（计算机应用技术专业论文）基于以太网的分布式温湿度智能监控系统.pdf

基于以太网的分布式温湿度智能监控系统 摘要 传统的基于r s 4 8 5 总线的温湿度监控系统命线繁琐、传输距离受限。现在有 很多大型企事业单位拥有多个库房或档案馆分布在不同的地点、大型建筑工地需 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；另外，食品、 药品等在运输过程中需要实时监控温湿度并与库房中央监控系统实时通信。如何 利用己得到广泛应用的以太网改造传统的基于r s 4 8 5 总线的温湿度监控系统，以 组建大范围远程分布式温湿度监控系统成为一个迫切需要解决的课题。 在此，本文提出了一种便于安装、不必重新布线、基于现有以太网的远程分 布式温湿度智能监控系统，文中详细介绍了系统的整体组成结构和工作原理。该 系统采用了模块化设计，可以稍加裁剪改造为适于多种不同场合的多地点分布式 远程温湿度智能监控系统。 本温湿度监控仪底层软件接口有良好的在线交互功能，利用中断可在线随时 设置时间校正值、温湿度上下限值、采样间隔时问值、温湿度校正值并将这些数 据存到外存中：可在线提取当前温湿度数据和温湿度仪状态等数据：并可由相应 指令提取根据采样间隔已存在外存中的历史温湿度数据。通过点亮l e d 数码管同 步显示当j ； 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 动蜂鸣器报警且自动进行温湿度控制调节。 本文主要做了如下工作：绪论部分扼要介绍了课题的研究背景、发展现状与 研究意义；分布式温湿度智能监控系统的硬件设计与实现部分包括系统的整体组 成结构和工作原理及具体温湿度监控仪的各个组成模块的设计与实现：温湿度监 控仪底层软件设计部分包括温湿度监控仪工作流程、数据格式和通信协议的设 计；p c 机管理软件设计部分介绍了管理软件的整体组成及各功能模块的设计； 最后是文章的总结与展望。 关键词：温湿度监控；远程控制；以太网；分布式 d i s t r i b u t e da n di n t e iii g e n tt e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t y m o nit o rs y s t e mb a s e do ne t h e r n e t a b s t r a c t t h et r a d i t i o n a lt e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t ym o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do nt h er s 4 8 5 b u sh a sa c o m p l i c a t e dr o u t i n ga n dl i m i t e dt r a n s m i s s i o nd i s t a n c e n o w a d a y s ，t h e r ea r e al o to fl a r g ee n t e r p r i s e sw h i c hh a v em u c hm o r ew a r e h o u s e so rt h ea r c h i v e sl o c a t e di n d i f f e r e n tl o c a t i o n sa n dl a r g eb u i l d i n g s w en e e dt om o n i t o rt h et e m p e r a t u r ea n d h u m i d i t yo ft h e s ep l a c e sw h i c hw e r ea tv e r ys c a t t e r e dl o c a t i o n s i ti sv e r yd i f f i c u l tf o r u st om a n a g et h et e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t yi nau n i f i e dm a n n e r i na d d i t i o n ，d u r i n g t h et r a n s m i s s i o no ff o o d ，m e d i c i n ea n do t h e r n e e d s ，r e a l - t i m em o n i t o r i n go f t e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t yc o n t r o ls y s t e m sc o m m u n i c a t i o nw i t ht h et r e a s u r yc e n t r a l m o n i t o r i n gs y s t e ma r en e e d e d e t h e m e th a sb e e nw i d e l yu s e di nr e a ll i f e ，a n dh o wt o u s ei tt ot r a n s f o r mt h et