張鵬遠(yuǎn)

1 概述

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)力增長(zhǎng)，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，越來(lái)越多的智能化、自動(dòng)化設(shè)備走進(jìn)我們的生活，為我們服務(wù);走進(jìn)企業(yè)工廠，為企業(yè)節(jié)省人力，提高產(chǎn)能，創(chuàng)造更大的效益。這些設(shè)備平時(shí)并不需要時(shí)刻有人操作，但是一旦這些設(shè)備出現(xiàn)異常，必然會(huì)對(duì)我們的生活帶來(lái)不便，為企業(yè)的利益帶來(lái)?yè)p失。為此，我們?cè)O(shè)計(jì)了這套基于單片機(jī)采集和Wifi傳輸?shù)碾姎庠O(shè)備無(wú)線(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)，用于對(duì)這些設(shè)備的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并且當(dāng)監(jiān)測(cè)到設(shè)備出現(xiàn)異常狀態(tài)時(shí)，可控制繼電器使設(shè)備斷電，以避免造成不必要的損失。

本文介紹了自主開(kāi)發(fā)的基于Mega系列單片機(jī)系統(tǒng)和Wifi傳輸?shù)臒o(wú)線(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。該方案采用Mega128單片機(jī)搭建設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控模塊，通過(guò)Wifi模塊實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和Internet服務(wù)器之間的通信。本文對(duì)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)、硬件結(jié)構(gòu)、軟件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)做了介紹。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果表明，本設(shè)計(jì)方案具有很好的準(zhǔn)確性和可靠性。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本監(jiān)控系統(tǒng)由單片機(jī)監(jiān)控模塊、Wifi傳輸模塊、監(jiān)測(cè)網(wǎng)站三部分組成。監(jiān)控系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)。

該系統(tǒng)以Mega128單片機(jī)和Wifi模塊為基礎(chǔ)，所完成的主要功能是實(shí)現(xiàn)設(shè)備工作狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。單片機(jī)監(jiān)控模塊可以檢測(cè)到設(shè)備的運(yùn)行、關(guān)閉、異常等狀態(tài)，并記錄各狀態(tài)發(fā)生改變的時(shí)刻。檢測(cè)到的設(shè)備狀態(tài)信息以及相應(yīng)的設(shè)備編號(hào)將通過(guò)Wifi模塊實(shí)時(shí)傳送到Internet數(shù)據(jù)庫(kù)并在監(jiān)測(cè)網(wǎng)站的網(wǎng)頁(yè)上顯示。為防止服務(wù)器斷電異常無(wú)法接受數(shù)據(jù)而導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，本設(shè)計(jì)添加了EEPROM用于存儲(chǔ)單片機(jī)采集到的信息，以便服務(wù)器斷電恢復(fù)后調(diào)取。此外，本設(shè)計(jì)還添加了硬件報(bào)警設(shè)計(jì)和監(jiān)測(cè)網(wǎng)站網(wǎng)絡(luò)報(bào)警設(shè)計(jì)。一旦設(shè)備出現(xiàn)異常狀態(tài)，單片機(jī)監(jiān)控模塊將在設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)發(fā)出警報(bào)，并控制繼電器使設(shè)備斷電，同時(shí)監(jiān)測(cè)網(wǎng)站的web網(wǎng)頁(yè)界面上設(shè)置的報(bào)警提示也將發(fā)出警報(bào)，提示工作人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常設(shè)備并采取措施從而減少經(jīng)濟(jì)損失。使多個(gè)監(jiān)控模塊的單片機(jī)都工作在多機(jī)通信模式，配合多個(gè)Wifi模塊，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)電氣設(shè)備使用情況的監(jiān)控。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件由Mega128單片機(jī)芯片、電流互感器、Ds1302時(shí)間芯片、24C512 EEPROM、Wifi模塊組成。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)。

Mega128是一款高性能、高配置、低功耗的8位微處理器，此微處理器工作在16MHz時(shí)性能高達(dá)16MIPS，而且大部分指令都能在一個(gè)時(shí)鐘周期之內(nèi)完成[1]。工作的電壓從2.7v～5.5v，可以和Wifi模塊共同使用5v的電源供電。同時(shí)，其自帶10位ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換接口），以便對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換[2]。Mega128的特點(diǎn)足以為系統(tǒng)提供可靠的性能。

