒng)低功耗的研究設(shè)計(jì)

si4463低功耗有兩種方式：休眠模式以及關(guān)斷模式，兩者的功耗分別為30nA和50nA。

寄存器的狀態(tài)是休眠模式與關(guān)斷模式之間的主要區(qū)別，休眠模式的優(yōu)點(diǎn)是關(guān)斷寄存器后數(shù)據(jù)可以保持，而關(guān)斷模式在關(guān)斷寄存器后所有數(shù)據(jù)丟失，不僅如此，重新上電還需要初始化。本設(shè)計(jì)采用休眠模式來(lái)實(shí)現(xiàn)低功耗的設(shè)計(jì)，si4463芯片里包好了一個(gè)集成的喚醒定時(shí)器，它的作用是將芯片周期性地從睡眠模式喚醒，喚醒定時(shí)器既可以運(yùn)行在內(nèi)部的32kHzRC振蕩器,也可以運(yùn)行在32kHz外部晶振。當(dāng)處于睡眠狀態(tài)時(shí)，喚醒定時(shí)器可以被配置為運(yùn)行。當(dāng)GLOBAL_WUT_CONFIG屬性WUT_EN= 1，進(jìn)入睡眠模式之前，由GLOBAL_WUT_RandGLOBAL_WUT_M定義，喚醒計(jì)時(shí)器將計(jì)數(shù)指定的時(shí)間。在這一次周期到時(shí)，使能INT_CTL_CHIP_ENABLE產(chǎn)生中斷，然后微控制器需要驗(yàn)證中斷通過(guò)讀取芯片中斷通過(guò)GET_INT_STATUS或快速響應(yīng)狀態(tài)寄存器驗(yàn)證中斷[6]。計(jì)算喚醒公式如下：

圖2 Si4463流程圖

初始化后的任務(wù)是將數(shù)據(jù)傳送至TXFIFO，并且使能發(fā)送功能。在接下來(lái)的過(guò)程中由si4463自動(dòng)完成發(fā)送。發(fā)送成功后會(huì)產(chǎn)生中斷信號(hào)或把中斷狀態(tài)寄存器進(jìn)行置位。由上可知，該系統(tǒng)可以采用查詢方式或中斷方式編寫程序?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)的功能。具體流程如圖2所示。

2.6 煙霧傳感器

本系統(tǒng)的煙霧報(bào)警設(shè)計(jì)采用的是MQ-2煙霧傳感器。MQ-2煙霧傳感器中有一個(gè)門檻電壓，是其內(nèi)的輸出腳輸出到比較器的隨煙霧濃度變化的直流信號(hào)形成的。當(dāng)煙霧濃度過(guò)高，輸出了高于門檻電壓的電壓時(shí)，使比較器輸出低電平(0V)，LED就會(huì)亮并發(fā)出報(bào)警提示。與此同時(shí)，當(dāng)煙霧濃度過(guò)低時(shí)，輸出低于門檻電壓的電壓，比較器翻轉(zhuǎn)輸出高電平(Vcc)，此時(shí)LED熄滅，不報(bào)警[7]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件由下位機(jī)軟件和上位機(jī)軟件組成，每個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。下位機(jī)主要完成數(shù)據(jù)采集與發(fā)送，包括溫濕度的采集，打包處理、發(fā)送，以及異常處理。上位機(jī)軟件通過(guò)C#語(yǔ)言來(lái)編寫，采用VisualStudio2010開發(fā)工具，主要實(shí)現(xiàn)了4個(gè)方面的內(nèi)容，分別是基本設(shè)置、時(shí)間窗口、命令發(fā)送和顯示方式，這4個(gè)部分相互獨(dú)立。

4 測(cè)試與分析

在溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的各硬件電路模板和上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)好之后，還需要測(cè)試和分析相應(yīng)數(shù)據(jù)才能完成整個(gè)系統(tǒng)的要求。

4.1 溫室度測(cè)量

在曲房溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中遵循簡(jiǎn)單、穩(wěn)定和高效的原則，最大限度地提高系統(tǒng)的性能。曲房中的溫濕度環(huán)境可以通過(guò)系統(tǒng)自動(dòng)地進(jìn)行連續(xù)不斷的監(jiān)測(cè)并記錄檢測(cè)數(shù)據(jù)。對(duì)系統(tǒng)采集的溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行了保存，結(jié)果如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)保存界面

