摘 要：介紹了一種基于RS-485總線的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)。給出了其整體結(jié)構(gòu)、硬件設(shè)計、系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)方案以及系統(tǒng)軟件的開發(fā)和實現(xiàn)。該監(jiān)控系統(tǒng)可方便地應(yīng)用于大多數(shù)溫度和濕度控制場合。經(jīng)實際驗證，系統(tǒng)的穩(wěn)定性好，精度高，符合監(jiān)控要求。

關(guān)鍵詞：RS-485總線;溫濕度;監(jiān)控系統(tǒng);單片機; 串行通信

Abstract: The paper presents a temperature-humidity monitoring system based on RS-485 bus. The development and realization of the system structure, hardware design, communication network and the software design of the monitoring system are introduced. The system which can apply to most of temperature-humidity control occasions easily has good stability and accuracy under experiments.

Key Words: RS-485 Bus; Temperature-Humidity; Monitoring System; Microcontroller;Serial Communication

1 概述

　　環(huán)境條件中的溫濕度指標(biāo)是許多工作場合中的重要參數(shù)，不論是倉庫管理、圖書保存還是工業(yè)測量與計量檢定，都需要符合操作規(guī)定的溫濕度環(huán)境條件。而溫濕度也是最不容易保障的指標(biāo)，針對這一情況，研制可靠且實用的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)顯得非常重要。監(jiān)控系統(tǒng)以RS-485總線協(xié)議為基礎(chǔ)組成分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，采用PC機與單片機組成的多機系統(tǒng)完成測量與控制任務(wù)。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)及工作原理

　　2.1網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖如圖1。系統(tǒng)采用兩級主從式總線型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。由1臺PC機（作為上位機）、若干臺AT89S52單片機（作為下位機）和RS-485總線通信網(wǎng)絡(luò)組成。整個系統(tǒng)在監(jiān)控系統(tǒng)管理軟件的控制下，統(tǒng)一協(xié)調(diào)工作，完成設(shè)計功能。

　　2.2 主從式通信網(wǎng)絡(luò)

　　監(jiān)控系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)通信采用RS-485串行總線連接，串行通信具有傳輸距離長、連接簡單、使用靈活方便、數(shù)據(jù)傳輸可靠性高的特點，在工業(yè)監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集和實時控制系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。其中采用差分通信方式進(jìn)行信號發(fā)送與接收的RS-485（EIA-485Standard）總線協(xié)議較RS-232C協(xié)議提高了抗共模干擾能力和傳輸速率，擴(kuò)大了傳輸距離，更適合作為現(xiàn)場總線應(yīng)用于復(fù)雜的環(huán)境中的工業(yè)控制和實時監(jiān)控系統(tǒng)中[1]。

　　下位現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集與控制單元掛接于同一條數(shù)據(jù)通信總線，總線為各現(xiàn)場單元共享，為避免總線通信的競爭與沖突，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信采用主從式和廣播式通信控制方法。由主控微機決定一次通信過程的啟動和終止，通過給需要通信的現(xiàn)場單元分配總線通信使用權(quán)的方法來實現(xiàn)與下位單片機與主控微機之間的網(wǎng)絡(luò)通信。網(wǎng)絡(luò)中的下位單片機請求通信時必須等待主控微機將總線使用權(quán)分配給它后才能收發(fā)數(shù)據(jù)[2]。采用主從通信控制方法雖然速度稍慢，但由于現(xiàn)場單片機與主控微機間的信息交換不是特別頻繁，因此對于本監(jiān)控系統(tǒng)是適用的。