e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t yc o n t r o ls y s t e m sb a s e do nt h er s 4 8 5 f o rt h ef o r m a t i o no fl a r g e - s c a l er e m o t ed i s t r i b u t e dt e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t yc o n t r o l s y s t e mh a sb e c o m ea nu r g e n tp r o b l e m i nt h i s p a p e r , w ed e s i g nar e m o t ed i s t r i b u t e di n t e l l i g e n tt e m p e r a t u r ea n d h u m i d i t yc o n t r o ls y s t e mb a s e do nt h ee x i s t i n ge t h e m e t t h i ss y s t e mi se a s yt oi n s t a l l ， n or e 。r o u t i n g t h i sp a p e rd e s c r i b e si nd e t a i lt h es t r u c t u r ea n dw o r k i n g p r i n c i p l eo ft h e o v e r a l ls y s t e m t h es y s t e mu s e sam o d u l a rd e s i g na n di tc a nb et r a n s f o r m e da l i t t l e ， t h e ni tw i l lb eu s e di nd i f f e r e n ts u i t a b l ea n dm o r el o c a t i o n sf o rad i s t r i b u t e di n t e l l i g e n t r e m o t et e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t yc o n t r o ls y s t e m t h es o f t w a r eo ft h et e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t ym o n i t o rh a sag o o do n l i n e i n t e r a c t i v ef u n c t i o n t h ei n t e r r u p t e dc a nb eu s e dt os e tt i m ec o r r e c t e dv a l u e ， t e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t yu pa n dd o w nl i m i t s ，s a m p l i n gi m e r v a lv a l u ea n d t e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t yc o r r e c t e dv a l u e ，t h e nt h e s ed a t aw e r eu p l o a d e dt od i s k i t c a nr e t r i e v et h ed a t ao f p r e s e n tt e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t ya n dt h em o n i t o r ss t a t e a n d t h ec o r r e s p o n d i n gi n s t r u c t i o n sc a ne x t r a c tf r o mt h ee x i s t i n gh i s t o r yt e m p e r a t u r ea n d h u m i d i t yd a t ao fd i s ka c c o r d i n gt ot h es a m p l i n gi n t e r v a l l e ds y n c h r o n o u sd i s p l a y t h ec u r r e n tt i m e ，t e m p e r a t u r e ，h u m i d i t y ，a n da c c o r d i n gt ot h eu p p e ro rl o w e rl i m i to f “ t h et e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t yv a l u ew h i c hh a sb e e ns e td e t e r m i n ew h e t h e rt od r i v e b u z z e ra l a r ma n