基于以太网的军械仓库温湿度监控系统

刘海光，王桂芹，张本生

(海军潜艇学院，山东 青岛 266071)

目前各军械仓库对温湿度的监控还是采用人工检测和控制，此方法检测速度慢，而且精度低，效率低，劳动时间长，控制措施滞后。近几年，特别是大量新型武器装备后，由温度、湿度等环境问题给装备造成的损失逐年上升。目前有很多单位拥有多个库房且分布于不同的地点，需要监测温湿度的地点也大多是分散的，不利于温湿度的统一监控;尤其是近年来技术阵地不断扩大，传统的监控方法已经远远不能满足实际需要，急需建立一种管理科学、操作简便、运行可靠的高效率温湿度监控系统。

目前针对温湿度的监控系统虽然已经有很多［1-2］，但适合于军事库房及洞库的大型远程有线网络监控系统的还没有。本文所建立的系统将信息采集、传输、处理等多种信息技术相互融合，将参数监测和单片机控制理论相结合，提出了一种切实可行的远程有线监测系统，该测控系统实用性强，实时性好，数据传输效率高，可靠性好。不仅可以应用于军械仓库温湿度监控管理，而且可推广到其他监控领域，具有广泛的应用前景。

1 系统结构

基于分布式控制系统(distributed control system，DCS)的思想，系统设计为测控中心、测控站和控制器3 级控制体系，其结构如图1 所示。测控中心布置于专门的监控室，以实现数据的实时监控，测控中心不仅可以显示每一个测控站点实时温湿度信息，还可以对测控站的运行状态进行监控并设置其运行参数，为解决远距离通讯，测控中心采用高速以太网与测控站进行实时通讯;测控站布置于监控现场，温度和湿度的测量通过传感器在测控站完成，测控站将温湿度信息及时上传测控中心，并适时启动温湿度控制器对环境的温度及湿度进行控制;温湿控制器由测控站进行直接控制。

图1 系统结构

2 系统硬件设计

2.1 测控中心

控制中心集计算机技术、信号处理技术、测量控制技术、通讯网络技术、图形显示技术及人机接口技术于一体，它对测控站进行集中监测、操作、管理和分布式控制。测控中心采用最新的嵌入式微机、外置人机接口，大尺寸液晶显示器设计为壁挂式，以方便观看。控制中心采用虚拟仪器技术来开发，利用软件就是仪器的思想，充分挖掘PC 机强大的信息处理及图文显示能力。

2.2 测控站设计

测控站采用Atmel 公司AVI 单片机系统来构建［3］，其组成如图2 所示。系统由温湿度传感器、报警电路、LED 显示电路、ATmegal28 单片机、通讯模块、继电器等部分组成。

1)MCU

MCU 采用高档8 位单片机ATMegal28，其晶体振荡频率可实现与计算机间的精确通信，它具有128 kB 的系统内可编程Flash，4 kB 的SRAM 和4 kB 的E2PROM。由于其存储器空间较大，故不需外接存储单元就可以满足LED 显示和TCP/IP 数据帧的存储需要［4］。

图2 测控站组成框图

2)传感器

为提高测控站的集成性，温湿度传感器采用高度集成的温湿度传感器芯片SHT75，它采用CMOSens 技术，它具有很高可靠性与稳定性。可测量相对湿度、温度和露点，可实现自数字式输出和动校准，传感器将温/湿度传感器、放大器、A/D 转换器和串行接口电路集成在一个芯片上，并在精确的湿度腔室中进行标定，以冷凝式湿度计为参照，输出标定的数字信号。采用铜烧结网的防护探头封装，不但具有防尘、防水、耐压和耐损的功能，而且更换方便。采用两线串行总线与MCU 进行数据通信，由MCU 完成非线性补偿和温度补偿。

SHT75 与控制器MCU 的连接是通过ATmegal28 的2 个I/O 分别与传感器的DATA 引脚和SCK 引脚相连，来实现通讯及数据的传输，连接示意图如图3 所示。Vdd 与3.3V 电压相连。为避免信号冲突，控制器应仅驱动DATA 引脚在低电平，在I /O 电路中，DATA 引脚被上拉电阻提至高电平。