　　PC主控微機與各現(xiàn)場單元單片機之間所采用的通信規(guī)約是自定義的、非標(biāo)準(zhǔn)的、比較簡單的格式。主控PC微機通過RS-232C串口向總線通信協(xié)議轉(zhuǎn)換控制器發(fā)送命令幀信息，總線控制器接口電路負(fù)責(zé)RS-232C電平和RS-485電平之間的相互轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)發(fā)此通信幀向RS-485總線網(wǎng)絡(luò)廣播。在通信幀中包含主控微機所要求的下位現(xiàn)場單元編號，所有下位現(xiàn)場單元單片機都收聽廣播，在收到廣播幀后，進(jìn)行編號對比操作，各下位單片機把收到的編號與自己的編號進(jìn)行比較，編號相同的下位單片機控制器為被選中的下位機，對接收到的幀信息進(jìn)行處理，其余下位單片機控制器皆為未選中的下位機，需要丟棄收到的幀信息并繼續(xù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)偵聽工作[3]。同樣，下位現(xiàn)場單元單片機向主控微機發(fā)送信息幀時，由總線通信協(xié)議轉(zhuǎn)換控制器轉(zhuǎn)換為RS-232C通信協(xié)議電平向主控微機轉(zhuǎn)發(fā)。在設(shè)計實驗中，監(jiān)控系統(tǒng)在串行通信波特率為9600bit/s，無奇偶校驗位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位的設(shè)置下通信正常，沒有發(fā)生丟幀或錯幀的現(xiàn)象。

　　2.3 下位機數(shù)據(jù)采集與控制單元

　　下位機是一個以AT89S52單片機為核心的數(shù)據(jù)采集與控制單元。AT89S52是一個低功耗，高性能CMOS 8位單片機，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，功能強大的AT89S52可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價比的解決方案。AT89S52具有如下資源：40個引腳，8k Bytes Flash片內(nèi)程序存儲（In system programmable可反復(fù)擦寫1000次），256 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），32個外部雙向輸入/輸出（I/O）口，5個中斷優(yōu)先級2層中斷嵌套中斷，2個16位可編程定時計數(shù)器，2個全雙工串行通信口，看門狗（WDT）電路，片內(nèi)時鐘振蕩器。可通過軟件設(shè)置省電模式。空閑模式下，CPU暫停工作，而RAM定時計數(shù)器，串行口，外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，直至外中斷激活或硬件復(fù)位[4]。下位機分別接有8路溫度濕度傳感器，進(jìn)行溫度濕度檢測，并根據(jù)各路的平均溫度和平均濕度，控制除濕機、空調(diào)機或其他設(shè)施，以使環(huán)境溫度與濕度控制在特定的范圍內(nèi)，并輪流顯示平均溫度、濕度值。下位機還設(shè)有煙霧、火光和熱釋電紅外傳感器及其相關(guān)電路 ，組成防火、防盜報警系統(tǒng)。下位單片機通過TTL/RS-485通信接口電路與總線網(wǎng)絡(luò)相連接構(gòu)成半雙工主從式串行通信網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)下位機通過串行口與上位機交換數(shù)據(jù)。下位機是一個相對獨立的智能型區(qū)域數(shù)據(jù)測量與控制子系統(tǒng)，當(dāng)監(jiān)控主機與下位單片機之間的通信發(fā)生故障時，各下位機仍可獨立完成相關(guān)區(qū)域的數(shù)據(jù)采集、告警和控制功能。

　　各溫度和濕度傳感器分別將檢測到的溫度和濕度物理量轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)各自的低噪聲放大器放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/ D）后，送到AT89S52單片機進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理。下位機可接受上位機的訪問，根據(jù)需要將溫度、濕度數(shù)據(jù)實時傳遞給上位機，由上位機對各倉庫的溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄并做相應(yīng)處理。由于不同武器裝備對環(huán)境溫、濕度要求不同，用戶可通過外加鍵盤，在所需要的范圍內(nèi)隨意設(shè)置系統(tǒng)監(jiān)控的溫、濕度指標(biāo)，以便系統(tǒng)適應(yīng)不同的需要。

3 軟件設(shè)計

　　3.1網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)軟件的設(shè)計與開發(fā)

