曲房溫濕度智能監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

黃奧云，高瑜翔

(成都信息工程大學 通信工程學院，四川 成都 610225)

曲房溫濕度智能監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

黃奧云，高瑜翔

(成都信息工程大學 通信工程學院，四川 成都 610225)

針對酒曲房中布線繁瑣、成本高、測量精度差等問題,提出了酒曲房智能溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)。該設計將硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)相結合，硬件系統(tǒng)由采集端、無線中繼、主機組成，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和自動預警；為了使系統(tǒng)能協(xié)調運行，軟件系統(tǒng)的控制由C#語言編寫。實驗表明，該系統(tǒng)具有成本低、功耗小、可靠性強等優(yōu)點。

無線通信； 溫濕度；低功耗；智能

0 引言

智能監(jiān)控具有廣泛的應用前景和潛在的經(jīng)濟價值，從而激發(fā)了國內外廣大科研工作者及相關人士的濃厚興趣，尤其在美國、英國等國家已經(jīng)開展了大量相關項目的研究。在我國，這方面的研究近幾年才開展起來。中國科學院自動化研究所模式識別國家重點實驗室己經(jīng)成立智能視覺監(jiān)控研究組，研究表明，酒曲房內的溫濕度會隨著酒曲的發(fā)酵而產(chǎn)生強烈的變化[1]。人工手動檢測酒曲房的溫濕度不僅效率低下，而且存在很大的誤差，不能及時準確地反映出當前數(shù)據(jù)。采用有線設備進行檢測的缺點在于布線繁瑣，而且需要投入一定的人力?；谏鲜鲈颍岢鲆环N無線智能監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)采用SHT10來采集溫濕度，具有測量精度高、抗干擾能力強的優(yōu)點。根據(jù)采集溫濕度的設定值來做出智能報警措施，采用si4463無線收發(fā)芯片來傳輸采集到的溫濕度，利用其低功耗特點[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、溫度濕度檢測電路、無線數(shù)據(jù)收發(fā)電路、自動報警電路等構成。各溫度和濕度傳感器分別將檢測到的溫度和濕度通過485總線傳輸給485主機，485主機再將數(shù)據(jù)打包，通過si4463無線傳輸?shù)絊TM32單片機進行數(shù)據(jù)分析處理。當上位機訪問下位機時,系統(tǒng)根據(jù)上位機的命令實時傳回所需數(shù)據(jù)[3]。溫濕度各節(jié)點的數(shù)據(jù)由上位機進行記錄和存儲,軟件則是在PC終端或移動客服端上。其結構圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結構圖

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 主控電路設計

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，因此這種方式具有非常強的抗干擾能力。RS-485的數(shù)據(jù)最高傳輸速率為10Mb/s。應用RS-485 可以聯(lián)網(wǎng)構成分布式系統(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)定了消息域和內容的具體格式，并且描述了控制器訪問其他設備的具體過程以及與其他設備之間的應答、錯誤識別以及數(shù)據(jù)的存儲，因此通過此協(xié)議可以使控制器與其他設備進行良好的通信[4]。

2.2 溫濕度傳感器相關行能分析

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

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

(1)

C1、C2、C3是式(1)的濕度補償系數(shù)，芯片的手冊里有詳細的介紹，根據(jù)SOrh的分辨率來選擇。通過式(2)可以計算出濕度的真實值：

RHtrue=(T℃-25)·(t1+t2.SORH)+RHlinear

(2)

2.3 無線模塊設計

485主機采用si4463進行數(shù)據(jù)的發(fā)送。si4463能在低電流情況下進行高性能的數(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)準確無誤地傳輸，同時實現(xiàn)了極低的活動和休眠電流消耗。

2.4CRC效驗

為了避免外界的干擾，保證數(shù)據(jù)的準確傳輸，采集端先將采集到的數(shù)據(jù)進行CRC效驗，這里采用的是CRC8效驗方式，其多項式為X9+X5+X4+1,對應的二進制為0x31，最終生成一個字節(jié)的效驗碼[5]。

2.5 對系統(tǒng)低功耗的研究設計

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

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

圖2 Si4463流程圖

初始化后的任務是將數(shù)據(jù)傳送至TXFIFO，并且使能發(fā)送功能。在接下來的過程中由si4463自動完成發(fā)送。發(fā)送成功后會產(chǎn)生中斷信號或把中斷狀態(tài)寄存器進行置位。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實現(xiàn)相應的功能。具體流程如圖2所示。

2.6 煙霧傳感器

本系統(tǒng)的煙霧報警設計采用的是MQ-2煙霧傳感器。MQ-2煙霧傳感器中有一個門檻電壓，是其內的輸出腳輸出到比較器的隨煙霧濃度變化的直流信號形成的。當煙霧濃度過高，輸出了高于門檻電壓的電壓時，使比較器輸出低電平(0V)，LED就會亮并發(fā)出報警提示。與此同時，當煙霧濃度過低時，輸出低于門檻電壓的電壓，比較器翻轉輸出高電平(Vcc)，此時LED熄滅，不報警[7]。

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件由下位機軟件和上位機軟件組成，每個模塊實現(xiàn)相應的功能。下位機主要完成數(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。上位機軟件通過C#語言來編寫，采用VisualStudio2010開發(fā)工具，主要實現(xiàn)了4個方面的內容，分別是基本設置、時間窗口、命令發(fā)送和顯示方式，這4個部分相互獨立。

4 測試與分析

在溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)的各硬件電路模板和上位機軟件設計好之后，還需要測試和分析相應數(shù)據(jù)才能完成整個系統(tǒng)的要求。

4.1 溫室度測量

在曲房溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設計過程中遵循簡單、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)境可以通過系統(tǒng)自動地進行連續(xù)不斷的監(jiān)測并記錄檢測數(shù)據(jù)。對系統(tǒng)采集的溫濕度數(shù)據(jù)進行了保存，結果如圖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

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

5 數(shù)據(jù)采集算法的實現(xiàn)

在該設計中采用了均值漂移算法與粒子濾波相結合的方法。通過粒子權重的比較，將粒子權重小的粒子剔除，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到預期的狀態(tài)，減少了計算量，提高了跟蹤效率。測試結果如圖4所示。結果表明，本文算法效率高、實時性強和準確性高。將粒子濾波算法與本文算法進行比較，結果如表1所示。

圖4 目標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)/個計算時間/ms效率/%粒子濾波5003004173660本文算法500604107092

6 結論

本系統(tǒng)在設計中接入10 個下位機,組成小型全方位監(jiān)控系統(tǒng),以達到對酒曲房的實時、高效、準確的監(jiān)控與自動報警。實驗表明，系統(tǒng)通信穩(wěn)定，數(shù)據(jù)傳輸可靠，使用方便且布局簡單，可以應用于其他領域的監(jiān)控。

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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)的設計與實現(xiàn)[J].微型機與應用，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：無線通信及移動互聯(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)與移動通信中的關鍵技術，現(xiàn)代通信和電子技術在軍用和民用產(chǎn)品中的應用和開發(fā)。