d a u t o m a t i c a l l yr e g u l a t e st e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t y i nt h i sp a p e r , w eh a v ei n t r o d u c e dt h ef o l l o w i n gt o p i c s 1 1 1 ei n t r o d u c t i o nh a s d i s p l a y e dt h eb a c k g r o u n d ，d e v e l o p m e n ta n ds i g n i f i c a n c eo ft h er e s e a r c h t h eo v e r a l l s t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l eo f t h ed i s t r i b u t e di n t e l l i g e n tt e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t y m o n i t o rs y s t e ma n dt h es p e c i f i cm o d u l e sa n di m p l e m e n t a t i o no ft h et e m p e r a t u r ea n d h u m i d i t ym o n i t o ra r ei n t r o d u c e di nd e t a i l a tt h eb o t t o ms o f t w a r ed e s i g np a r to ft h e t e m p e r a t u r e a n d h u m i d i t y m o n i t o ri n c l u d e st h e w o r k f l o w ，d a t a f o r m a t sa n d c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l so ft h e t e m p e r a t u r e a n dh u m i d i t ym o n i t o rd e s i g n p c m a n a g e m e n ts o f t w a r ep a r ti n t r o d u c e st h eo v e r a l lm a n a g e m e n ts o f t w a r ec o m p o n e n t s a n dt h ef u n c t i o nm o d u l ed e s i g n a tl a s t ，w eh a v ep r e s e n t e ds u m m a r ya n do u t l o o ko f t h ea r t i c l e k e y w o r d ：t e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t yn l o n i t o t ，r e m o t ec o n t r o i ，e t h e r n e t ， d i s t r i b u t e d 独创声明 5 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含未获得! 注；垫丝直基丝盂要挂型主塑 数：奎拦丑窒2 或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研 究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文储签名寐农园 签字同期叼年i 月，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有 关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权学校可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印，缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名琢霞团 签字日期护7 年6 月6 同 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 。 导师签字： 粼绷 签字嗍砷年，月矽同 电话： 邮编： 基于以太嗍的分布a 温洱度智能盟控系统 1 1 概述 第1 章绪论 现在有很多大型企事业单位拥有多个库房或档案馆分布在不同的地点，大型 建筑工地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；另 外，食品、药品等在运输过程中需要实时监控温湿度并与库房中央监控系统实时 通信。传统的基于r s 4 8 5 总线的温湿度监控系统由于布线繁琐、传输距离受限， 已不能解决这些实际问题。如何利用已得到广泛应用的以太网改造传统的基于 r s 4 8 5 总线的温湿度监控系统，以组建大范围远程分稚式温湿度监控系统成为 一个迫切需要解决的课题。