恒温恒湿实验室温湿度监控装置的研究

王静云++++马练兵

摘要：

通过对棉花、纺织品恒温恒湿实验室温湿度监控现状的调研，研究并设计一套无线传输方式的温湿度监控装置是非常有必要的。该文基于传感器、无线通信、计算机等技术的温湿度监控装置使用温度场分布算法对采集的数据进行处理，并选用一种新的无线扩频通信技术将数据传输出去，最后通过网络使数据在PC机上接收，实现用户能够从记录软件中随时查看室内环境温湿度的功能。

关键词：温湿度；采集；无线传输；监控

1 研究背景

棉花和纺织品是关系国计民生的重要物资，在国民经济发展中具有重要地位。随着社会质量意识的提高，棉花和纺织品的品质检测工作也越来越重要。全国专业纤维检验机构普遍建设了棉花公检实验室和纺织品恒温恒湿实验室。目前各棉花公检实验室温湿度数据是通过双绞线将温湿度数据传至信息系统。这种传输方式主要有四个缺点：一是成本较高；二是有线传输方式安装起来比较复杂；三是该方式采用的数据变送器在市场上存在唯一性，如果某实验室变送器需要更换而变送器生產链又出现问题的话，该实验室将陷入瘫痪；四是传输距离有限。

纺织品实验室的温湿度测量更是一个空白，目前大多数实验室使用干湿球温湿度计进行测量。通过对棉花、纺织品恒温恒湿实验室温湿度监控现状的调研，研究并设计出一套无线传输方式的温湿度监控装置是非常有必要的。

2 关键技术内容

2.1 总体设计及功能

本项目主要运用传感器、无线通信、计算机等技术，将传感器测量得到的数据进行分析和处理，采用动态网格划分（TFDR）算法，模拟出整个空间场各点的温湿度值。又运用CUDA并行计算的技术，提高算法的准确性和计算速度。再把数据通过LoRa无线扩频通信传输出去，设计以太网/LoRa无线扩频通信网的网关，实现两种网络的互通互联。同时开发网络转虚拟串口驱动，使以太网的数据包转换成串口的形式，和原温湿度监控系统无缝对接，方便用户在记录软件中可以实时查看室内环境的温湿度。

硬件部分：

由TM-CJ型数据采集器（如图1）和TM-PKI型多路温度记录仪（如图2）组成。

TM-PKI型多路温度记录仪：可以接收到5个子站点的SHT75温湿度传感器采集并通过无线通信模块传输出来的数据，然后将其在屏幕主界面上显示。

软件部分：如图3所示，此装置中一共包含10个子站，每5个子站为一组将温湿度传感器采集到的数据通过无线传输的方式发送给主站，然后把主站用网线连接到交换机上，再将装有“中国棉花公证检验信息系统”软件、温湿度记录软件以及网络转串口驱动的计算机与交换机连接在一起。

2.2 项目实施关键技术

2.2.1 温湿度测量模块

这一部分由温湿度传感器组成，将温湿度非电量转化成电信号，再经过模数转换电路，把温湿度的模拟量转化成单片机处理的数字量，进行温湿度数据的处理。此研究中选取型号为SHT75的温湿度传感器，它是一款集温度、湿度于一体的传感器，采用CMOSens技术，具有体积小、抗干扰能力强、功耗低等优点。采用两线数字化接口，可与单片机直接相连，大大减小了外围电路。

2.2.2 数据无线传输模块

温湿度传感器测量数据后，需要将其通过无线扩频通信技术传输出去。本装置中，我们采用YL-900IL（如图4所示）这款高性能、低功耗、远距离的微功率射频无线数据收发模块，内部自动扩频计算和前导CRC纠错处理，不改变用户的任何数据和协议，采用半双工透明传输机制，实现无线代替的功能。模块的射频芯片基于扩频跳频技术，在稳定性、抗干扰能力以及接收灵敏度上都超越现有的GFSK模块。配置STM低功耗高速处理器，数据处理能力、运算速度均有所提高。

2.2.3 网络转虚拟串口的驱动

这部分主要完成由TCP/UDP协议传输的数据在PC端实现虚拟串口转化。该驱动解决了棉花信息系统中温湿度监测数据传输时需要通过窗口，连接硬件设备进行通信的问题，从而将网络数据直接在PC端通过底层驱动转换为虚拟串口实现。

驱动安装成功后，需将棉花检验信息系统的温湿度探头设置为网络型，将某一个探头的端口设置为虚拟出来的串口，如图5所示的红框部分。

该虚拟串口的具体功能在驱动层实现，应用程序不需要关心它的细节，对于应用程序来说，虚拟串口和真实的串口并无区别，使用方式也是一样的。

虚拟串口的通信在应用层实现，并通过和驱动层串口的交互，从网络发送和接收串口的数据内容。

该虚拟串口通过设备对象来模拟真实的串口，并为其实现对应的接口。每一个串口都是一个设备对象，而串口的具体参数都保存在设备对象的设备扩展中。

2.2.4 计算机温湿度记录软件的开发

在设计的棉纤维温湿度检测系统中，我们能够查看各个站点实时的温湿度数据，并自动记录在表格单元里，同时以动态曲线图的形式得到相对的变化趋势。

另外，从打开的软件界面（如图6）可观察系统与温湿度监控装置的通信状态是否正常以及实验室的温湿度数据是否符合标准要求。如果温度或者湿度某一项与设定的阈值做比对超过设定阈值时，则出现红色字体的提示信息，表明该站点的温度或者湿度出现异常，提醒用户此时需要注意。

如图6点击系统软件界面下方处于中间的站点温湿度状态信息，在新的页面下可以添加站点信息，其中包括：站号、站名、站点所在位置，空气温度上限值、空气温度下限值、相对湿度上限值、相对湿度下限值。当选中某一行时，对应行的数据信息在右侧的各个对应部分进行显示，此时可以修改这些内容，也可以删除某一个选定的站点。

3 项目研究的创新点

在河北省质量技术监督局研究经费的支持下，针对现有恒温恒湿实验室温湿度监控装置存在的若干技术不足，通过对温湿度场分布算法和无线扩频通信进行研究，开发出虚拟驱动下的串口（COM口），并取得了如下创新性研究成果：（1）实现温湿度数据的无线传输。温湿度节点与网关采用LoRa无线扩频通信技术，设计了以太网/LoRa无线扩频通信网的网关，完成两种网络的互通互联。（2）实现温湿度数据的实时显示。独立设计了温湿度显示及保存软件，可通过数据列表和曲线分别进行展示。（3）与“中国棉花公证检验信息系统”软件对接。实现网络转虚拟串口驱动，把网络上发来的数据包转换为串口，原温湿度监控软件可以像硬件串口一样使用虚拟串口。（4）发表论文。（5）申请专利。

4 今后的工作

本课题经过仿真计算和试验分析，已满足了项目计划任务书的要求。作为今后的研究工作，应主要考虑以下技术和问题：（1）进一步改善温湿度场分布的算法，提高其精确度。（2）软件代码和驱动代码进一步完善。（3）软件界面进一步美化 。

综上所述，本课题选取合适的实验室温湿度空间场分布算法，数值模拟出各点的温湿度，以及采用一种新型的无线扩频通信技术进行数据的传输，设计网络转虚拟串口驱动，最终实现了棉花检验信息系统采集温湿度数据的功能 。另外开发计算机温湿度记录软件，从而达到实时显示、自动监控温湿度的功能，完成了本课题的要求。

（作者单位：王静云，河北省纺织纤维玖仟质量认证咨询中心；马练兵，国家羊绒产品质量监督检验中心）endprint