戴美玲

（南京審計(jì)大學(xué)實(shí)驗(yàn)中心， 南京 211815）

0 引 言

在科技迅速發(fā)展的時(shí)代背景下，實(shí)驗(yàn)室的基礎(chǔ)建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大［1］。 高校實(shí)驗(yàn)室擴(kuò)大了招生規(guī)模，科研實(shí)驗(yàn)室也拓寬了工業(yè)技術(shù)開(kāi)發(fā)范圍，為科技的進(jìn)步提供了條件。 實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的好壞，直接決定著科研結(jié)果的優(yōu)劣［2］。 在高校實(shí)驗(yàn)室中，學(xué)生通過(guò)科研實(shí)驗(yàn)，與理論知識(shí)相結(jié)合，進(jìn)一步提高自身的專(zhuān)業(yè)能力；在科研實(shí)驗(yàn)室中，通過(guò)工業(yè)技術(shù)的開(kāi)發(fā)與研究，不斷推動(dòng)工業(yè)領(lǐng)域的可持續(xù)發(fā)展［3］。 因此，本文設(shè)計(jì)基于CMOS 微處理器的實(shí)驗(yàn)室監(jiān)控智能控制系統(tǒng)，最大限度地提高實(shí)驗(yàn)室監(jiān)控智能控制效果。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 CMOS 微處理器

本文設(shè)計(jì)的CMOS 微處理器工作主頻可以達(dá)到688 MHz，能夠支持系統(tǒng)對(duì)實(shí)驗(yàn)室監(jiān)控視頻的多種編碼，除了H.264／H.263、Mpeg4 之外，還存在USB外擴(kuò)展接口，用于處理監(jiān)控視頻信息。 CMOS 微處理器存在多個(gè)TTL 串口，標(biāo)準(zhǔn)DB9 串口、LCD 接口、USB Host1.1、Mini USB2.0 等接口。 在監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)處理與控制的過(guò)程中，主要通過(guò)ZigBee 協(xié)議完成，系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制通過(guò)以太網(wǎng)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(shè)計(jì)的CMOS 微處理器通過(guò)以太網(wǎng)、ZigBee 協(xié)議、報(bào)警串口、網(wǎng)卡、LCD 顯示、存儲(chǔ)模塊等接口，對(duì)實(shí)驗(yàn)室監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并處理，使視頻內(nèi)容更加清晰。 并將視頻信息存儲(chǔ)在存儲(chǔ)模塊中，使系統(tǒng)能夠精準(zhǔn)把控實(shí)驗(yàn)室監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。

1.2 HS1101 濕度傳感器

本文設(shè)計(jì)的HS1101 濕度傳感器是一種獨(dú)特工藝設(shè)計(jì)的電容元件，對(duì)于實(shí)驗(yàn)室濕度控制、空氣質(zhì)量控制具有重要作用。 HS1101 濕度傳感器能夠與實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中的空氣進(jìn)行互換，在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下無(wú)需校正，能夠快速脫除濕氣，使實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的環(huán)境更佳，科研人員能夠更加快速地進(jìn)入研究中［4］。 HS1101 濕度傳感器的技術(shù)設(shè)計(jì)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 HS1101 濕度傳感器的技術(shù)設(shè)計(jì)指標(biāo)Tab. 1 Technical design index of HS1101 humidity sensor

由表1 可知，本文設(shè)計(jì)的HS1101 濕度傳感器尺寸較小，在系統(tǒng)中以低功耗環(huán)境運(yùn)行，提高系統(tǒng)對(duì)濕度—電容控制效果。 HS1101 濕度傳感器在運(yùn)行過(guò)程中，相對(duì)濕度在0%RH～100%RH 范圍內(nèi)，電容在145 pF～200 pF 的范圍內(nèi)變化，濕度控制誤差≤±0.02%RH，響應(yīng)時(shí)間在0.5 ms 左右，能夠快速有效地控制實(shí)驗(yàn)室濕度環(huán)境。

2 軟件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)軟件架構(gòu)，是以CMOS 微處理器與HS1101 濕度傳感器等硬件基礎(chǔ)上構(gòu)建而成。本文將軟件架構(gòu)分為3 個(gè)部分，分別為應(yīng)用中心、監(jiān)控中心、控制中心。 軟件結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 軟件總體結(jié)構(gòu)圖Fig. 2 Overall structure diagram of the software

本文在應(yīng)用中心以監(jiān)控管理終端為主，監(jiān)控中心主要為溫濕度監(jiān)控、煤氣濃度、煙霧濃度、電氣控制、警報(bào)響應(yīng)等；控制中心主要為實(shí)驗(yàn)室監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、監(jiān)控管理數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)應(yīng)用服務(wù)、執(zhí)行控制指令等。 其中，監(jiān)控中心作為實(shí)驗(yàn)室監(jiān)控智能控制系統(tǒng)的傳感網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)?shí)驗(yàn)室相關(guān)數(shù)據(jù)傳達(dá)到控制中心中，為系統(tǒng)提供更加穩(wěn)定的運(yùn)行條件。