图3 SHT75 与ATmegal28 的连接示意图

3)通讯模块

通讯选用ENC28J60 以太网接口模块，该模块体积小，传输速率高;它是带有SPI 接口的独立以太网控制器，SPI 接口最高速度可达10MB/S;具有兼容IEEE 802.3，集成MAC 和10BASE-T，支持全双工模式，内含8 kB 收发数据包双端口SRAM，可实现硬件管理的循环接收FIFO，硬件支持IP 校验和计算等多方面的优点，可完全满足对温湿度实时监测的要求［5］。

MCU 和ENC28J60 以太网控制芯片通过SPI 接口进行通信，在具体配置中，MCU 配置为主机模式，ENC28J60 为从设备。MCU 的SPI 工 作 模 式 由CPOL、CPHA 设 置，根 据ENC28J60 的SPI 读写时序，MCU 的SPI 工作模式应设置为模式0。MCU 通过将ENC28J60 的CS 引脚置低并保证与其同步。写入到SPI 发送缓存的数据启动SPI 时钟，寄存器SPCR 的DORD 位控制SPI MOSI 上的数据发送秩序，置位时数据的最低位先发送，否则数据的最高位先发送。此方案选择先发送最高位，同时接收到的数据传送到接收缓存，MCU进行右对齐并从接收缓存中读取接收数据。

ENC28J60 接口模块通过网线接口、交换机等网络设备接入网络，在程序配置、控制下与以太网络进行数据帧交换，与测控中心进行基于TCP/IP 网络协议的数据传输。

4)LED 显示

LED 显示由一片SN74LS145N 芯片驱动10 个LED 数码管组成显示模块来同步显示温度值、湿度值与当前时间。具体实现是定时器每定时到2.5 ms 在中断中不断刷新这10 个LED 数码管，便可以同步显示温度值、湿度值与当前时间。

3 软件设计

3.1 测控站软件

测控站软件采用C 语言设计，软件接口有良好的在线交互功能，可在线随时设置时间校正值、温湿度上下限值、采样间隔时间值、温湿度校正值并将这些数据进行存储，可在线提取当前温湿度数据和测控站状态等数据。通过LED 数码管同步显示当前时间、温度、湿度，并根据已设置好的温湿度上下限值来确定是否驱动蜂鸣器报警且控制温度控制器、湿度控制器工作进行温湿度控制。软件流程如图4 所示。

图4 测控站控制流程

3.2 控制中心软件

控制中心程序采用美国NI 公司的图形化编程语言LabVIEW8.2编写［6］，按照功能模块可分为:网络通信模块、数据解析模块、温湿度数据存储和显示模块等，系统总体界面如图5 所示。

图5 测控中心主界面

在图6 所示的程序框图中，首先打开TCP 连接，然后进行接收扫描和发送扫描，如果有数据放入待发送区，则进行发送数据，并把数据写入发送数据缓冲区。同样扫描到有数据要接收，则进行数据接收，并把数据放入接收数据缓冲区，这样，就可以对下位机系统进行控制，并对下位机发来的数据存入接收区，进行数据处理。

图6 网络连接程序框图

4 结束语

该系统以温湿度为主要参数，基于以太网接口模块，实现了测控站与测控中心进行远程有线数据传输的温湿度监测，采用AVR 单片机和数字温湿度传感器进行通信，单片机控制系统与远端控制中心进行高速通信，实验运行情况表明，系统数据分析处理方便，界面友好美观，控制精度高，实现了温湿度的实时监控，应用该系统可降低由于温湿度异常对装备造成的危害，节约了人工，可以显著提高军械仓库装备保障水平。该系统除用于温湿度监测外，在系统单片机外围接入控制电路、其他性能的传感器甚至摄像头等，还可以实现多种其他特殊需要的远程监测及控制，如电压监测、视频监控等，具有十分广阔的应用前景和显著的经济效益。

［1］王文成，常发亮.温室大棚温湿度无线测控系统［J］.仪器仪表与传感器，2011(3):98-100.

［2］施云波，周磊，修德斌，等.基于GSM 的温湿度环境参数远程无线监测系统［J］.传感器与微系统，2010(4):96-98.

［3］陈赜.ARM 嵌入式技术实践教程［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2005:189-203.

［4］查明华.ATMEGAl28 新型微控制器及应用［J］.工业控制计算机，2002，15(10):57-58.

［5］周晓阳，程红，张晓媛.新型以太网控制器ENC28J60 及其接口技术［J］.单片机与嵌入式系统应用，2006(8).

［6］侯国屏，王坤，叶齐鑫，等.LabVIEW 编程与虚拟仪器设计［M］.北京:清华大学出版社，2005.