在此，本文提出了一种便于安装、不必重新布线、基 于现有以太网的远程分布式温湿度智能监控系统，文中详细介绍了系统的整体组 成结构和工作原理。该系统采用了模块化设计，可以稍加裁剪改造为适于多种不 同场合的多地点分布式远程温湿度智能监控系统。 1 2 课题研究背景 粮食是人类生存的必需品，温度与湿度是保存好粮食的先决条件，随着中国 加入w t o 和粮食市场的逐渐开放，储存大量的粮食对稳定国民经济的发展起到至 关重要的作用。同时，随着我国科技的快速发展和农业自动化程度的提高，粮仓 管理技术也将得到进一步改进。粮库一般较大，仓库库房数为数十个，测点可达 数千个。粮仓温度湿度测量方法以及相应的智能控制一直是粮食保存的一个重要 问题”1 。 档案的纸张在温湿度适宜的条件可以多存放一些时间，而一旦温湿度条件遭 到破坏纸张将要变脆，重要资料也将随之荡然无存，对档案馆进行温湿度记录是 必要的，可以预防恶性事故的发生。使用温湿度记录仪将使温湿度记录的工作得 以简化，也将节约文物保管的成本，使这一工作得以科学化，不受到过多的人为 因素的干扰。 在建材尤其是混凝土干燥过程中，我们应注意其干燥趋势，这是评价产品的 指标之一，也为建筑施工方提供了可靠的数据。应用温湿度记录仪可以将此数据 基于以太阳的分布j 温湿度智能j | f 拧系统 记录并提供给建材研究方，将为施工提供有益的帮助。尤其是在军事建筑中，时 间就是生命，准确把握混凝土干燥时间，为有效地将有生力量提供到战场上提供 了保证。 随着农业生产的发展，温室大棚种植越来越普及，现在无土栽培，节水灌溉， 工厂化养殖等在生产上得到前所未有的发展。为使农作物或蔬菜反季节生长，得 到较好的经济效益，需要对大棚内环境的温湿度进行控制和记录。 医院中药品、疫苗对温湿度的参量也有着严格的要求。 另外，食品、药品在运输过程中的温湿度监控也很重要。由于食品储运过程 时间并不是一个短期问题，但食品保存中的相对平衡湿度又是保证食品安全的一 项重要指标，相对平衡湿度直接影响菌落的生长。例如：在平衡相对湿度为9 5 r h 至9 1 r h 范围内，易于滋生的菌落为沙门氏菌、波林特菌、乳酸菌、霉菌和酵母 菌。而食物保存周期也与温度、平衡相对湿度有关，平衡相对湿度值为8 i r h 的 蛋糕，其保质期为2 7 时1 4 天、2 l 时2 4 天，如果平衡相对湿度提高到8 5 r h ， 这些指标将降低为2 7 时8 天、2 1 时1 2 天。吸湿物质的平衡相对湿度起到了 决定性作用。平衡相对湿度定义为物质与空气中水不进行交换情况下，由周围空 气获取的湿度值。这个定义很清楚，为了成功地储存和保持这些产品，环境气候 的控制及包装必须仔细指明。同时，很多食品的保存在过于干燥情况下，其口感 都会有些变坏。针对这种情况，要求实时记录温湿度变化，保证食品安全进入消 费者口中。当长途运输或者海运冷冻冷藏食品时，如何在接收时证明货物一直处 于规定的温湿度条件是件非常重要的事。解决争议的做法就是在发货的时候放入 货舱中一个记录仪，并启动它，温湿度记录仪有一个精密的内部时钟，忠实地记 录指定时间间隔的温湿度数据，在取出时可以容易地利用电脑察看图形文件及报 警值，判断是否超过容许值，什么时候及持续时间都能轻松获得，承运方是否有 责任也会立即知晓。”。 由此可见，温湿度监测在人们现实生活生产中应用已r 渐广泛，在仓库、食 品、医药、图书馆、档案馆、农业大棚、建筑工地等众多的应用场所，对温度、 湿度标准的要求都非常严格，因此能否有效对这些领域的温湿度数掘进行实时监 控是一个较重要的课题。 基于以太叫的分布止溢湿度智能临挡系统 1 3 国内外研究现状 对温度、湿度的监控最早只是采用人工的方式测量温湿度，由于人工读数的 人为误差因素等原因，这种方式不仅检测速度慢，而且精度低，抽样不科学，导 致这种测量温湿度的方式不仅效率低，劳动时间长，由于抽样的不具代表性使得 监测结果失去其原有的意义，而且不能及时根据实际情况及时控制温湿度。其应 用场所也有很大的局限性，工作人员不可能直接测量某些地下设施的表面温度； ， 工作人员如果直接去提取存有炸药、易燃物品等危险品仓库温湿度数据还要承担 一定的风险。 随着电子技术的高速发展，开始出现温度与湿度传感器代替原始的温度计与 湿度计，出现了以单片机为控制核心的监测系统，并可将结果显示在l e d 数码 管上，单片机可直接监测并控制温湿度。这种方式在很大程度上提高了工作效率， 并大大扩展了温湿度监控的应用范围。但其中所采用的温度、湿度传感器直接输 出为模拟电压信号，该信号在传输过程中易损耗，影响系统精度，且传输距离较 4 近，需要经过a d 转换芯片才能被单片机接收。每个测试点都需要各自独立的 信号线，为了实现多点监测不仅需要成百上千条信号线，还需要多路模拟转换开 关电路轮流对多个测试点进行连续监测，从而增加了整个系统的环节，使其难以 维护，价格昂贵。 近年来，随着大规模集成电路的发展，为了简化系统设计并降低成本，各科 研机构开始致力于相关领域的探索，使得温湿度数据监测数字化、网络化的实现 成为可能。 新研制的温度传感器采用了半导体集成电路与微控制器最新技术，在一个管 芯上集成了半导体温度检测芯片、数据信号转换芯片、计算机接口芯片，存储芯 片等，除完成温度检测功能外，还可完成预置范围温度、多路a d 转换、温度补 偿等功能。由于数字温度传感器直接传出数字量，从而解决了温度信号长距离传 输问题及传输过程中因干扰和衰减而导致的精度降低等问题。