劉希林，梁振清，李 強

（廣西壯族自治區(qū)氣象技術裝備中心，南寧 530022）

引言

根據(jù)JJF1069-2012 法定計量檢定機構規(guī)范的要求，必須對環(huán)境條件實施監(jiān)測控制和記錄，分析判斷環(huán)境條件是否影響檢定、校準結果的準確性和可靠性［1］。氣象計量實驗室需要在一定的溫濕度范圍內才能對儀器進行檢定［2-5］。因此通過使用溫濕度跟蹤與分析系統(tǒng)能實現(xiàn)溫濕度自動監(jiān)測，實時查看環(huán)境溫濕度情況，滿足氣象計量實驗室對環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)跟蹤與分析的要求，有助于提升氣象計量檢定的工作效率。

在實驗室的監(jiān)控項目中，不同實驗室對溫濕度都有要求，大部分實驗都是在明確的溫濕度環(huán)境中展開。在醫(yī)藥、生化、儀器校準、農業(yè)、氣象、建筑與電器等領域中所用的儀器和設備都需要追蹤并控制溫度［6-14］，實驗室環(huán)境條件直接影響著這些儀器的檢定和檢測結果，每項實驗的進行過程都需要精確可靠的監(jiān)測儀器提供準確的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)。實驗室要求適宜的溫度和濕度，室內的小氣候，包括氣溫、濕度和氣流速度等，對在實驗室工作的人員和儀器設備有影響。夏季的適宜溫度應是18～28℃，冬季為16～20℃，相對濕度最好在30%（冬季）～70%（夏季）之間。

氣象計量實驗室的環(huán)境條件需要符合相關檢測物品對應的檢定規(guī)程要求［15］。本文運用C＋＋語言實現(xiàn)對實驗室溫濕度連續(xù)檢測跟蹤與曲線分析，同時可查看所有監(jiān)測點實時顯示數(shù)據(jù)，不間斷采集溫濕度數(shù)據(jù)［16］，最終實現(xiàn)對氣象計量實驗室總體溫濕度的監(jiān)控分析。

1 系統(tǒng)布點原則及實施條件

計量實驗室內外環(huán)境，如溫、濕度等因素會造成設備性能的不穩(wěn)定，嚴重影響計量設備的管理可靠性。環(huán)境溫濕度的控制，是保證實驗操作能夠滿足實驗程序各個過程的需要［17-18］。根據(jù)監(jiān)測環(huán)境結構及各實驗室布局特點和布置不同的監(jiān)測點位屬性，監(jiān)測點優(yōu)化設定的原則是：

（1）監(jiān)測點應優(yōu)先設置在監(jiān)測環(huán)境空氣流動平穩(wěn)處，進出風口位置不宜放置。根據(jù)管理人員可視范圍調節(jié)放置高度，方便管理人員查看數(shù)據(jù)。

（2）監(jiān)測點位置以不影響工作人員正常工作為原則，遠離各種熱源，盡量避免日常操作碰觸到設備。

（3）溫濕度跟蹤與分析系統(tǒng)安裝完成后，DSR通過485 通訊線和對應的轉換器連接，然后接入交換機，交換機最終無線連接至中心機房交換機或計算機，實現(xiàn)監(jiān)控。

（4）需裝DSR 的區(qū)域根據(jù)實際布線，其中溫度室、氣壓室、濕度室、雨量室、酸度室及綜合室安裝DSR－THP－RA 型號；檔案室、收發(fā)室、倉庫、會議室及網絡室安裝DSR－TH－RA 型號，每個測點提供一個固定IP（與線路總數(shù)一致）。

（5）子網絡最終都與中心機房的交換機相連，通過路由器并可接入Internet；從服務器連接到交換機，通過局域網獲得子網絡數(shù)據(jù)。

（6）局域網PC 可成為局域網授權訪問終端，通過客戶端軟件訪問服務器、查看數(shù)據(jù)；互聯(lián)網PC 可成為互聯(lián)網授權訪問終端，可遠程訪問、遠程查看數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)設計原理

依據(jù)氣象計量實驗室對環(huán)境溫濕度跟蹤與分析的需求，確保溫濕度自動監(jiān)測系統(tǒng)處在精準穩(wěn)定的運行狀態(tài)，對此將系統(tǒng)結構總體設計分為三大模塊。

（1）數(shù)據(jù)采集模塊

采集過程主要通過傳感器自動測量出實驗室的溫濕度，再使用轉換器對數(shù)據(jù)進行簡單處理。傳統(tǒng)模擬式的溫濕度傳感器測量精度低且校準復雜，而該系統(tǒng)將采用具有先進的溫濕度檢測技術的DHT11溫濕度復合傳感器。DHT11 內部采用特殊的數(shù)字模塊采集技術，將溫度和濕度信息處理集成到傳感器中，通過單總線與微控制器連接直接傳輸出時鐘信號和數(shù)據(jù)信號，大大降低了所在電路的復雜性和范圍。