2.1 監(jiān)控目標(biāo)控制算法

本文在構(gòu)建的軟件整體架構(gòu)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)監(jiān)控目標(biāo)運(yùn)動(dòng)控制算法。 實(shí)驗(yàn)室監(jiān)控以視頻為主，在電腦終端上，將視頻中的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)與背景分開(kāi)，并對(duì)監(jiān)控目標(biāo)進(jìn)行跟蹤與控制。 處理監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)流程為：提取監(jiān)控視頻第n幀與n －1 幀，進(jìn)行差分圖像處理與閾值處理，進(jìn)而得出監(jiān)控目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)控制數(shù)據(jù)。 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(jiān)控目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡；sn－1（x，y）為第n－1 幀監(jiān)控目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡；t為常數(shù)；T（x，y） 為實(shí)驗(yàn)室監(jiān)控視頻圖像的監(jiān)控目標(biāo)；F（x，y） 為監(jiān)控目標(biāo)的最終運(yùn)行控制軌跡；V為運(yùn)動(dòng)控制閾值。 當(dāng)F（x，y）＝1 時(shí)，F(xiàn)（x，y） 為監(jiān)控目標(biāo)點(diǎn)，T（x，y）為運(yùn)動(dòng)背景點(diǎn)；當(dāng)F（x，y）＝0 時(shí)，T（x，y）為監(jiān)控目標(biāo)點(diǎn)，F(xiàn)（x，y） 為運(yùn)動(dòng)背景點(diǎn)。 最終的智能控制效果則由F（x，y） 的結(jié)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(shí)驗(yàn)室監(jiān)控智能控制數(shù)據(jù)庫(kù)

為了實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室監(jiān)控的精準(zhǔn)控制，本文在監(jiān)控目標(biāo)運(yùn)動(dòng)控制算法設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，建立了實(shí)驗(yàn)室監(jiān)控智能控制數(shù)據(jù)庫(kù)。 見(jiàn)表2。

表2 實(shí)驗(yàn)室監(jiān)控智能控制數(shù)據(jù)庫(kù)Tab. 2 Laboratory monitoring intelligent control database

由表2 可知，本文選取了登錄名稱(chēng)、地址、溫濕度監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、煤氣煙霧濃度、電器控制、狀態(tài)響應(yīng)、警報(bào)響應(yīng)等數(shù)據(jù)，建立了智能控制數(shù)據(jù)庫(kù)。 點(diǎn)擊對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)類(lèi)型，即可得出相應(yīng)的數(shù)據(jù)內(nèi)容，縮短系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的基礎(chǔ)上，提高智能控制效果。

3 系統(tǒng)測(cè)試

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)是否具有實(shí)用價(jià)值，本文對(duì)上述系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。 在硬件與軟件均調(diào)試完成的基礎(chǔ)上，使整體系統(tǒng)運(yùn)行正常，即可開(kāi)始系統(tǒng)運(yùn)行測(cè)試。 最終的測(cè)試結(jié)果以傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室監(jiān)控智能控制系統(tǒng)，與本文設(shè)計(jì)的基于CMOS 微處理器的實(shí)驗(yàn)室監(jiān)控智能控制系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比的形式呈現(xiàn)。 具體測(cè)試過(guò)程及測(cè)試結(jié)果，將展開(kāi)研究論述如下。

3.1 測(cè)試方案設(shè)計(jì)

在進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試之前，本文將CMOS 微處理器與HS1101 濕度傳感器等硬件進(jìn)行調(diào)試。 將CMOS微處理器按照說(shuō)明書(shū)進(jìn)行安裝之后，處理器上的綠色指示燈亮起，各個(gè)接口處并未出現(xiàn)紅色指示燈亮起的現(xiàn)象，可以保證CMOS 微處理器運(yùn)行正常。 將HS1101 濕度傳感器按照說(shuō)明書(shū)安裝完畢之后，系統(tǒng)能夠?qū)?shí)驗(yàn)室內(nèi)相對(duì)濕度控制在0%RH ～100%RH的范圍內(nèi)，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(duì)系統(tǒng)電容量進(jìn)行測(cè)試，電容量在182 pF 左右，在165 pF ～200 pF 的范圍內(nèi)，可見(jiàn)HS1101 濕度傳感器運(yùn)行正常。 將系統(tǒng)硬件調(diào)試完畢后，本文對(duì)系統(tǒng)軟件進(jìn)行調(diào)試。

3.2 測(cè)試過(guò)程

本文中，將軟件調(diào)試串口設(shè)定為COM1，波特率為9 600，校驗(yàn)位為NONE，數(shù)據(jù)位為8，停止位為1。此時(shí)，點(diǎn)擊軟件接收區(qū)，并以自動(dòng)清空的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示界面調(diào)試與更改。 調(diào)試結(jié)束后，點(diǎn)擊關(guān)閉程序，即可完成軟件調(diào)試。 軟件調(diào)試無(wú)誤后，本文將硬件與軟件相連接，出現(xiàn)的系統(tǒng)登錄界面如圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)登錄界面Fig. 4 Login interface of the system