出于簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)和降低成本的考慮，為將設(shè)備的運(yùn)行、關(guān)閉、異常等狀態(tài)轉(zhuǎn)換成單片機(jī)能夠采集的狀態(tài)量，本設(shè)計(jì)選用了電流互感器，采集設(shè)備的電流信號(hào)。由于設(shè)備在運(yùn)行、關(guān)閉、異常等不同狀態(tài)時(shí)，其工作電流是不同的，所以可先用電流互感器檢測(cè)出設(shè)備的工作電流，然后將其轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，再經(jīng)放大整流后得到平穩(wěn)的直流電壓信號(hào)，通過(guò)Mega128單片機(jī)上自帶的10位ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換接口）對(duì)得到的直流電壓信號(hào)進(jìn)行采集并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)存儲(chǔ)到單片機(jī)上，通過(guò)對(duì)單片機(jī)的編程對(duì)不同的狀態(tài)設(shè)定相應(yīng)的閾值便可實(shí)現(xiàn)狀態(tài)量的采集。

Mega128檢測(cè)到狀態(tài)量的變化后，需要讀取的時(shí)間信息來(lái)自時(shí)間芯片Ds1302。Ds1302是一種帶RAM的低功耗的實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路，可以對(duì)年、月、日、時(shí)、分、秒進(jìn)行計(jì)時(shí)[3]。配備后備電源后，即便主電源關(guān)閉，Ds1302也能夠保證持續(xù)地記錄時(shí)間。為保證數(shù)據(jù)不會(huì)丟失，故將Mega128檢測(cè)到的狀態(tài)信息及時(shí)間信息存入到EEPROM中，EEPROM選擇ATMEL公司的24C512芯片，它內(nèi)部有64k字節(jié)的存儲(chǔ)，分為512頁(yè)，地址范圍為0000～ffffH[4]。

Wifi模塊選用的是海凌科電子推出的低成本嵌入式UART-ETH-WIFI（串口-以太網(wǎng)-無(wú)線(xiàn)網(wǎng)）模塊HLK-RM04。該模塊是基于通用串行接口的符合網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式模塊，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，能夠?qū)崿F(xiàn)用戶(hù)串口、以太網(wǎng)、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)（WIFI）3個(gè)接口之間的轉(zhuǎn)換。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本監(jiān)控系統(tǒng)的軟件部分包括設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控模塊軟件、Wifi模塊配置和監(jiān)測(cè)網(wǎng)站的設(shè)計(jì)。其中Wifi模塊無(wú)需編程只需對(duì)Wifi模塊進(jìn)行初始化并配置成客戶(hù)端模式，設(shè)置遠(yuǎn)程服務(wù)器IP、端口號(hào)，與Internet服務(wù)器連接。Wifi模塊的配置。

4.1 單片機(jī)監(jiān)控模塊程序設(shè)計(jì)

首先是單片機(jī)對(duì)設(shè)備工作狀態(tài)的狀態(tài)量的提取。Mega128單片機(jī)上自帶的10位ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換接口）對(duì)通過(guò)硬件電路處理過(guò)的直流電壓信號(hào)進(jìn)行采集并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)存儲(chǔ)到單片機(jī)上，由于設(shè)備工作狀態(tài)的不同，其工作電流將不同，采集到的電壓信號(hào)也將不同，所以最終存儲(chǔ)到單片機(jī)上的數(shù)字信號(hào)也不同，只要測(cè)出采集到的不同工作狀態(tài)對(duì)應(yīng)的電壓范圍便可設(shè)定閾值，單片機(jī)通過(guò)這幾個(gè)閾值對(duì)設(shè)備的工作狀態(tài)進(jìn)行判定，當(dāng)設(shè)備的工作狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)DS1302記錄其時(shí)間，此時(shí)將工作狀態(tài)的判定結(jié)果和記錄的時(shí)間發(fā)送至Internet服務(wù)器，同時(shí)將其存儲(chǔ)到EEPROM中。若服務(wù)器出現(xiàn)異常斷電，期間其將無(wú)法接收數(shù)據(jù)，待其恢復(fù)后可通過(guò)單片機(jī)調(diào)取EEPROM中存儲(chǔ)的斷電期間的數(shù)據(jù)。此外，當(dāng)檢測(cè)到設(shè)備出現(xiàn)異常狀態(tài)時(shí)，單片機(jī)需對(duì)警報(bào)器發(fā)出信號(hào)令其報(bào)警。單片機(jī)監(jiān)控模塊程序流程。