獲取濕度的曲線圖和獲取溫度的曲線圖一樣，這里不再贅述。

4.2 數(shù)據(jù)分析

通過(guò)圖3可以看出，系統(tǒng)不間斷地獲取到了特定目標(biāo)的溫濕度數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存入SQLServer數(shù)據(jù)庫(kù)，溫度和濕度數(shù)據(jù)沒有出現(xiàn)誤碼，無(wú)線通信取得了良好的效果。

5 數(shù)據(jù)采集算法的實(shí)現(xiàn)

在該設(shè)計(jì)中采用了均值漂移算法與粒子濾波相結(jié)合的方法。通過(guò)粒子權(quán)重的比較，將粒子權(quán)重小的粒子剔除，采用均值漂移算法聚類粒子，從而可以使用很少的粒子就能達(dá)到預(yù)期的狀態(tài)，減少了計(jì)算量，提高了跟蹤效率。測(cè)試結(jié)果如圖4所示。結(jié)果表明，本文算法效率高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)和準(zhǔn)確性高。將粒子濾波算法與本文算法進(jìn)行比較，結(jié)果如表1所示。

圖4 目標(biāo)的顏色模型的累積分布函數(shù)圖

總幀數(shù)/幀所需粒子數(shù)/個(gè)計(jì)算時(shí)間/ms效率/%粒子濾波5003004173660本文算法500604107092

6 結(jié)論

本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中接入10 個(gè)下位機(jī),組成小型全方位監(jiān)控系統(tǒng),以達(dá)到對(duì)酒曲房的實(shí)時(shí)、高效、準(zhǔn)確的監(jiān)控與自動(dòng)報(bào)警。實(shí)驗(yàn)表明，系統(tǒng)通信穩(wěn)定，數(shù)據(jù)傳輸可靠，使用方便且布局簡(jiǎn)單，可以應(yīng)用于其他領(lǐng)域的監(jiān)控。

[1] 袁江，曹金偉，邱自學(xué)，等.基于的糧庫(kù)溫濕度無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J]. 自動(dòng)化與儀表,2011,26(2):21-22.

[2] 王建校,楊建國(guó).51系列單片機(jī)及C51程序設(shè)計(jì)[M].北京:科學(xué)出版社,2002.

[3] 婁國(guó)強(qiáng)，徐元，劉吉星.基于ZigBee技術(shù)的溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].可編程控制器與工廠自動(dòng)化,2010(6):89-91

[4] 李天平.項(xiàng)目中的.NET[M].北京:電子工業(yè)出版社，2012.

[6] 李永成，凌青，吳剛，等.基于ZigBee的溫濕度數(shù)據(jù)無(wú)線采集監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 微型機(jī)與應(yīng)用,2012,31(7):61-67.

[5] 卜艷茹，程海，翟淑霞，等.基于JN5168的溫室監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2014,35(4):208-211.

[7] 曹圓圓.基于STM32的溫度測(cè)量系統(tǒng)[J].儀器儀表與分析檢測(cè)，2010(1):16-18.

The application of ZEMAX in the design of optical path alignment system for transmittance meter

HuangAoyun,GaoYuxiang

(CommunicationEngineeringInstitute,ChengduUniversityofInformationTechnology,Chengdu610225,China)

Tosolveproblemslikecumbersomewiring,highcost,andlowmeasurementaccuracyindistiller’syeastroom,anintelligentdetectionsystemoftemperatureandhumidityhasbeeninvented.Thesystemconsistsofuppercomputerandslavecomputer,andslavecomputerconsistsofdatacollector,wirelessrepeaterandhostcomputer.Itcanachievedataacquisitionandautomaticwarning.TheuppercomputeriscompiledbyC#tocontrolthetemperatureandhumiditysystem,toachievecoordinatingoperation.Thetestshowsthatthesystemhastheadvantagesoflowcast,lowpowerconsumptionandhighreliability.

wirelesscommunication;temperatureandhumidity;lowpowerconsumption;intelligent

TN

ADOI： 10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.22.025

黃奧云，高瑜翔. 曲房溫濕度智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35(22)：95-97.

2016-06-29)

黃奧云(1992-)，通信作者，男，碩士研究生，主要研究方向：無(wú)線通信及移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)。E-mail:544300473@qq.com。

高瑜翔(1970-)，男，博士，教授，主要研究方向:通信系統(tǒng)與移動(dòng)通信中的關(guān)鍵技術(shù)，現(xiàn)代通信和電子技術(shù)在軍用和民用產(chǎn)品中的應(yīng)用和開發(fā)。