網(wǎng)絡(luò)式溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)研究

目前常用的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)基本上都是傳統(tǒng)的基于集中式計(jì)算機(jī)控制和現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)相結(jié)合的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)?？紤]到模塊直接上網(wǎng)的技術(shù)趨勢(shì)和希望能夠利用已經(jīng)廣泛應(yīng)用的以太網(wǎng)資源，本文通過(guò)比較和方案論證，確定了一種新型的基于網(wǎng)絡(luò)的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)，即將所采集的一個(gè)或多個(gè)溫濕度傳感器測(cè)量結(jié)果通過(guò)Intemet以網(wǎng)頁(yè)的形式動(dòng)態(tài)發(fā)布，同時(shí)，任意一臺(tái)上位機(jī)都可以根據(jù)管理員的授權(quán)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)溫濕度控制裝置下達(dá)指令，對(duì)任一節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制。對(duì)于這種方案，能接入Intemet的任何一臺(tái)PC機(jī)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)傳感器工作狀態(tài)的監(jiān)控與管理，實(shí)現(xiàn)了無(wú)距離限制的測(cè)控網(wǎng)絡(luò)，非常方便靈活。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
    該系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，各個(gè)溫濕度測(cè)試控制模塊都帶有網(wǎng)絡(luò)接口，通過(guò)路由器與中心服務(wù)器相連。中心服務(wù)器包括IIS信息服務(wù)器系統(tǒng)和SQL數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，前者負(fù)責(zé)與處于聯(lián)機(jī)狀態(tài)的溫濕度測(cè)試節(jié)點(diǎn)通信獲取溫濕度測(cè)量結(jié)果，然后通過(guò)Intemet以網(wǎng)站的方式向客戶(hù)廣播接收到的溫濕度檢測(cè)數(shù)據(jù)，并將接收到的數(shù)據(jù)(測(cè)試節(jié)點(diǎn)編號(hào)、溫度、濕度、測(cè)量時(shí)間等)存入SOL數(shù)據(jù)庫(kù)中，同時(shí)客戶(hù)根據(jù)不同的權(quán)限可以通過(guò)中心服務(wù)器向各個(gè)測(cè)試控制模塊發(fā)指令，改變某個(gè)溫濕度控制的參數(shù)。

    溫濕度測(cè)試模塊的結(jié)構(gòu)如圖2所示，其結(jié)構(gòu)包括：主控制器(MCu)、溫濕度傳感器、數(shù)顯及按鍵、Flash存儲(chǔ)器、網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊、時(shí)鐘器件、蜂鳴器。其測(cè)試控制過(guò)程為：每隔一定時(shí)間MCU進(jìn)行一次溫濕度測(cè)量，如果與中心服務(wù)器連機(jī)，將結(jié)果通過(guò)網(wǎng)絡(luò)上傳至中心服務(wù)器，否則將結(jié)果和當(dāng)前時(shí)間存儲(chǔ)在板上的Flash；再將濕度測(cè)量值與用戶(hù)設(shè)定值比較，根據(jù)比較的結(jié)果進(jìn)行不同的處理。例如，當(dāng)測(cè)試濕度高于設(shè)定值時(shí)，通過(guò)控制除濕材料吸收濕氣來(lái)降低濕度，如果達(dá)到設(shè)定濕度值后，通過(guò)一定的反饋控制使柜內(nèi)的濕度保持于設(shè)定范圍內(nèi)。如果溫度或者濕度高于危險(xiǎn)門(mén)限，系統(tǒng)通過(guò)蜂鳴器報(bào)警。

2 溫濕度測(cè)試控制模塊
2．1 溫濕度傳感器的選擇