　　網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)軟件的設(shè)計與開發(fā)采用基于面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計思想和關(guān)系數(shù)據(jù)庫技術(shù)，在Windows9x/2000/XP系統(tǒng)平臺上采用Borland C++ Builder編程語言開發(fā)而成。監(jiān)控系統(tǒng)軟件完成的主要任務(wù)和功能有:系統(tǒng)組態(tài)、串行通信管理、圖形顯示管理、數(shù)據(jù)存儲、報表打印、統(tǒng)計分析、異常處理等。倉儲網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計功能較多而復(fù)雜，而且層次比較多。因此在設(shè)計上首先基于Windows的多任務(wù)處理機制，前臺完成命令響應(yīng)、各模塊調(diào)用以及系統(tǒng)工作狀態(tài)的動態(tài)實時圖形化顯示等，后臺負(fù)責(zé)實時監(jiān)視接收各下位現(xiàn)場單元發(fā)送的數(shù)據(jù)、定時巡檢或隨機抽檢工作現(xiàn)場的單片機控制器、進(jìn)行異常處理和報警處理等;在編程技術(shù)上采用VCL組件開發(fā)技術(shù)，應(yīng)用多線程技術(shù)進(jìn)行多任務(wù)處理;其次，采用模塊化程序設(shè)計，把一個大的程序劃分為若干個小的功能模塊，每個模塊之間既相互獨立又相互聯(lián)系，這樣可以提高軟件的可維護(hù)性、可讀性、可靠性和高效性[2]。

　　3.2 下位機程序設(shè)計[5]

　　下位機主程序流程圖如圖2所示。包括對系統(tǒng)進(jìn)行初始化處理;判斷中斷方式（含優(yōu)先級）設(shè)置;串行口工作方式設(shè)置;系統(tǒng)各種指標(biāo)的裝入;鍵盤初始化;控制信號初始化以及建立數(shù)據(jù)指針、通道初值并啟動 A/ D轉(zhuǎn)換。

　　以下僅給出下位機處理呼叫應(yīng)答時的部分程序：

　　# define ADD0 x01

　　…

　　sbit tr=p1.3;

　　void service serial（void） interrupt4using1

　　｛

　　uchar　 rs;

　　RI=0;

　　ES=0;　 //關(guān)串行中斷

　　tr=0;

　　rs=SBUF;

　　…

　　｝

　　if（rs!=ADD）　 //不是呼叫本機

　　｛

　　ES=1;

　　if（P3.3=0 ）　//A/D轉(zhuǎn)換請求中斷

　　…

　　Return;

　　｝

　　SM2 =0;

　　tr=1;

　　SBUF=ADD;　　//應(yīng)答

　　While（TI=0）;

　　TI=0;

　　tr=0;　　 //執(zhí)行通信命令

　　…

4 結(jié)語

　　實踐證明，基于RS-485總線協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)依托集中管理、分散控制的現(xiàn)代控制技術(shù)，組成監(jiān)控系統(tǒng)的硬件和軟件采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化和系統(tǒng)化的設(shè)計，系統(tǒng)的配置具有通用性強、系統(tǒng)組態(tài)靈活、控制功能完善以及系統(tǒng)安裝、調(diào)試和維修簡便等特點，并且還可以通過智能通信接口或標(biāo)準(zhǔn)的通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和其它監(jiān)控系統(tǒng)，如門禁管理子系統(tǒng)相交聯(lián)通信，組成功能更完善的自動化網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)

　　[1] 邱公偉，趙祥元，巫淑萍.實時控制與智能儀表多微機系統(tǒng)的通信技術(shù)[M].北京:清華大學(xué)出版社，1996

　　[2] 周海峰，趙春宇，陳大躍.基于RS-485的種子處理成套設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)控制設(shè)計[J].測控技術(shù)，2004,23（12）:48-49

　　[3] 韓世進(jìn)，張樂年.基于RS-485的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2003（11）:14-15

　　[4] 孫育才，王榮興，孫華芳. ATMEL新型AT89S52系列單片機及其應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社，2005

　　[5] 李華，孫曉民，李紅青，等.MCS-51系列單片機實用接口技術(shù)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，1993