由圖4 可知，系統(tǒng)硬件與軟件調(diào)試完成后，系統(tǒng)得以正常運(yùn)行。 在登錄界面中，輸入正確的用戶名、密碼、驗(yàn)證碼后，點(diǎn)擊登錄，進(jìn)入到系統(tǒng)中。 點(diǎn)擊智能控制系統(tǒng)中的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境參數(shù)監(jiān)控，得出的界面如圖5 所示。

由圖5 可知，進(jìn)入系統(tǒng)后，本文對(duì)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境參數(shù)進(jìn)行智能控制。 將實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室內(nèi)部的基礎(chǔ)環(huán)境穩(wěn)定。

在控制實(shí)驗(yàn)室電器的過(guò)程中，分別對(duì)窗簾、電子鎖、電源開(kāi)關(guān)等電器進(jìn)行智能控制。 通過(guò)系統(tǒng)終端，將窗簾控制在打開(kāi)的狀態(tài)，電子鎖控制在關(guān)閉的狀態(tài)，電源開(kāi)關(guān)控制在打開(kāi)的狀態(tài)，保證實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的科研人員能夠迅速進(jìn)入研究狀態(tài)。 并將電器智能控制響應(yīng)時(shí)間設(shè)定為0.26 ms，最大限度地提高系統(tǒng)控制質(zhì)量。

在實(shí)驗(yàn)室完成研究之后，對(duì)實(shí)驗(yàn)室情況進(jìn)行最終檢查，電子鎖為關(guān)閉的狀態(tài)，狀態(tài)查看響應(yīng)時(shí)間為0.14 ms；語(yǔ)音警報(bào)未觸發(fā)，響應(yīng)時(shí)間為0.08 ms；服務(wù)器為錯(cuò)誤狀態(tài)，亟需進(jìn)行處理，警報(bào)響應(yīng)時(shí)間為0.05 ms。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境、電器、狀態(tài)等控制，可以保證系統(tǒng)運(yùn)行正常。

3.3 測(cè)試結(jié)果

在上述測(cè)試條件下，本文選取出8 種系統(tǒng)測(cè)試條件，每個(gè)監(jiān)控內(nèi)容均存在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)控制結(jié)果。 在其他條件均一致的情況下，本文將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室監(jiān)控智能控制系統(tǒng)的控制結(jié)果，與本文設(shè)計(jì)的基于CMOS 微處理器的實(shí)驗(yàn)室監(jiān)控智能控制系統(tǒng)的控制結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。 具體測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 測(cè)試結(jié)果Tab. 3 Test results

由表3 可知，本文選取出實(shí)驗(yàn)室溫度、濕度、煤氣濃度、煙霧濃度、電氣控制響應(yīng)時(shí)間、電子鎖狀態(tài)查看響應(yīng)時(shí)間、語(yǔ)音警報(bào)響應(yīng)時(shí)間、服務(wù)器錯(cuò)誤警報(bào)響應(yīng)時(shí)間等實(shí)驗(yàn)室智能監(jiān)控內(nèi)容作為系統(tǒng)測(cè)試條件，每一個(gè)測(cè)試內(nèi)容均對(duì)應(yīng)著標(biāo)準(zhǔn)值。 在其他條件均一致的情況下，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室監(jiān)控智能控制系統(tǒng)的控制結(jié)果，與標(biāo)準(zhǔn)控制結(jié)果相差較多，響應(yīng)時(shí)間、溫度、濕度、濃度等智能控制結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)控制結(jié)果相差得越多，系統(tǒng)運(yùn)行能力越弱，智能控制效果隨之下降。 而本文設(shè)計(jì)的基于CMOS 微處理器的實(shí)驗(yàn)室監(jiān)控智能控制系統(tǒng)的控制結(jié)果，與標(biāo)準(zhǔn)控制結(jié)果相差較少，響應(yīng)時(shí)間、溫度、濕度、濃度等智能控制結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)控制結(jié)果相差較小，煤氣濃度、煙霧濃度、語(yǔ)音警報(bào)響應(yīng)時(shí)間等監(jiān)控內(nèi)容的智能控制結(jié)果，與標(biāo)準(zhǔn)控制結(jié)果一致，可以保證系統(tǒng)運(yùn)行能力，智能控制水平較高，符合本文研究目的。

4 結(jié)束語(yǔ)

為了使實(shí)驗(yàn)室環(huán)境更加符合科研需求，本文設(shè)計(jì)了基于CMOS 微處理器的實(shí)驗(yàn)室監(jiān)控智能控制系統(tǒng)，通過(guò)硬件設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)兩方面，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室監(jiān)控智能控制，為科研事業(yè)的發(fā)展提供基礎(chǔ)條件。