    由于溫濕度測(cè)量精度是決定系統(tǒng)性能的關(guān)鍵，因此，這里選取瑞士Scnsirion公司生產(chǎn)的數(shù)字溫濕度傳感器SHl75實(shí)現(xiàn)溫濕度測(cè)量。該器件的特點(diǎn)為：出廠(chǎng)前，每只傳感器都在極為精確的濕度室中做過(guò)精密校準(zhǔn)，校準(zhǔn)系數(shù)被編成相應(yīng)的程序存入校準(zhǔn)存儲(chǔ)器中；高度集成，內(nèi)部集成有溫度測(cè)量、濕度測(cè)量、信號(hào)變換、A／D轉(zhuǎn)換和加熱器等功能；提供二線(xiàn)數(shù)字串行接口SCK和DATA，接口簡(jiǎn)單，支持CRC傳輸校驗(yàn)，傳輸可靠性高；測(cè)量精度可編程調(diào)節(jié)，內(nèi)置A／D轉(zhuǎn)換器(分辨率為8～12位，可以通過(guò)編程設(shè)置其內(nèi)部寄存器進(jìn)行選擇)，測(cè)量精確度高，由于同時(shí)集成溫濕度傳感器，可以提供溫度補(bǔ)償?shù)臐穸葴y(cè)量值和高質(zhì)量的露點(diǎn)計(jì)算功能等，濕度精度在±4％以?xún)?nèi)，溫度精度在±0．4℃以?xún)?nèi)。
2．2 檢測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方案
    當(dāng)溫濕度檢測(cè)控制模塊沒(méi)有與控制主機(jī)聯(lián)機(jī)時(shí)，需要保存檢測(cè)數(shù)據(jù)，以備檢查。因此該系統(tǒng)選用存儲(chǔ)容量為16 Mb的SST25VF016B，它屬于NAND型非易失性閃速存儲(chǔ)器。該存儲(chǔ)器具有速度快、成本低、密度大的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于傳感器測(cè)量系統(tǒng)，其讀／寫(xiě)操作是以字節(jié)為單位，而擦除操作則以塊為單位進(jìn)行操作，讀、寫(xiě)和擦除操作均通過(guò)命令完成；不能字節(jié)擦除，在每次改寫(xiě)操作之前需要先擦除一整塊；每一塊的擦除次數(shù)有限，為10萬(wàn)次左右。根據(jù)系統(tǒng)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)類(lèi)型的需要，將Flash分為2部分：一部分(2塊，每塊32 kh)存儲(chǔ)該控制塊的系統(tǒng)信息，包括編號(hào)、溫度校正信息、濕度校正信息、濕度控制范圍等；另一部分(62塊，每塊32 kb)存儲(chǔ)實(shí)時(shí)的溫度測(cè)量結(jié)果，包括測(cè)量時(shí)間、溫度、濕度，以及該記錄是否上傳。Fhash擦、寫(xiě)的控制算法為：開(kāi)機(jī)時(shí)，系統(tǒng)讀取系統(tǒng)信息，獲得各種控制參數(shù)；然后找出上一次溫濕度記錄的存儲(chǔ)最后位置及每塊的使用情況，繼續(xù)寫(xiě)入新的測(cè)量信息。當(dāng)前記錄塊寫(xiě)滿(mǎn)以后，在系統(tǒng)信息中更新塊使用情況記錄，找一個(gè)新的塊寫(xiě)入。如果存儲(chǔ)信息達(dá)到系統(tǒng)容量，選擇62塊中所存信息最早的塊擦除，重新使用。這種設(shè)計(jì)參考了u-cos文件管理系統(tǒng)，但由于傳感器測(cè)量記錄的長(zhǎng)度是固定的，簡(jiǎn)化了每條記錄的讀寫(xiě)算法。
2．3 濕度控制算法
    對(duì)于溫濕度的監(jiān)測(cè)和控制，如果僅通過(guò)簡(jiǎn)單的反饋控制(即濕度高于設(shè)定值，吸濕裝置吸收潮氣，飽和后將向外排放潮氣，如此反復(fù)來(lái)達(dá)到濕度的控制)很難達(dá)到理想的控制，原因是溫度控制器件和吸濕裝置的工作曲線(xiàn)通常都是非線(xiàn)性的，這種非線(xiàn)性使得控制時(shí)間的推算變得不確定。經(jīng)過(guò)反復(fù)研究、實(shí)驗(yàn)，本文在溫濕度檢測(cè)控制系統(tǒng)中使用了模糊控制的方法獲得較好的效果。即根據(jù)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)內(nèi)一段時(shí)間內(nèi)溫濕度測(cè)量值，得到吸濕裝置和溫度控制裝置能力的模糊估計(jì)(分為5類(lèi)：強(qiáng)、較強(qiáng)、中、較弱、弱)，并根據(jù)濕度和設(shè)定范圍的差值，得到目前濕度值的模糊估計(jì)(遠(yuǎn)大于，接近，范圍以?xún)?nèi)，低于，遠(yuǎn)低于)，然后根據(jù)設(shè)定的模糊控制規(guī)則控制外部各個(gè)固態(tài)繼電器動(dòng)作，以達(dá)到溫濕度的良好控制。
2．4 網(wǎng)絡(luò)接口實(shí)現(xiàn)
    溫濕度檢測(cè)控制模塊與中央服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)連接通過(guò)Conextop公司的NePort網(wǎng)絡(luò)串口轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)，其體積約為兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)RJ45插座，擁有10 M／100 M的以太網(wǎng)接口，并可同時(shí)傳送TCP／UDP包給多個(gè)數(shù)據(jù)接收設(shè)備，提供1～2個(gè)高速串口，波特率可達(dá)921 600 b／s。MCU通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)串口同NePort連接，NePort通過(guò)路由器與中央服務(wù)器相連。每個(gè)溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)都有唯一的系統(tǒng)編碼，通過(guò)一定的命令格式與中央服務(wù)器連接。主要的功能包括：每隔5 s上傳溫濕度測(cè)量信息；每天同步溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)鐘和服務(wù)器時(shí)鐘；通過(guò)網(wǎng)絡(luò)設(shè)置溫濕度校正信息和濕度控制信息等。

