基于MSP430和GSM的纺织厂空调集中实时监控装置

赵方　王晓峰

摘要：针对当前纺织厂空调控制设备基本不能实现远程集中监控，控制器成本高的现状，设计了成本低廉、能实现远程集中监控的纺织厂温湿度自动控制及远程实时监控装置。装置采用MSP430单片机作为核心控制器，能对车间温度、湿度自动调节，能现场实时显示温、湿度实际值并能通过GSM网络将现场环境参数发送至监控中心上位机。当控制器自动调节不成功时，控制器发出声光报警同时自动启动GSM模块将报警信息发送至监控中心上位机软件提示，并发送至值班员手机，实现了双重保险，节省了大量人力、物力。本装置布线简单，无线通讯不受距离的限制，监控软件人机界面友好，具有广泛的应用前景。

关键词：MSP430单片机；GSM无线通讯；纺织厂空调；远程监控

中图分类号：TP277

文献标志码：B

文章编号：1009-265X（2017）02-0067-05

Abstract：For the current situation that airconditioning control equipment in textile mill basically cannot realize remote centralized monitoring and controller cost is high， this paper designs automatic temperature and humidity control and remote realtime monitoring device with low cost which can realize remote centralized monitoring. With MSP430 singlechip as core controller， the device can automatically adjust workshop temperature and humidity， display actual value of temperature and humidity on site in real time and transmit site environmental parameters to upper computer in monitoring center through GSM network. When automatic adjustment of controller fails， controller will make soundlight alarm and meanwhile automatically activate GSM module to transmit alarm information to software prompt of upper computer in monitoring center and the mobile phone of person on duty， thus realizing double insurance and saving a lot of manpower and material resources. This device has simple wiring， wireless communication without distance limit， friendly humancomputer interface of monitoring software and wide application prospect.

Key words：MSP430 singlechip； GSM wireless communication； airconditioning of textile mill； remote monitoring

紡织厂空调是随着纺织工业的发展而逐步建立起来的，纺织厂空调的作用有两个：一是满足生产工艺所要求的温、湿度条件；二是改善劳动条件，保护职工健康，提高劳动生产率。在纺织品的生产过程中，纺织车间的空气温度、湿度是影响产品质量的关键因素[12]。因此，严格控制纺织车间空气温度、湿度是保证产品质量和工作效率的关键。纺织车间的相对湿度波动范围不能超过±5%，温度在20～31℃，否则将影响产品的质量和工作效率。传统的纺织厂车间温、湿度的控制虽然也实现了自动控制，但是存在控制精度低、故障率高，对控制设备的配置和故障诊断主要靠工人定期到工作现场检查，不能及时检测、发现实际存在的隐患。另外，现有的纺织厂车间空调的自动控制大都采用价格昂贵的PLC作为主控制器。根据纺织厂控制设备分布区域广的特点，本设计基于GSM无线通讯网络和价格低廉的MSP430单片机设计了能够对大范围内的控制设备实现集中实时监控的远程监控装置，该装置能实时监控生产现场的实时信息、远程调度、远程在线配置和故障诊断等功能。

1系统组成及工作原理

纺织厂空调远程实时监控装置由两部分组成：一是纺织车间空调的自动控制系统。二是纺织厂监控中心的计算机实时监控软件和值班员手机。根据纺织厂车间的规模以及实际需要，一个车间的空调的控制器可以有多个，其中一个控制器的系统组成框图如图1所示。纺织车间空调的自动控制器系统由MSP430单片机、温度传感器、湿度传感器、键盘、时钟、光电隔离模块、执行机构和TC35I模块组成，其主要功能是主控制器MSP430单片机接收来自温度、湿度传感器采集到的温、湿度实时信息，和其内部存储器事先设定的工艺要求值相比较，当车间温、湿度的实际值不在要求的范围内时，单片机发出控制指令控制外围的执行机构做温、湿度的自动调整。经过调整仍不能满足要求时系统发出报警信号，提示值班员检查故障。同时主控制器MSP430单片机启动和其相连的TC35I无线通讯模块将报警信息发送至上位机监控中心计算机软件和值班员手机。系统中LCD液晶显示的作用是实时显示车间的温、湿度信息。控制器键盘的作用是对纺织厂生产车间的温、湿度工艺参数进行设定。时钟为整个系统提供了时基。上位机监控中心实时监控软件采用VC++编写，主要功能是无线接收纺织车间控制器发来的温、湿度以及故障报警等实时信息并在计算机监控软件进行显示，同时对车间温、湿度工艺参数可以通过该软件实现远程设置。同时，车间的故障信息还可以发送至值班员手机，使值班员能够对车间故障及时做出处理，避免了不必要的损失，从而实现了双重保险。

