档案馆监控系统的设计和实现

黄 兵 （安徽工贸职业技术学院基础部，安徽 淮南232007）

根据 《档案馆建筑设计规范》的要求，档案馆库房温度要求控制在14～24℃，相对湿度控制在45%～60%，同时还需要有防火、防盗和自动报警功能。一般来说，传统的库房管理是由库房值班人员定时到各库房查看和记录温、湿度数据，根据检测到的数据，适时进行人工启停空调机和除湿机进行温湿度调节，但当遇到火灾、盗窃事件时，自动报警机制不够健全，具有明显的滞后性。为此，笔者设计了档案馆监控系统，实现了对库房的温湿度等参数的自动检测与控制和智能拨号报警功能。

1 系统结构设计

结构设计包括3个层次：顶层为数据处理和显示层，即上位机；中间层为通信网络层，负责通信；底层是分布式的智能监控单元，即下位机。上位机为数据处理和操作人员提供良好的人机界面。上位机一旦接收到操作人员的指示，迅速将控制信号发送到下位机，实现控制功能。并将采集到的数据信息显示给用户，实现监控功能。底层是指硬件层上的设备。它与所有的传感器及控制设备结合，通过感知环境参数和状态的变化，将获得的数据转换成数字信号，借助于通信网络传递到上位机系统。并且可以向所有设备发送控制信号，自动调节和控制库房的温度、湿度的变化。上位机与下位机之间通过数据交换实现监控功能，该功能的实现由通讯网络层完成。系统采用RS485串协议［1］，实现一对多的主从式通信，系统结构配置流程图如图1所示。

图1 系统结构配置流程图

2 硬件系统设计

硬件系统的设计是整个系统的核心，硬件系统的结构主要有MEGA16单片机、分站地址设定、看门狗电路、开关量输入输出电路、温湿度检测电路、烟雾感应检测电路、红外线防盗检测电路、RS485通信电路和液晶显示电路等。笔者着重介绍温湿度检测电路和智能拨号报警电路的原理和功能。

2．1 温湿度检测模块

采用数字温湿度传感器SHT11。SHT11是一款高度集成的数字温湿度传感器芯片，可以同时测量温度和湿度。该芯片广泛应用于自动化控制领域，主要特点如下：将温湿度感测、信号变换、A／D转换等功能集成到一个芯片上；提供二线数字串行接口SCK和DATA，接口简单，支持CRC传输校验，可靠性高。

SHT11的测量时序［2］由启动传输时序、发布命令、等待测量完成和读回数据等组成。微控制器由“启动传输”时序完成通信，当SCK时钟为高电平时，DATA转为低电平；在SCK时钟为高电平时，DATA转为高电平。在 “启动传输”时序后，微控制器向SHT11发送命令，并发布一组温度或湿度测量命令，SHT11测量结束，进入空闲状态。等待SCK线重启后，传送2字节的测量数据和1字节的CRC校验。如微控制器与SHT11发生通信中断，可通过复位时序对串行接口进行复位。DATA为高电平状态时，可以触发SCK时钟9次或更多次。测量和通讯结束后，通过以下公式将其温度、湿度数据转换为表示实际的温度和湿度：

式中，TC为温度；d1、d2与温度分辨率有关；SOT表示从SHT11中读出的温度值；RHLinear和RHTrue分别为经过温度补偿的线性相对湿度和实际相对温度；C1、C2、C3、t1、t2与湿度分辨率有关；SORH表示从SHT11中读出的湿度值。

表1 温度校正系数

表2 湿度校正系数

SHT11相对湿度数字输出特性计算过程如下：参照表1、表2校正系数值，当电压为5V，分辨率为14b时，通过公式T=-40＋0．01M将温度M转换成温度值T；对12位湿度传感器，计算相对湿度N的非线性相对温度：

RHL= （-4＋0．0405N-2．8×10-6N2）%

然后对湿度传感器进行温度补偿，得到相对湿度：

RHT=RHL＋ （T-25）（0．01＋0．00008N）%

SHT11温湿度传感器通过I2C总线实现通信，信号调节均由芯片自动完成，直接输出数字信号，结构简单，稳定性好，检测数据准确。

2．2 智能拨号报警模块

智能拨号报警功能由模块EX-3实现。EX-3采用无键盘设计，可存储5组以上电话号码，外部端口最低连接3根线即可控制模块进行工作。设置外部音频输入端口，可与语音电路连接，适用于远距离的自动控制。EX-3模块的引脚号、名称、功能、描述如表3所示。

EX-3智能拨号报警模块工作流程如下：首先把要拨打的电话号码预先录入拨号模块，录入完成后，拨号功能处于允许状态实现正常拨号。此时，指示灯用常亮来表示。当触发端上有触发信号时模块立即向外拨号。高电平HTO触发端内置100K下拉电阻，在拨号功能开启状态下，当端口出现高电平时，模块开始拨号。每个号码的拨打时间在30～40s内，如无人接听自动拨打下一个预存号码。模块在接受触发后，会持续向外拨叫预存号码，直至收到被叫号码的确认，方可中止。当被叫号码收到模块的报警信号时必须摘机并按动 “8、9、0”数字键中的任意一个，表示信息的收到和确认。模块收到确认信号后立刻停止拨号，并恢复到允许触发状态，等待下一次触发。远程中断后如触发端上次的触发信号没有消失，指示灯会以闪烁的方式不断提示，只有当2个触发端复位到正常状态才能进行第2次触发操作。指示灯端口内置限流电阻可直接连接单只普通或高亮发光二极管进行指示。拨号时，自动打开音频通路，将音频信号传送到电话线上，拨号完毕自动关闭音频通路。如在报警过程中进行了远程中断，但中断后本次的触发信号依然存在，指示灯会闪烁提示。此时模块不再响应任意触发端口的信号，必须等端口复位后才能响应下一次触发。

表3 EX-3各引脚功能

3 结 语

根据硬件系统功能设计的需求，以MEGA16单片机作为系统处理核心，通过SHT11温湿度传感器完成温湿度参数的检测；通过EX-3智能拨号模块实现电话报警；通过全隔离的RS485接口电路实现了多机主从式通信。该系统已成功应用于淮南市城建局档案馆，运行情况良好，提高了档案馆的管理水平与效率，有着较高的经济效益和社会效益。

［1］李学海 ．标准80C51单片机基础教程 ［M］．北京：北京航空航天大学出版社，2006．

［2］张艳丽，张勇 ．基于SHT11的温湿度控制器 ［J］．兵工自动化，2007，26（5）：83．