曲房温湿度智能监控系统的设计与实现

黄奥云，高瑜翔

(成都信息工程大学 通信工程学院，四川 成都 610225)

曲房温湿度智能监控系统的设计与实现

黄奥云，高瑜翔

(成都信息工程大学 通信工程学院，四川 成都 610225)

针对酒曲房中布线繁琐、成本高、测量精度差等问题,提出了酒曲房智能温湿度监控系统。该设计将硬件系统与软件系统相结合，硬件系统由采集端、无线中继、主机组成，实现数据采集和自动预警；为了使系统能协调运行，软件系统的控制由C#语言编写。实验表明，该系统具有成本低、功耗小、可靠性强等优点。

无线通信； 温湿度；低功耗；智能

0 引言

智能监控具有广泛的应用前景和潜在的经济价值，从而激发了国内外广大科研工作者及相关人士的浓厚兴趣，尤其在美国、英国等国家已经开展了大量相关项目的研究。在我国，这方面的研究近几年才开展起来。中国科学院自动化研究所模式识别国家重点实验室己经成立智能视觉监控研究组，研究表明，酒曲房内的温湿度会随着酒曲的发酵而产生强烈的变化[1]。人工手动检测酒曲房的温湿度不仅效率低下，而且存在很大的误差，不能及时准确地反映出当前数据。采用有线设备进行检测的缺点在于布线繁琐，而且需要投入一定的人力。基于上述原因，提出一种无线智能监控系统。系统采用SHT10来采集温湿度，具有测量精度高、抗干扰能力强的优点。根据采集温湿度的设定值来做出智能报警措施，采用si4463无线收发芯片来传输采集到的温湿度，利用其低功耗特点[2]可大大降低系统的功耗。

1 曲房温湿度监控系统方案

该系统由软件系统和硬件系统组成。其中硬件系统由RS-485接口、温度湿度检测电路、无线数据收发电路、自动报警电路等构成。各温度和湿度传感器分别将检测到的温度和湿度通过485总线传输给485主机，485主机再将数据打包，通过si4463无线传输到STM32单片机进行数据分析处理。当上位机访问下位机时,系统根据上位机的命令实时传回所需数据[3]。温湿度各节点的数据由上位机进行记录和存储,软件则是在PC终端或移动客服端上。其结构图如图1所示。

图1 系统结构图

2 系统硬件设计

2.1 主控电路设计

硬件系统的主控芯片采用的是STM32F103系列芯片。采集端与接收主机之间的通信方式采用RS-485串行总线。采用平衡发送和差分接收是RS-485的最大特点，因此这种方式具有非常强的抗干扰能力。RS-485的数据最高传输速率为10Mb/s。应用RS-485 可以联网构成分布式系统。根据接收器输入阻抗，从而确定RS-485的节点数。

本系统中，RS-485的通信采用ModBus协议。该协议规定了消息域和内容的具体格式，并且描述了控制器访问其他设备的具体过程以及与其他设备之间的应答、错误识别以及数据的存储，因此通过此协议可以使控制器与其他设备进行良好的通信[4]。

2.2 温湿度传感器相关行能分析

本系统采用高精度温湿度传感器SHT10在采集端对温湿度进行采集。SHT10由一个测湿敏感元件和一个测温元件组成，并与一个14位A/D转换器以及串行接口电路连接。其湿度测量范围为0～100%RH，温度测量范围为-40℃～+123.8℃，湿度测量精度为±4.5%RH、温度测量精度为±0.5℃。

根据芯片的数据手册，读出的相对湿度是非线性的，为了补偿非线性，可以用式(1)调整湿度的非线性。

(1)

C1、C2、C3是式(1)的湿度补偿系数，芯片的手册里有详细的介绍，根据SOrh的分辨率来选择。通过式(2)可以计算出湿度的真实值：

RHtrue=(T℃-25)·(t1+t2.SORH)+RHlinear

(2)

2.3 无线模块设计

485主机采用si4463进行数据的发送。si4463能在低电流情况下进行高性能的数据收发功能，si4463的频率范围是119MHz～1 050MHz。si4463器件的灵敏度为-126dBm，因此可以保证数据准确无误地传输，同时实现了极低的活动和休眠电流消耗。

2.4CRC效验

为了避免外界的干扰，保证数据的准确传输，采集端先将采集到的数据进行CRC效验，这里采用的是CRC8效验方式，其多项式为X9+X5+X4+1,对应的二进制为0x31，最终生成一个字节的效验码[5]。