值班员利用本设计开发的上位机监控软件，在值班室就能实时掌控所有车间的空调设备的实时工作情况，从而降低了维护费用和巡检人数，提高了管理效率，节省了生产成本。

2硬件选型及设计

2.1主控制器的選型

主控制器选择TI公司的16位超低功耗单片机MSP430F149单片机采集车间的温度、湿度等信息，该单片机具有丰富的外围模块，包含FLASH存储器，12位A/D，2个16位定时器，看门狗，最高频率可到8MHz的时钟模块2组，串口2个，10个并行I/O口，可稳定工作在—40～85 ℃工业环境中[3]。其内部预设了JTAG模块，具有完整的在线调试功能，内部的FLASH可以实现在线编程[4]。本设计选用MSP430F149单片机完全符合实际要求。

2.2温、湿度采集电路设计

温度传感器采用数字输出的温度传感器DS18B20，具有宽的电压工作范围：3.0～5.5 V；单线接口，只需一根线控制器连接即可实现传感器与单片机之间的双向通讯；支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，方便的实现多点测温；使用时不需要任何外围电路，测温范围在-55～125 ℃，通过编程可设置分辨率为9～12位，模数转换速度快可在93.75 s～750 ms内把温度转换为数字量，具有极强的抗干扰纠错能力[5]。

根据实际需要可以在纺织车间用多个DS18B20温度传感器设置多个测温点，但这多个测温点数据只需要占用单片机的一个I/O口，当多个传感器并联使用同一根I/O口线时，采用74LS245双向驱动器来提高单片机I/O口的驱动能力，一根I/O口可带64个DS18B20，温、湿度测量电路图如图2所示，图2只画出一根I/O口的连接。

湿度传感器采用模拟式的HM1500集成传感器，输出信号是1～4 V的电压，相对湿度测量范围是0～100%，精度为±3%，灵敏度为25 mV/%RH，温度系数为0.1%RH/℃，5VDC供电，浸水无影响，互换性好，可靠性高，飘移小，输入和输出之间为线性关系，响应速度快、重复性好，抗污染能力强。带防护棒式封装，共有3根引线：蓝色线接电源正极、白色线接地、黄色线接输出。其输入与输出之间的关系为[6]：UO=1.079+0.568RH。湿度传感器的输出直接送入单片机内部的A/D转换电路进行A/D转换。

2.3键盘、报警、显示电路设计

车间控制器键盘的主要作用是对温度、湿度根据不同工艺的要求进行设定，由于需要设定的参数不多且并不复杂，采用了独立式键盘，有“加”、“减”、“设置”、“确认”四个键。显示器的作用是实时显示现场的实际温度和湿度以及报警信息，选择性价比较高的LCD12864液晶显示器作为系统的显示器件。系统时钟采用常用的性价比高的DS1302时钟芯片作为系统的时钟，并设计了纽扣电池供电和电源供电两种方式的自动切换，实现了不间断计时，主要为系统提供时钟。报警电路的功能是提醒值班员故障情况的发生，采用了声光报警的方式进行提示。电路图如图3所示。