其中美国达拉斯半 导体公司推出了单总线接口协议，单总线技术与其它总线不同，它采用单根信号 线，既可传输时钟，又能传输数据，而且数据传输是双向的，因此单总线技术具 有线路简单，硬件开销少，成本低廉，便于总线扩展和维护等优点。该公司所提 筚十以太州的分布，温湿度智能雌拧系统 供的适用于单总线微网技术的单总线器件具有无需另附电源、在测试点直接将模 拟信号数字化等特点，一方面减少了系统环节，另一方面保证了系统的精度“1 。 新研制的h s l l 0 1 湿敏电容是一种在高分子薄膜上形成的电容。高分子薄膜 上的电极是很薄的会属微孔蒸发膜，水分子可通过两端的电极被高分子薄膜吸附 或释放，随着这种水分子的吸附或释放，高分子的介电系数将发生相应的变化。 由于介电系数随空气的相对湿度变化而变化，所以只要测定电容值就可得相对湿 度。h s l l 0 1 是基于独特工艺设计的固态聚合物结构，在电路中等效于个电容 器，其电容随所测空气的相对湿度增大而增大。具有极好的线性输出，将h s l l 0 1 置于振荡电路之中，将湿度的变化转换为与之成反比的振荡频率变化，从而可以 实现数字化测量。 随着计算机技术的飞速发展，温湿度计算机控制系统发展到了主机一终端模 式( h o s t t e r m i n a lm o d e ) ，该模式通过一个主机作为控制中心，负责对其它各 子系统进行控制管理，相对于以前只是采用单片机监控的方式有了长足的进步， 大大提高温湿度监控系统的适用范围和功能。但该种模式不灵活，投入较大，布 线困难，检测范围有限。现在有很多大型企事业单位拥有多个库房或档案馆分布 在不同的地点不利于温湿度的统一管理；另外，食品、药品等在运输过程中需要 实时监控温湿度并与库房中央监控系统实时通信。上述模式的温湿度监控系统由 于布线繁琐、传输距离受限，己不能解决这些实际问题。 目前分布式温湿度监控系统是主要发展方向。分仰式控制系统是利用计算机 技术对生产过程进行集中监测、操作、管理和分散控制的一种新型控制技术。是 由计算机技术、信号处理技术、测量控制技术、通讯网络技术、c 肼技术、图形 显示技术及人机接口技术相互渗透发展而产生的。d c s 既不同于分散的仪表控制， 又不同于集中式计算机控制系统，而是克服了二者的缺陷而集中了二者的优势。 分布式温湿度监控系统由许多分布的温湿度控制器( p r o g r a m m a b l e c o n t r o l l e r ) 组成，每一个控制器连接到中心监控计算机或称主处理器( h o s t p r o c e s s o r ) 上。由每个子处理器处理所采集的数据并进行实时控制，而由主处 理器存储和显示子处理器传送来的数据，主处理器可以向每个子处理器发送控制 设定值和其它控制参数。这样做的优点在于低故障率，故障影响面小，易于局部 独立控制”1 。 4 幕于以太州的分布式温徭度智能豁拄系统 近年来以太网技术取得了很大的进步，包括高速以太网和以太网交换机：高 速以太网极大地减少了数据传输的延迟；工业以太网交换机把控制网络分成若干 个相互独立的冲突域，不同冲突域之间的节点不会因竞争线路而发生碰撞，从而 提高了网络数据传输的可靠性和稳定性”】。因而有的学者探索了单纯的工业交换 式以太网( 没有串行线的数据转接) 的可行性”1 ，研究了以太网数据传输的实时性 “3 。因此，工业以太网代替传统的现场总线控制网络在工业控制中已成为一个技 术趋势”“。 1 4 本文的研究目的和意义 过去温湿度计算机控制系统基本上采用了主机一终端模式( h o s t t e 珈i n a l m o d e ) ，该模式通过一个主机作为控制中心，负责对其它各子系统进行控制管理， 该种模式不灵活，投入较大，布线困难，检测范围有限。现在有很多大型企事业 单位拥有多个库房或档案馆分布在不同的地点不利于温湿度的统一监控；另外， 食品、药品等在运输过程中需要实时监控温湿度并与库房中央监控系统实时通 信。传统的温湿度监控系统由于布线繁琐、传输距离受限，已不能解决这些实际 问题。 目前分布式系统是计算机控制系统的主要发展方向。所谓分布式温湿度监控 系统是指在整个系统中不存在一个所谓的中心处理系统，而是由许多分布的温湿 度控制器组成，每一个控制器连接到中心监控计算机或称主处理器( h o s t p r o c e s s o r ) 上。由每个子处理器处理所采集的数据并进行实时控制，而由主处 理器存储和显示子处理器传送来的数据，主处理器可以向每个子处理器发送控制 设定值和其它控制参数。这样做的优点在于低故障率，故障影响面小，易于局部 独立控制”3 。 本文目的是利用已得到广泛应用的以太网改造传统的基于r s 4 8 5 总线的温 湿度监控系统，提出一种大范围远程分布式温湿度监控系统。大大降低了劳动强 度，提高了管理水平，经济效益和社会效益都十分明显。本文所提出的系统采用 了模块化的设计方法，可稍加裁减改造为适应多种场合的远程分布式温湿度监控 系统。 幕十阻太1 卅的分布，温湿度智能临控系统 1 5 论文的结构 本文由5 章组成： 第l 章绪论。 对当前温湿度监控系统进行了总结，指出了传统的基于r s 4 8 5 总线的温湿度 监控系统存在的缺点和不足，在此基础上分析了课题产生的背景、国内外研究现 状、课题的研究目的和意义。 第2 章分行式温湿度智能监控系统的硬件设计与实现。 。 