由電阻式濕度傳感器和NTC 溫度傳感器構成DHT11 的內部結構，連接著一個高性能8 位單片機，這個單片機能實時將器件進行分析和處理，確保系統(tǒng)能夠良好地運行，所以DHT11 既有著高度的穩(wěn)當性，同時也滿足了品質卓越、超快響應、高性價比等優(yōu)勢。每個DHT11 傳感器都在極為精確的濕度校驗室中進行校準，校準系數(shù)以程序的形式存在OTP內存中，傳感器內部在檢測信號的處理過程中要調用這些校準系數(shù)。單線制串行接口，結合無線收發(fā)芯片在無線網絡傳感器節(jié)點上的應用，使系統(tǒng)集成變得簡易快捷，利于運用到實際電路系統(tǒng)中。

（2）數(shù)據(jù)處理模塊

通過監(jiān)測電路，在DSR 屏幕上實時顯示實驗室內溫濕度值，由直觀的曲線變化來判斷溫濕度的變化，同時可由數(shù)據(jù)庫將數(shù)據(jù)信息保存在系統(tǒng)內部，最終也可根據(jù)實際需求將數(shù)據(jù)導入終端。

（3）終端PC 監(jiān)控模塊

此模塊是人機交互的一部分，通過電腦端的串行接口轉換電路完成與單片機直接的通信，自動監(jiān)測系統(tǒng)與遠端PC 之間的連接。當實驗室內溫度超出預警值時，DSR 記錄儀發(fā)出警報到終端PC，保證在PC 端也能夠實時參與到監(jiān)控當中，得以實現(xiàn)人工及時調節(jié)操作功能。溫濕度自動監(jiān)控系統(tǒng)原理圖如下圖1 所示。

圖1 溫濕度自動監(jiān)控系統(tǒng)原理圖

3 系統(tǒng)功能模塊設計

本系統(tǒng)包含10 個小的功能模塊，本別是后臺管理、子網管理、設備管理、設備工作參數(shù)設置、實時顯示與記錄功能、超限報警功能、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析功能、數(shù)據(jù)存儲功能、數(shù)據(jù)導出功能、用戶端查看功能。系統(tǒng)的運行處理流程如下圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)的運行處理流程

（1）后臺管理

服務器后臺管理系統(tǒng)可完成對測量點監(jiān)測設備的管理，諸如子網添加、組網設備添加、設備參數(shù)設置等。通過此后臺管理軟件便可將所有DSR 設備的即時數(shù)據(jù)直接保存到服務器的數(shù)據(jù)庫當中，并可以啟動記錄、下載，參數(shù)設置，停止記錄，同步時鐘。軟件界面采用不同顏色提示，鮮明奪目，可實時查看各臺儀器運行狀況。

（2）子網管理

本系統(tǒng)采用的是RS485 組網方式，每個DSR 通過485 組網連接，再連入對應轉換器中，轉換器將485 信號轉換成以太網信號，每個轉換器組成為一個子網。

（3）設備管理

監(jiān)控PC 通過IP 地址訪問到轉換器，通過儀器的序列號來分辨儀器的類型，所以需要將設備逐一添加，由于每臺儀器都有對應的IP 地址，所以IP 地址要與儀器的序列號所在子網一一對應。

（4）設備工作參數(shù)設置

右鍵后臺軟件上的儀器圖標即可出現(xiàn)上圖顯示的對話框，在此對話框中可以設置儀器的屬性參數(shù)，包括刷新間隔、記錄間隔、報警上下限、啟動方式與結束方式等。如果所有設備均使用同一設置，點擊對話框中的“應用參數(shù)到同類設備”便可以將所有的儀器信息設置成統(tǒng)一參數(shù)。

（5）實時顯示與記錄功能

不間斷地采集和記錄被監(jiān)測實驗室環(huán)境內溫濕度參數(shù)的情況，以數(shù)字、圖形、表格的方式進行實時顯示和記錄監(jiān)測信息。

（6）超限報警功能

DSR 溫濕度記錄儀內置蜂鳴器，具有超限報警功能，報警時能自動改變記錄頻率，確保記錄數(shù)據(jù)真實反映環(huán)境變化，在出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)的時候，如溫濕度超過上下限時，可以按照管理人員指定的方式輸出多種報警。如：郵件報警、電話報警、短信報警、蜂鳴報警、聲光報警等。