3 網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
3．1 中央服務(wù)器
    中央服務(wù)器架設(shè)有IIS信息服務(wù)器和SQL數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，用ASP．net語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)了 B／S結(jié)構(gòu)的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。B／S結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)在于系統(tǒng)內(nèi)任何接入Internet的計(jì)算機(jī)都能成為監(jiān)控客戶(hù)端，并且通過(guò)IE瀏覽器就可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)控和管理，不需安裝任何軟件。實(shí)現(xiàn)的主要功能有：對(duì)各個(gè)溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行登記管理；將各個(gè)溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的溫濕度數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)并能查閱和刪除，以及產(chǎn)生歷史曲線(xiàn)和生成報(bào)表等；通過(guò)網(wǎng)頁(yè)向Internet用戶(hù)報(bào)告實(shí)時(shí)溫濕度測(cè)量信息；用戶(hù)的登記和權(quán)限管理等。
3．2 AJAX實(shí)現(xiàn)溫濕度數(shù)據(jù)的異步傳輸
    傳統(tǒng)的B／S結(jié)構(gòu)中，當(dāng)用戶(hù)需要某特定信息時(shí)，用戶(hù)通過(guò)瀏覽器向服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求(例如點(diǎn)擊某項(xiàng)鏈接)，服務(wù)器將此鏈接指向的網(wǎng)頁(yè)發(fā)送至用戶(hù)端瀏覽器，此過(guò)程必須有用戶(hù)的參與。對(duì)于傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)，傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新，只能由服務(wù)器端自動(dòng)定時(shí)將新數(shù)據(jù)發(fā)送至瀏覽器，而不能采用點(diǎn)擊更新的方法；此外，傳統(tǒng)的網(wǎng)頁(yè)傳輸過(guò)程，是將某網(wǎng)頁(yè)內(nèi)容完全由服務(wù)器傳送至客戶(hù)端瀏覽器，但是傳感器的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控頁(yè)面每次更新的僅僅是部分測(cè)量新數(shù)據(jù)，而監(jiān)控背景畫(huà)面和各臺(tái)機(jī)器的參數(shù)信息都是固定的。如果采用傳統(tǒng)的同步更新方法會(huì)有大量重復(fù)內(nèi)容被傳輸，降低了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。本系統(tǒng)選用了AJAX技術(shù)克服了這些問(wèn)題。
    AJAX技術(shù)使用了一種異步更新方案，在這種數(shù)據(jù)傳輸方案中允許瀏覽器可以更新網(wǎng)頁(yè)中的部分信息。而每次只需更新傳感器測(cè)量信息，減輕了網(wǎng)絡(luò)通信負(fù)擔(dān)，實(shí)現(xiàn)了快速刷新。AJAX的工作原理相當(dāng)于在用戶(hù)和服務(wù)器之間加了一個(gè)中間層，使用戶(hù)操作與服務(wù)器響應(yīng)異步化。這樣把以前的一些服務(wù)器負(fù)擔(dān)的工作轉(zhuǎn)嫁到客戶(hù)端，利于客戶(hù)端閑置的處理能力來(lái)處理，減輕服務(wù)器和帶寬的負(fù)擔(dān)，從而達(dá)到節(jié)約帶寬的目的。
