设备库房多模实时环境监测系统的开发

□ 李卫 秦荣江 汤诗阳 苏新凌 刘军

广播电台的调音台、音频处理设备存放间（或库房）一般会安装空调、抽湿机等，维持合适的环境温度和湿度。但是由于无人值守，也不能远程看到其中的情况，如果发生火灾将带来很大损失。基于此，我们应用温、湿度传感器，烟气传感器，结合单片机和触摸屏显示技术、网络技术等，融合成实时监测报警系统，大大提高了保障性。

一、系统结构设计和功能

系统主要设计是对重要设备库房的温、湿度和烟气进行实时监测，系统结构上由多个监测传感器、触摸显示报警器、服务器组成，以电平传输和网络数据传输作为联系。如图1所示。

图1

系统运行后，库房显示报警器收到传感器的监测电平值后，经过转换互后显示温、湿度的值或报警，每几秒更新一次显示数据，同时把数据以IP协议发给服务器，服务器进行存储、统计，局域网内的监控电脑能够通过web页面看到监控情况，报警信号是通过短信发给相关的负责人。系统功能实现了实时、多点监测，两种方式显示和报警，较好地实现了设计目标。

二、技术选型

1.根据保存设备库房的大小，设计了4个监测点。2.选用数字温、湿度传感器DHT21作库房内的温、湿度监测，它具有极高的可靠性和卓越的长期稳定性。其分辨率为湿度0.1%RH，温度0.1℃，易与单片机相连。3.选用专门的烟雾监测器用于烟雾监测。4.选用STC15W4K60S4，STC12C5A32S2及STC12C5604AD这三种8位单片机做温、湿度监测及烟雾监测及监测数据汇总、判断、发送到网络等。

三、关键电路设计

根据环境的要求，下位机自主设计了温、湿度和烟雾监测电路、主控电路和信息接收显示电路，这三部分的电路设计，是保证整个系统可靠稳定运行的关键。上位机用服务器搭建框架，完成与下位机的通讯和页面的展示功能。

（一）温、湿度监测和烟雾监测原理图，如图2。

图2

其中，P12插座由外部电源提供9V电压，经7805稳压成5V，为数字温、湿度传感器DHT21及STC12C5604AD供电，J2接烟雾监测器，DHT21的单线制串行接口接STC12C5604AD的11脚（P3.7），烟雾报警器接JP1插座，烟雾报警信号接STC12C5604AD的6脚（P3.2），8、9脚接一个两位的拨位开关JP2，可设定本监测点的地址。正常工作时STC12C5604AD是处在等待状态，当其串口接收到查询温、湿度的指令后会启动DHT21，然后读出温、湿度的值，由于DHT21内部存储的温、湿度值是前一次监测的值，因此需连读两次才可得到当前的温、湿度值。（该温、湿度值均由两字节数据组成且为16进制，其中高位字节为温、湿度值的整数部分，低位字节为温、湿度值的小数部分），当串口接收到传送指令时就把监测到的温、湿度值传给控制电路，完成了一次监测的过程。若STC12C5604AD在规定的时间里读不到DHT21的数据，则判断其有故障并把此传给控制电路。烟雾监测器监测到有烟雾时会产生一低电平信号，此时STC12C5604AD进入中断响应，会主动把报警信息传给控制电路，产生报警。

（二）控制电路，如图 3。

图3

主控芯片使用STC15W4K60S4，P5插座接DHT21，其单线制串行接口接STC15W4K60S4的15脚，用于监测电路板及附近的温、湿度。16脚通过Q3控制继电器用于报警，P3口接插座控制一个液晶屏，工作人员在库房能看到库房内的实时温、湿度值。T1为输出9V变压器，供串行总线使用，大大解决了串口传输距离短的问题，该电源不能用开关电源代替。电路上器件的供电由另一路9V/1A的直流电源提供，由P2插座接入。STC15W4K60S4有两个串口，串口4（2、3脚）接网卡，传送各监测点的温、湿度值及烟雾报警信息。串口2（0、1脚）发送查询温、湿度的指令，正常情况下每一分钟发送一次查询指令，若能收到回传数据，说明监测点正常，如果在规定时间（3秒）内接收不到监测点回传数据，则判断该监测点有故障。监测点如有烟雾报警信息，继电器吸合报警器，发出声光报警。

P13插座接短信模块，该模块与单片机串口1（21，22脚）通讯，使用标准的AT命令来控制短信模块实现各种无线通信功能。当有报警时，单片机会向短信模块拨打内置好的负责人或管理员的电话，确保了报警信息能及时有效地发送出去，预防和减少财产的损失。

在库房和值班室均放有液晶屏显示器材库房温、湿度监测值。如果在一段时间（80秒）内接收不到数据，则在屏上显示网络不通，同时蜂鸣器会发出两声以作提醒，同时蜂鸣器报警。当有烟雾信息时，此时库房可能已经发生火灾，屏幕会变成非常刺眼的红底且出现闪烁的报警符号，蜂鸣器同时报警。

（三）平台PC框架搭建

信息系统开发采用Microsoft.NET平台进行Web项目的开发，结合fineui整体框架下开发，fineui有快速开发能力且具有华丽的UI效果和深度的封装控件库。

B/S架构的特性决定了PC端为客户端的服务均有服务器提供。因此要达到数据动态实时变化显示，我们引入了基于HTML5规范的WebSocket协议，它具有全双工通讯模式，在Web端实时显示温、湿度监测器的数据信息，不需要安装程序，实现方便，只需要打开网页即可实时监控，性能好实现方便且不易丢失数据。

（四）服务端与下位机通讯

基于Socket通信原理，服务器端应用程序具体的实现方式如下：服务端与单片机通讯通过Socket传递，单片机先采集温、湿度和烟气传感器的数据，通过稳定可靠的嵌入式联网模块串口设备，使单片机立即具备联入TCP/IP网络的功能，将数据传输到服务端处理，并在数据库中存储。服务端和单片机通过交换机连接到内部网络中，拥有独立的IP地址和端口号，多个单片机与服务器通讯采用了UDP多线程工作方式。

四、应用效果

系统投入使用后运行情况比较好，传感器的精度高，零点温度漂移和灵敏度误差小。监测系统稳定运行，监测控制报警器放置在全天24小时值班办公室内，能够掌握监测情况，同时基于web的电脑端显示也能够实时显示，界面简洁直观，成为可移动的监测终端。数据库记录有最近30天的数据量，可以在电脑监控界面上显示趋势曲线，对环境温、湿度趋势具有很好的跟踪监控功能。