概述了分布式控制系统的发展现状；分布式温湿度智能监控系统的整体组成 结构设计及其工作原理；具体温湿度监控仪的组成与实现；m c u 模块、时钟模块、 测温度模块、测湿度模块、l e d 显示模块、外部存储模块、地址模块、通讯模块 等各部分模块的工作原理与实现。 第3 章温湿度监控仪底层软件设计 温湿度监控仪底层软件工作流程、数据格式、通信协议及控制策略的设计与 实现。 第4 章p c 机管理软件设计 p c 机管理软件的整体组成及各功能模块的设计。 第5 章本文的总结与展望。 6 苹于以太m 的分布，温湿度智能监挡系统 一 第2 章分布式温湿度智能监控系统的硬件设计与实现 2 1 分布式控制系统概述 d c s 是分布式控制系统的英文缩写( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) ，在国 内自控行业又称之为集散控制系统。d c s 是计算机技术、控制技术和网络技术高 度结合的产物。d c s 通常采用若干个控制器( 过程站) 对一个生产过程中的众多 控制点进行控制，各控制器间通过网络连接并可进行数据交换。操作采用计算机 操作站，通过网络与控制器连接，收集生产数据，传达操作指令。因此，d c s 的 主要特点归结为一句话就是：分散控制集中管理”3 。 分布式控制系统是利用计算机技术对生产过程进行集中监测、操作、管理和 分散控制的一种新型控制技术。是由计算机技术、信号处理技术、测量控制技术、 通讯网络技术、c r t 技术、图形显示技术及人机接口技术相互渗透发展而产生的。 d c s 既不同于分散的仪表控制，又不同于集中式计算机控制系统，而是克服了二 者的缺陷而集中了二者的优势。d e s 的结构是一个分布式、分支树状结构，按系 统结构进行垂直分解，它分为过程控制级和控制管理级，各级既相互独立又相互 联系，每一级又可水平分解成若干子集。从功能分散看，纵向分散意味着不同级 的不同功能，如实时控制、实时生产过程管理等，横向分则意味着同级设备具有 类似功能。 d c s 是采用标准化、模块化和系列化的设计，由过程控制级、控制管理级和 生产管理级组成的一个以通讯网络为纽带的集中显示而操作管理、控制相对分散 的实用系统。它具有如下特点： 自主性：系统上各工作站是通过网络接口连接起来的，各工作站独立自主地 完成自己的任务，且各站的容量可扩充，配套软件随时可组态加载，是一个能独 立运行的高可靠性子系统。 协调性：实时高可靠的工业控制局部网络使整个系统信号共享，各站之间从 总体功能及优化处理方面具有充分的协调性。 在线性与实时性：通过人机接口和i o 接口，对过程对象的数据进行实时采 集、分析、记录、监视、操作控制，可进行系统结构、组态回路的在线修改、局 部故障的在线维修。 幕十以太州的分布温湿度智能雌挖系统 高可靠性：高可靠性是d c s 的生命力所在，从结构上采用容错设计，使得在 任一个单元失效的情况下，仍然保持系统的完整性，即使全局性通信或管理失效， 局部站仍能维持工作。从硬件上包括操作站、控制站、通讯链路都采用双重化配 置。从软件上采用分段与模块化设计，积木式结构，采用程序卷回或指令复执的 容错设计。 适应性、灵活性和可扩充性：硬件和软件采用丌放式，标准化设计，系统积 木式结构，具有灵活的配置可适应不同用户的需要。工厂改变生产工艺、生产流 程时只需改变系统配置和控制方案，相应使用组念软件填一些表格即可实现。 友好性：d c s 软件面向工业控制技术人员、工艺技术人员和生产操作人员， 采用实用而简捷的人机会话系统，c r t 高分辨率交互图形显示，复合窗口技术， 画面丰富，纵观、控制、调整、趋势、流程图、回路一览、批量控制、计量报表、 操作指导画面、菜单功能等均具有实时性。平面密封式薄膜操作键盘、触摸式屏 幕、鼠标器、跟踪球等操作器更便于操作。 d c s 已经历了三代。1 9 7 5 年h o n e w e l l 公司推出的t d c 2 0 0 0 集散控制系统是 一个具有许多微处理器的分级控制系统，以分散的控制设备来适应分散的过程对 象，并将它们通过数据高速公路与基于c r t 的操作站相连接，互相协调，一起实 旌实时工业过程的控制和监测，实现了控制系统的功能分散，负荷分散从而危险 性也分散。在此期间世界各国相继推出了自己的第一代d c s 。第二代产品在原来 产品的基础上，进一步提高了可靠性，新丌发的多功能过程控制站、增强型操作 站、光纤通信等更完善了d c s 。其特点是采用模块化、标准化设计，数据通信向 标准化迁移，板级模块化，单元结构化，使之具有更强适应性和可扩充性；控制 功能更加完善，它能实现过程控制、数据采集、顺序控制和批量控制功能。第三 代产品开发了高一层次的信息管理系统。其共同特点是：实现了开放式的系统通 信，向上能与m a p 和e t h e r n e t 接口，或者通过网问连接器与其它网络联系，构 成复合管理系统；向下支持现场总线，它使得过程控制或车间的智能变送器、执 行器和本地控制器之间实现可靠的实时数据通信。过程控制组念采用c a d 方法， 使其更直观方便，实现自整定功能。 当今d c s 向综合化、开放化发展。9 0 年代工厂自动化要求各种设备( 计算机、 d c s 、单回路调节器、p l c 等) 之间的通信能力加强，以便构成大系统。开放性的 幕于以太州的分布d 温湿度智能航 卒系统 结构将方便地与指挥生成管理的上位计算机进行数据交换，实现计算机集成生产 系统。