（7）數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析功能

實時統(tǒng)一顯示各個監(jiān)測點的溫濕度情況，可查詢歷史數(shù)據(jù)，顯示各個被測環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)曲線變化，數(shù)據(jù)分析功能可獲得某監(jiān)測點某段時間內的最大值、最小值、平均值等情況。

（8）數(shù)據(jù)存儲功能

DSR 溫濕度記錄儀本身帶有內置存儲功能，可記錄26 萬條溫度數(shù)據(jù)，最多可擴展208 萬條數(shù)據(jù)，所以可將數(shù)據(jù)保存在記錄儀內部，同時服務器將監(jiān)控軟件界面的數(shù)據(jù)按自我設定的時間間隔保存至數(shù)據(jù)庫，對數(shù)據(jù)實行雙重保護，避免丟失溫濕度數(shù)據(jù)。

（9）數(shù)據(jù)導出功能

實時顯示每個實驗室的溫濕度實時數(shù)據(jù)、趨勢曲線，數(shù)據(jù)報表、圖表、記錄、存儲、導出、打印等功能，同時也可以包含部分控制和報警功能等，管理員可導出各個監(jiān)測點溫濕度數(shù)據(jù)變化曲線圖或數(shù)據(jù)列表，并按照特定的要求，輸出不同格式的報表，如：DOC、EXCEL、TXT 等。

（10）用戶端查看功能

該系統(tǒng)可設置用戶端訪問權限，在同一局域網內的PC 可通過專業(yè)的用戶端軟件訪問服務器，查看實時數(shù)據(jù)。若服務器連接進入互聯(lián)網，遠程PC 也可通過網絡訪問服務器，查看實時數(shù)據(jù)。

4 系統(tǒng)檢驗測試

為了檢驗系統(tǒng)設計的合理性和準確性，選取測試點對系統(tǒng)進行監(jiān)控和測試。

如上圖3 曲線所示，在時間序列中選取08∶00、10 ∶00、12 ∶00、14 ∶00、16 ∶00 點測得的數(shù)據(jù)分別為20.0℃、23.0℃、25.0℃、26.5℃、26.0℃，而用精確溫度計測量的數(shù)據(jù)為20.2℃、22.5℃、25.4℃、26.5℃、26.2℃。其誤差分別為＋0.1℃、－0.5℃、＋0.4℃、0.0℃、＋0.2℃，誤差絕對值均在1.0℃內（如下表1 所示），說明氣溫測試數(shù)據(jù)可用（如下表1 所示）。

圖3 日氣溫測試變化曲線

表1 檢測與實際溫度比對表

如圖4 曲線所示，在時間序列中選取08∶00、10∶00、12∶00、14∶00、16∶00 點測得的數(shù)據(jù)分別為35.60%RH、39.50%RH、42.30%RH、37.60%RH、35.60%RH，而用精確濕度計測量的數(shù)據(jù)為35.80%RH、39.40%RH、42.10RH%、37.30%RH、35.70%RH。其誤差分別為＋0.20%RH、－0.10%RH、－0.20%RH、－0.30%RH、＋0.10%RH，誤差絕對值均在3.0%RH 內，說明相對濕度測試數(shù)據(jù)可用（如表2 所示）。

圖4 相對濕度測試變化曲線

表2 檢測與實際相對濕度比對表

該系統(tǒng)的圖形化操作界面直觀簡單，用表格和曲線方式查詢顯示各監(jiān)測點實時測量值和任意日月年歷史數(shù)據(jù)，支持表格或圖形方式顯示和打印，能統(tǒng)計任意區(qū)間的數(shù)據(jù)最大值、最小值及平均值，可設置各監(jiān)測點的上下報警值，并能記錄可查詢報警歷史。

5 結論

該系統(tǒng)設計符合JJF1069－2012 規(guī)范的各項指標，實現(xiàn)了對溫濕度自動監(jiān)測分析查看、數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理、數(shù)據(jù)存檔及時超限報警，能夠跟蹤溫濕度環(huán)境數(shù)據(jù)同時能分析判斷數(shù)據(jù)是否影響檢定、校準結果的準確性和可靠性，支持多點監(jiān)測以及數(shù)據(jù)報表打印，分級管理功能強大，有利于質量控制工作的開展，實現(xiàn)對實驗質量活動的監(jiān)測和管理，以及對實驗環(huán)境及測試品進行有效的測量。系統(tǒng)采用濕度傳感器與溫濕度測控儀智能一體化設計，具有模塊化結構、分散布置、組態(tài)靈活、擴展方便等特點，可與各種帶標準通信接口的設備以及上級監(jiān)控網絡聯(lián)網運行，具有良好的兼容性。