2.5 对系统低功耗的研究设计

si4463低功耗有两种方式：休眠模式以及关断模式，两者的功耗分别为30nA和50nA。

寄存器的状态是休眠模式与关断模式之间的主要区别，休眠模式的优点是关断寄存器后数据可以保持，而关断模式在关断寄存器后所有数据丢失，不仅如此，重新上电还需要初始化。本设计采用休眠模式来实现低功耗的设计，si4463芯片里包好了一个集成的唤醒定时器，它的作用是将芯片周期性地从睡眠模式唤醒，唤醒定时器既可以运行在内部的32kHzRC振荡器,也可以运行在32kHz外部晶振。当处于睡眠状态时，唤醒定时器可以被配置为运行。当GLOBAL_WUT_CONFIG属性WUT_EN= 1，进入睡眠模式之前，由GLOBAL_WUT_RandGLOBAL_WUT_M定义，唤醒计时器将计数指定的时间。在这一次周期到时，使能INT_CTL_CHIP_ENABLE产生中断，然后微控制器需要验证中断通过读取芯片中断通过GET_INT_STATUS或快速响应状态寄存器验证中断[6]。计算唤醒公式如下：

图2 Si4463流程图

初始化后的任务是将数据传送至TXFIFO，并且使能发送功能。在接下来的过程中由si4463自动完成发送。发送成功后会产生中断信号或把中断状态寄存器进行置位。由上可知，该系统可以采用查询方式或中断方式编写程序实现相应的功能。具体流程如图2所示。

2.6 烟雾传感器

本系统的烟雾报警设计采用的是MQ-2烟雾传感器。MQ-2烟雾传感器中有一个门槛电压，是其内的输出脚输出到比较器的随烟雾浓度变化的直流信号形成的。当烟雾浓度过高，输出了高于门槛电压的电压时，使比较器输出低电平(0V)，LED就会亮并发出报警提示。与此同时，当烟雾浓度过低时，输出低于门槛电压的电压，比较器翻转输出高电平(Vcc)，此时LED熄灭，不报警[7]。

3 系统软件设计

系统软件由下位机软件和上位机软件组成，每个模块实现相应的功能。下位机主要完成数据采集与发送，包括温湿度的采集，打包处理、发送，以及异常处理。上位机软件通过C#语言来编写，采用VisualStudio2010开发工具，主要实现了4个方面的内容，分别是基本设置、时间窗口、命令发送和显示方式，这4个部分相互独立。

4 测试与分析

在温湿度监测系统的各硬件电路模板和上位机软件设计好之后，还需要测试和分析相应数据才能完成整个系统的要求。

4.1 温室度测量

在曲房温湿度监测系统设计过程中遵循简单、稳定和高效的原则，最大限度地提高系统的性能。曲房中的温湿度环境可以通过系统自动地进行连续不断的监测并记录检测数据。对系统采集的温湿度数据进行了保存，结果如图3所示。

图3 数据保存界面

获取湿度的曲线图和获取温度的曲线图一样，这里不再赘述。

4.2 数据分析

通过图3可以看出，系统不间断地获取到了特定目标的温湿度数据，并将数据存入SQLServer数据库，温度和湿度数据没有出现误码，无线通信取得了良好的效果。

5 数据采集算法的实现

在该设计中采用了均值漂移算法与粒子滤波相结合的方法。通过粒子权重的比较，将粒子权重小的粒子剔除，采用均值漂移算法聚类粒子，从而可以使用很少的粒子就能达到预期的状态，减少了计算量，提高了跟踪效率。测试结果如图4所示。结果表明，本文算法效率高、实时性强和准确性高。将粒子滤波算法与本文算法进行比较，结果如表1所示。

图4 目标的颜色模型的累积分布函数图

总帧数/帧所需粒子数/个计算时间/ms效率/%粒子滤波5003004173660本文算法500604107092

6 结论

本系统在设计中接入10 个下位机,组成小型全方位监控系统,以达到对酒曲房的实时、高效、准确的监控与自动报警。实验表明，系统通信稳定，数据传输可靠，使用方便且布局简单，可以应用于其他领域的监控。

[1] 袁江，曹金伟，邱自学，等.基于的粮库温湿度无线监测系统[J]. 自动化与仪表,2011,26(2):21-22.

[2] 王建校,杨建国.51系列单片机及C51程序设计[M].北京:科学出版社,2002.

[3] 娄国强，徐元，刘吉星.基于ZigBee技术的温湿度监测系统设计[J].可编程控制器与工厂自动化,2010(6):89-91

[4] 李天平.项目中的.NET[M].北京:电子工业出版社，2012.

[6] 李永成，凌青，吴刚，等.基于ZigBee的温湿度数据无线采集监控系统设计[J]. 微型机与应用,2012,31(7):61-67.

[5] 卜艳茹，程海，翟淑霞，等.基于JN5168的温室监控系统设计[J].中国农机化学报，2014,35(4):208-211.

[7] 曹圆圆.基于STM32的温度测量系统[J].仪器仪表与分析检测，2010(1):16-18.

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

黄奥云，高瑜翔. 曲房温湿度智能监控系统的设计与实现[J].微型机与应用，2016,35(22)：95-97.

2016-06-29)

黄奥云(1992-)，通信作者，男，硕士研究生，主要研究方向：无线通信及移动互联网。E-mail:544300473@qq.com。

高瑜翔(1970-)，男，博士，教授，主要研究方向:通信系统与移动通信中的关键技术，现代通信和电子技术在军用和民用产品中的应用和开发。