同时在大型d c s 进一步完善和提高的同时，发展小型集散控制系统。随着 电子技术的发展，结合现代控制理论，应用人工智能技术，以微处理器为基础的 智能设备相继出现，如智能变送器、可编程调节器、智能p i d 自整定控制、智能 人机接口，以至于智能d c s 。总的发展趋势可体现在如下几个方面：各制造厂商 都在“开放性”上下功夫，力求使自己的d c s 与其他厂商的产品很容易地联网； 大力发展和完善d c s 的通信功能，并将生产过程控制系统与工厂管理系统联结在 一起，形成管控一体的产品；高度重视系统的可靠性，在软件的设计中采用容错 技术；在控制功能中，不断引进各种先进控制理论，以提高系统的控制性能，如 自整定、自适应，最优、模糊控制等；在系统规模和结构上，形成由i j , n 大的产 品，以适应不同规模的需求”。 近年来以太网技术取得了很大的进步，包括高速以太网和以太网交换机：高 速以太网极大地减少了数据传输的延迟；工业以太网交换机把控制网络分成若干 个相互独立的冲突域，不同冲突域之间的节点不会因竞争线路而发生碰撞，从而 提高了网络数据传输的可靠性和稳定性。因此，工业以太网代替传统的现场总线 控制网络在工业控制中已成为一个技术趋势”州。 本文提出的基于以太网的分布式智能温湿度监控系统由上位控制p c 机、现 场智能温湿度监控仪和通讯网络三部分组成。系统的整体组成和各模块的设计与 实现如下所述。 2 2 分布式温湿度智能监控系统硬件的整体组成结构 每个温湿度监控仪由单片机、温度传感器、湿度传感器、时钟芯片、l e d 数 码管显示模块、地址拨码模块、外部存储器、蜂鸣器、空调机、除湿机、加湿机 等组成。 1 2 8 个具有独立地址的温湿度监控仪通过r s 4 8 5 总线并联在一起，再通过一 个r s 4 8 5 转t c p i p 协议转换器可直接与微机之间进行网络通讯从而组成一个单 元温湿度监控系统( 单元温湿度监控系统结构图见图2 1 ) 。 可根据实际情况由若干单元温湿度监控系统通过集线器组成一个完整的远 程分布式温湿度智能监控系统( 系统整体结构图见图2 2 ) 。 接于以太q 的分布几温温度智能：临挡系统 2 3 单元温湿度监控仪的硬件组成与实现 由m c u 模块外加时钟模块、测温度模块、测湿度模块、l e d 数码管显示模块、 外部存储模块、地址拨码模块、空调机、加湿机、除湿机驱动模块等组成一个具 体的温湿度监控仪( 温湿度监控仪连线图见图2 3 ) 。文章将在下面具体介绍单 个温湿度监控仪各模块的设计与工作原理。 湿度传 感器 l e d 显 不 剽r s 4 8 5 起 年爿局域网 t c p i p 协l l 、一 议转换器l 继 电 器 地址拨码| | 存储器 空峒机 除湿机 加湿机 幽2 1 单元温湿度监控系统结构 打印机 2 3 1m c u 模块与开发工具 每个温湿度监控仪采用了美国a t m e l 公司的8 位单片机a t 8 9 c 5 2 ；片内含8 k b y t e s 的可反复擦写的只读程序存储器和2 5 6b y t e s 的随机存取数据存储器1 。 单片机全称为单片微型计算机( s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r ) ，又称微控制 器( m i c r o c o n t r o l l e ru n i t ) 或嵌入式控制器( e m b e d d e dc o n t r o l l e r ) 。它是将 1 0 剧团 竺司 基于以太嘲的分布弋温湿度智能l 逝拧系统 计算机的基本部件微型化并集成到一块芯片上的微型计算机，通常片内都含有 c p u 、r o m 、r a m 、并行i o 、串行i o 、定时器计数器、中断控制、系统时钟及 系统总线等。随着技术的发展，单片机片内集成的功能越来越强大，并朝着s o c ( 片上系统) 方向发展。 幽2 3 温湿度监控仪连线幽 单片机有着体积小、功耗低、功能强、性能价格比高、易于推广应用等显著 优点，在自动化装置、智能仪器仪表、过程控制、通信、家用电器等许多领域得 到日益广泛的应用。 其中八位单片机是目前品种最为丰富、应用最为广泛的单片机，有着体积小、 功耗低、功能强、性能价格比高、易于推广应用等显著优点。目前主要分为m c s - 5 1 系列及其兼容机型和非m c s 一5 l 系列单片机。 m c s 一5 1 兼容产品因开发工具及软硬件资源齐全而占主导地位，a t m e l 、 p h i l i p s 、w i n b o n d 是m c s 一5 1 单片机生产的老牌厂家，c y g n a l 及s t 也推出新的 产品，其中s t 新推出的| lp s d 系列以大容量片内f l a s h ( 1 2 8 2 5 6 k b ) 、8 3 2 k b 的s r a m 、集成a d 、看门狗、上电复位电路、两路u a r t 、支持i s p 及在应用中 编程i a p 等诸多先进特性迅速被广大5 1 单片机用户接受“。 。a t 8 9 c 5 2 单片机是本系统的核心部件，所以我们将在此处对a t 8 9 c 5 2 单片机 苹十以太嘲的分布，温湿度智能 i 在拧系统 做详细的介绍。 