2.4无线通信电路设计

本设计采用不受时间、空间、距离限制的、开放的GSM无线移动通讯网络把纺织厂现场的温度、湿度、故障等信息传输给上位机监控软件。无线通讯GSM模块选择抗干扰能力强、经济实惠的TC35I，它是西门子的新一代无线通讯模块，可以传输数据、语音、短信息和传真，支持文本和PDU模式的短信息和传真，其工作电压是3.3～5.5 V，推荐值为4.2 V。TC35I模块通过ZIF连接器与单片机的RS232接口连接进行数据的传输。上位机计算机和TC35I模块通过ZIF连接器连接。TC35I模块可工作在900和1800双频段，它支持常用格式的短信息，可采用300 b/s～115 kb/s的通讯速率传输数据[78]。其通讯电路连接图如图4所示。

74F07模块的功能是把TTL电平转换为CMOS电平。无线通讯模块和监控中心计算机之间通过RS232串口进行连接[910]。利用计算机的串口电源为TC35I模块供电，线路连接简单、成本低，系统灵活。

3软件设计及模拟试验

本装置的软件设计包括车间的温、湿度自动控制控制器软件和监控中心的上位机监控软件。温湿度自动控制软件采用VC++编制，通用性强，易于移植改造、系统升级等。车间自动控制器软件的功能是实时采集车间的温度、湿度信息，并和设定值比较，当温度或者湿度实际值不在设定值的范围内时，单片机自动做出控制决策，驱动外部执行机构做出相应的自动调节。根据实际需要可以设定固定的时间通过GSM无线通讯将车间的温度、湿度信息发送至监控中心上位机进行显示，因此，一般情况下仅需一名值班员就可以实时监视所有车间的环境情况。自动调节不成功时发出报警信号，同时控制器自动启动TC35I，将报警信号传输至值班员手机和监控软件显示具体报警信息，以便值班员针对报警的位置第一时间做出应对措施。控制器软件主要包括各I/O口的初始化，各子程序初始化，温、湿度采集及处理子程序，GSM通讯子程序，显示和报警等子程序模块。图5是本设计的主程序流程图。

监控中心上位机软件采用VC++编制，设有数据库、系统配置、远程温湿度设定、检测点选择，监测点温湿度显示及查询、故障位置提示等功能，界面友好，易于操作、观察和升级。

本装置在实验室进行了反复模拟试验，设置了2个监测点，分步骤进行试验。

第一步将1号监测点温度参数设定为20～31 ℃，人为改变温度值分别为16 ℃、33 ℃，控制装置都会启动相应控制继电器开始工作，人为使之调节不成功，系统发出报警信号，同时上位机均接收到了具体报警信息；

第二步将2号监测点相对湿度设定在50%～85%范围内，人为用加湿器使湿度超出上限，控制装置及时启动相应湿度控制继电器工作，人为使之调节不成功时系统发出报警，同时将报警具体信息发送到了监控中心；

第三步将自动上报温、湿度信息时间设定为10 min，每隔10 min控制装置就会将2个监測点的实时温度、湿度信息发送至上位机监控中心显示。其次进行综合实验，当2个监测点的温、湿度同时异常时均会自动调节。

4结论

试验表明本装置的控制器能对温度、湿度自动、实时调节，并能根据设定的时间间隔实时地将现场的温度、湿度等信息通过GSM网络发送至监控中心上位机显示。当自动调节不成功时，发出声光报警信号，同时启动GSM无线通讯将报警信息发送至监控中心上位机软件并提示报警，同时发送至值班员手机，从而使值班员能及时做出处理，避免了不必要的经济损失，实现了双重保险。本装置花费最少的人力、物力，实现了效益的最大化，有效的实现了纺织厂车间空调设备的自动控制及远程监控，控制器成本低廉、抗干扰性强，上位机监控软件人机界面友好，操作简单方便，在纺织厂温度、湿度的控制中具有广泛的应用前景。

参考文献：

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（责任编辑：许惠儿）