基于IP网络的环境参数监测系统研究与设计

段建红+林传禄+刘强

摘要：针对实验室、仓库等场所控温防潮防火的难题，在研究单片机接入IP网技术的基础上，设计实现了基于IP网络的低成本、多参数、集检测与控制功能于一体的环境参数实时监测系统，经测试可完成环境参数的远程智能化实时检测、控制和报警，具有网络化、智能化、实时化特点。

关键词：IP网络；环境参数；智能监测；嵌入式

中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2017）06-0189-02

1 引言

在东南沿海地区，雷雨、台风多发，仓库、实验室等场所的防潮、防霉、防火、防爆是日常管理的重要内容，直接影响仓储物资的使用寿命和可靠性。若靠人工检测、记录温湿度等数据，既费时费力、效率低，又无法实时、有效监测。为此，本文设计实现了基于IP网络的低成本、多参数、集检测与控制功能于一体的环境参数实时监测系统。

2 系统组成及工作原理

如图1所示，系统主要由监测仪、Ethernet网络和监控中心三部分组成。

系统通过监测仪实时采集各点温、湿、烟、光等环境参数，通过IP网络将检测数据传输到监控中心PC机进行统一显示和处理，若某项参数超出正常范围，则启动报警器，通知值班人员及时处理。

监测仪以单片机为核心，完成各监控点的数据采集、处理、显示、传输和现场报警。

监控中心由计算机和显控软件构成。监控中心计算机接入IP网络，完成各监测点信息的集中显示、存储和管理，同时作为数据服务器为网内授权用户提供各监控点的环境信息查询服务。

3 系统设计

系统软件分为监测仪控制软件和监控中心PC端显控软件两部分。监测仪软件采用C51在Keil环境下完成软件编程、编译和调试。PC端显控软件在VC++6.0平台开发实现。

3.1 监测仪设计

监测仪采用模块化设计，各模块相互独立，干扰小，排查故障方便，可有效缩短联调周期。监测仪结构框图如图2所示，分为主控模块、LCD显示、网络通信、报警处理、外围接口、温湿度等环境参数检测等9个模块。

在每个监测仪内部有温、湿、光、烟雾4种传感器，分别测量温度、湿度、光度和烟雾。在STC12C5A60S2[1]单片机控制下，各传感器采集的数据经滤波处理后，在LCD上实时显示，并根据设定的报警门限智能判决，若超出门限值，单片机则根据报警类别控制报警器发出不同频率的声光报警信号，进行现场报警，并向监控中心发出远程报警信号，同时触发继电器输出控制信号启动除湿、控温设备等进行相应处理，达到控温、除湿和火情报警的目的；在完成数据采集处理后，单片机驱动以太网模块，将数据以UDP包的形式传输到监控中心PC机。同时单片机负责接收监控中心PC机发来的控制指令，根据指令类别分别设置本地IP地址、网关、MAC地址、通信端口、采样频率和报警门限等。

以太网模块主要由Enc28j60以太网控制芯片、HR911105A网络变压器及相关电路组成，在单片机控制下完成ARP地址解析、ARP表更新、UDP数据包收发、PING包接收应答等功能。

在硬件电路设计中，采用Proteus完成了电路原理图设计，并进行了在线仿真。

3.2 监测仪控制软件设计

监测仪控制软件采用事件驱动方式，可以响应多个事件和外部中断，完成IP网络初始化、环境参数（温度、湿度、烟雾、光度）检测、數据平滑滤波、显示及报警处理、IP网络通信等功能，软件流程如图3所示。系统运行后，首先开辟缓冲区、设置报警门限，初始化LCD、网络芯片和定时器。程序分配了2个发送缓冲区和1个接收缓冲区，可以显著提高数据吞吐率，减少延时，提高系统实时性。Event_Word为事件状态字，值从0～4依次代表系统异常、温度检测、湿度检测、烟雾检测、光度检测事件，Event_Word的值通过定时器中断进行更新。进入循环体后，系统根据Event_Word的值调用相应的子程序，完成各项参数的检测，经滤波处理后判断是否报警，并调用LCD显示子程序进行显示，然后通过IP通信子程序发送到监控中心PC机。

3.3 单片机与上位机网络通信程序

设计中根据系统要求对TCP/IP[2]协议栈进行了精简，实现了ARP、IP、ICMP和UDP协议。网络通信过程如下：

（1）监测仪上电运行后，单片机检查网络连接正常后，进入监听，并定时调用udp_send（）函数发送监测数据给PC机；（2）当单片机收到以太网帧时，根据以太网帧首部的协议类型进行判断，若是ARP包，则将ARP包里的PC机MAC地址和IP地址保存到ARP表；若是IP包则进一步判断是ICMP包还是UDP，然后调用相应的子程序进行处理；（3）监测仪产生报警后，主动给ARP地址列表中的PC机发送报警消息；（4）单片机接收PC机发送的配置命令，更改本地IP地址、网关、MAC地址、通信端口、采样频率和报警门限等。

单片机网络通信程序流程如图4所示。

3.4 上位机显控软件设计

PC端显控软件通网络实时接收各监测仪发来的数据，进行处理保存，并在主界面上集中显示各监控点的名称（或IP地址）和温、湿、烟、光等参数，以及状态和报警信息；监控中心PC作为数据服务器，响应局域网内其他授权用户的访问请求。此外，显控软件向各监测仪发送控制命令，远程修改配置监测仪的IP地址、网关、MAC地址、通信端口、采样频率和报警门限等参数。限于篇幅，其具体实现在此不作赘述。

4 结语

本文设计实现了基于IP网络的环境监测系统，经实测具有网络化、智能化、实时化特点，可有效实现实验室、仓库、舱室、办公室等场所无人值守下的温度、湿度、烟雾等环境信息的全天候实时监控，当出现危险情况时，一方面控制现场设备排除险情，另一方面通过现场和远程报警通知值班人员处理，可有效避免事故发生。系统采用模块化设计，功能容易扩展，只需根据需求增加相应模块即可，除可用于重要场所的环境监控外，还可用于设备远程监控、安防等领域，通用性强，具有较高的应用价值。

参考文献

[1]姚永平.STC0Fxx系列8051单片机中文指南[EB/OL].2009.

[2]王廷尧.以太网技术与应用[M].北京：人民邮电出版社，2005.endprint