單片機(jī)檢測(cè)到狀態(tài)量信號(hào)發(fā)生變化后，便開(kāi)始了一次“記錄”時(shí)間的過(guò)程。首先單片機(jī)通過(guò)SPI總線(xiàn)的形式將當(dāng)下Ds1302中記錄的時(shí)間讀取出來(lái)，包括年、月、日、星期、時(shí)、分、秒，這些信息都寄存在Ds1302內(nèi)部相關(guān)的寄存器中。單片機(jī)與Ds1302傳輸數(shù)據(jù)之前要先寫(xiě)入相應(yīng)的控制字——讀取或者寫(xiě)入，讀寫(xiě)的地址。不僅如此，單片機(jī)每次與Ds1302通信都要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的“握手程序”。Mega128讀取Ds1302中的時(shí)間數(shù)據(jù)，只需要按照相應(yīng)的通信原則讀取其內(nèi)部的相應(yīng)地址的寄存器即可。與之類(lèi)似，Mega128對(duì)24C512進(jìn)行讀取或者寫(xiě)入數(shù)據(jù)操作時(shí)也需要先寫(xiě)入相應(yīng)的控制字，讀寫(xiě)其內(nèi)部的相應(yīng)地址空間所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，并且同樣在每次通信的過(guò)程中進(jìn)行嚴(yán)格的“握手程序”。

如果監(jiān)測(cè)網(wǎng)站要調(diào)取歷史記錄時(shí)，當(dāng)Mega128接受到監(jiān)測(cè)網(wǎng)站通過(guò)Wifi模塊傳來(lái)的指令，如設(shè)備編號(hào)、所要讀取信息的日期，Mega128現(xiàn)根據(jù)接收到的設(shè)備編號(hào)確定是否與本機(jī)號(hào)相符。如果編號(hào)符合，則根據(jù)所要讀取信息的日期查詢(xún)符合條件的數(shù)據(jù)并讀取出來(lái)，然后將數(shù)據(jù)依次通過(guò)串口發(fā)送出去。

4.2 監(jiān)測(cè)網(wǎng)站的設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)網(wǎng)站發(fā)送和接收數(shù)據(jù)是通過(guò)SOCKET套接字與Wifi模塊進(jìn)行傳輸?shù)?。監(jiān)測(cè)網(wǎng)站主要由網(wǎng)站監(jiān)測(cè)前臺(tái)，Windows服務(wù)程序和數(shù)據(jù)庫(kù)三部分組成。

網(wǎng)站監(jiān)測(cè)前臺(tái)使用ASP開(kāi)發(fā)平臺(tái)采用C#語(yǔ)言編寫(xiě)的B/S模式的網(wǎng)站，它主要通過(guò)SQL語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的訪(fǎng)問(wèn)。Windows服務(wù)程序是ASP開(kāi)發(fā)平臺(tái)編寫(xiě)的C/S模式的軟件，它通過(guò)SOCKET套接字來(lái)接收現(xiàn)場(chǎng)Wifi設(shè)備傳來(lái)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的信息，并使用SQL語(yǔ)句存入數(shù)據(jù)庫(kù)中[5]。這里采用SQL server2012數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)庫(kù)把從Wifi接收來(lái)的分類(lèi)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存起來(lái)，使前臺(tái)網(wǎng)站能夠時(shí)時(shí)訪(fǎng)問(wèn)到更新的數(shù)據(jù)。

（作者單位：河北科技學(xué)院）