a t 8 9 c 5 2 是一个低电压，高性能c m o s8 位单片机，片内含8 kb y t e s 的可反 复擦写的f l a s h 只读程序存储器和2 5 6b y t e s 的随机存取数据存储器( r a m ) ， 器件采用a t m e l 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准m c s 一5 1 指令 系统，片内置通用8 位中央处理器和f l a s h 存储单元，功能强大的a t 8 9 c 5 2 单片 机可以提供许多较复杂系统的控制应用场合。 a t 8 9 c 5 2 有4 0 个引脚，3 2 个外部双向输入输出( i 0 ) 端口，同时内含2 个外中断口，3 个1 6 位可编程定时计数器，2 个全双工串行通信口，2 个读写口 线，a t 8 9 c 5 2 可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理 器和f l a s h 存储器结合在一起，特别是可反复擦写的f l a s h 存储器可有效地降低 开发成本。a t 8 9 c 5 2 有p d i p 、p q f p t q f p 及p l c c 等三种封装形式，以适应不同 产品的需求1 。 主要功能特性： 兼容m c s 5 1 指令系统8 k 可反复擦写( 1 0 0 0 次) f l a s hr o m 3 2 个双向i o 口2 5 6 x 8 b i t 内部r a m 3 个1 6 位可编程定时计数器中断时钟频率o - 2 4 m h z 2 个串行中断可编程u a r t 串行通道 2 个外部中断源共6 个中断源 2 个读写中断口线3 级加密位 低功耗空闲和掉电模式软件设置睡眠和唤醒功能 在本系统中，将a t 8 9 c 5 2 的t 1 初始化为计数器模式1 ，t o 设定为定时器模式j ， t 2 设定为波特率发生器( 波特率设为9 6 0 0 ) 。 在研制单片机应用系统时，汇编语言是一种常用的软件工具。它能直接操作 硬件，指令的执行速度快。但其指令系统的固有格式受硬件结构的限制很大，且 难于编写与调试，可移植性也差。随着单片机硬件性能的提高，其工作速度越来 越快，因此在编写单片机应用系统程序时，更着重于程序本身的编写效率。而 k e i lc 5 1 交叉编译器是专为8 0 c 5 1 系列单片机设计的一种高效的c 语言编译器， 使用它可以缩短开发周期，降低开发成本，而且丌发出的系统易于维护，可靠性 高，可移植性好，即使在代码的使用效率上，也完全可以和汇编语苦相比，因此 基于以太州的分布a 温温度智能：| ：i 挡系统 目前它己成为开发8 0 c 5 1 系列单片机的流行工具。 选择c 5 1 语言设计单片机应用系统程序时，可采用结构化的程序设计方法， 这样可使整个应用系统程序结构清晰，易于调试和维护。对于一个较大的程序， 可将整个程序按功能分成若干个模块，不同的模块完成不同的功能。对于不同的 功能模块，分别指定相应的入口参数和出口参数，而经常使用的一些程序可编成 函数，这样既不会引起整个程序管理的混乱，还可增强可读性，移植性也好。 另外，可充分利用c 5 1 语言的预处理命令。对于一些常用的常数，如t r u e ， f a l s e ，p i 以及各种特殊功能寄存器或程序中一些重要的依据外界条件可变的常 量，可采用宏定义“# d e f i n e ”或集中起来放在一个头文件中进行定义，再采用 文件包含命令“# i n c l u d e ”将其加入到程序中去。这样当需要修改某个参量时， 只须修改相应的包含文件或宏定义，而不必对使用它们的每个程序文件都作修 改，从而有利于文件的维护和更新。 c 5 1 编译器还支持在c 源程序中直接开发中断过程，因此减轻了使用汇编语 言的繁琐工作，提高了丌发效率。中断服务函数的完整语法如下： v o i d 函数名( v o i d ) 模式 再入 i n t e r r u p tn u s i n gr 其中1 1 ( 0 - - 3 1 ) 代表中断号。c 5 1 编译器允许3 2 个中断，具体使用哪个中 断由8 0 c 5 1 系列的芯片决定。r ( o 一3 ) 代表第r 组寄存器。在调用中断函数时， 要求中断过程调用的函数所使用的寄存器组必须与其相同。“再入”用于说明中 断处理函数有无“再入”能力。c 5 1 编译器及其对c 语言的扩充允许编程者对中 断所有方面的控制和寄存器组的使用。这种支持能使编程者创建高效的中断服务 程序，用户只须在c 语言下关心中断和必要的寄存器组切换操作“。 b e l l 实验室的研究资料表明，软件错误中1 8 左右产生于概要设计阶段，1 5 左右产生于详细设计阶段，而编码阶段产生的错误占的比例则接近5 0 ；分析表 明，编码阶段产生的错误当中，语法错误大概占2 0 左右，而由于未严格检查软 件逻辑导致的错误、函数( 模块) 之间接口错误及由于代码可理解度低导致优化 维护阶段对代码的错误修改引起的错误则占了一半以上。可见，提高软件质量必 须降低编码阶段的错误率。c 5 1 编译器能对c 语言源程序进行高效率的编译，生 成高效简洁的代码，相对于汇编语言的繁琐与难以维护有较大优势。 综合以上考虑，为了缩短开发周期，降低系统维护难度，我们选用了k e i lc 5 1 基十以太州的分布式湓湿度智能临拧系统 交叉编译器开发温湿度监控仪底层监控软件。 2 3 2 时钟模块 目| j i 市场