    本系統(tǒng)在實(shí)施溫濕度監(jiān)控的頁(yè)面上用傳統(tǒng)的HTMLl靜態(tài)頁(yè)面繪制出監(jiān)控背景，各個(gè)溫濕度監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的參數(shù)等靜態(tài)內(nèi)容，后臺(tái)則用JavaSc-ript來(lái)創(chuàng)建XMLHttpRequest類(lèi)向服務(wù)器定期發(fā)送一個(gè)HTTP請(qǐng)求，要求傳輸當(dāng)前溫濕度的測(cè)量結(jié)果。服務(wù)器收到該請(qǐng)求后通過(guò)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)(Web Service)獲得各個(gè)傳感器的測(cè)量信息，并將結(jié)果返回至請(qǐng)求的頁(yè)面，網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膬H僅是需要更新的測(cè)量數(shù)據(jù)，因此響應(yīng)速度很快，不需用戶(hù)參與。
3．3 VML實(shí)現(xiàn)溫濕度數(shù)據(jù)顯示
    當(dāng)瀏覽器接收到服務(wù)器端回傳的測(cè)量數(shù)據(jù)后必須以清晰、友好的界面顯示。為了減輕服務(wù)器負(fù)擔(dān)，應(yīng)該避免在服務(wù)器端繪制圖表(傳統(tǒng)的ASP．NET圖表實(shí)現(xiàn)方法)而應(yīng)在瀏覽器端實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)的方案也較多，比如ActiveX、Java applet、SVG、VML等。ActiveX和Java applet是在網(wǎng)頁(yè)上插入二進(jìn)制形式的組件實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)、交互式的多媒體網(wǎng)頁(yè)，但是二進(jìn)制形式的代碼對(duì)瀏覽器端是一個(gè)安全威脅，因此一般的ActiveX或Java applet需要經(jīng)過(guò)數(shù)字簽名才能被用戶(hù)接受；此外微軟操作系統(tǒng)的版本改變也會(huì)影響對(duì)ActiveX和Java applet的支持。而SVG和VML則是通過(guò)特定的腳本語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)在瀏覽器端的作圖，其代碼對(duì)客戶(hù)端是開(kāi)放的，因此不存在安全問(wèn)題。SVG需要瀏覽器安裝相應(yīng)的插件才能工作，而VML得到目前主流瀏覽器IE的支持不需要任何安裝，因此本系統(tǒng)選取VML的實(shí)現(xiàn)方案。VML(Vector Markup Language)是一種用矢量描述圖形的語(yǔ)言，其圖形可以任意放大縮小而不損失質(zhì)量，在VML里面，標(biāo)記使用的是XML擴(kuò)展。結(jié)合Javascript腳本語(yǔ)言，VML可以動(dòng)態(tài)顯示圖形。VML避免了由第三方提供數(shù)字簽名，也不需要安裝IE新插件，實(shí)現(xiàn)結(jié)果如圖3和圖4所示。圖3是將各節(jié)點(diǎn)上傳的溫濕度測(cè)量值繪成的曲線(xiàn)圖，客戶(hù)可以一目了然地了解每個(gè)節(jié)點(diǎn)在一段時(shí)間內(nèi)的溫濕度變化情況。圖4是動(dòng)態(tài)更新的同時(shí)顯示多節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)溫濕度測(cè)量值。

4 結(jié)束語(yǔ)
    本文主要介紹了一種新型的基于網(wǎng)絡(luò)的溫濕度監(jiān)控傳輸系統(tǒng)的研制，其創(chuàng)新的技術(shù)特點(diǎn)體現(xiàn)在：通過(guò)采用高性能的溫濕度測(cè)量器件達(dá)到了更高的測(cè)量精度；采用模糊控制技術(shù)進(jìn)行濕度調(diào)控，減少了系統(tǒng)的狀態(tài)切換，控制效果好；Flash文件存儲(chǔ)方案，完成了測(cè)量數(shù)據(jù)的保存、擦除。此外，網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控方案采用了AJAX技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)的異步傳輸，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度；并采用了VML實(shí)現(xiàn)了測(cè)量數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)顯示。這種方案也可以推廣應(yīng)用于其他傳感器的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)。