一種遠程溫度差值監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

摘 要： 為了實現(xiàn)溫室內(nèi)外溫差的自動控制，設(shè)計了一種遠程智能溫差監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)能根據(jù)要求實時調(diào)節(jié)溫室溫度、遠程動態(tài)實時地顯示現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)、海量測試數(shù)據(jù)的自動備份，并能隨時調(diào)用數(shù)據(jù)結(jié)果進行分析。實際運行結(jié)果表明該系統(tǒng)達到設(shè)計要求。

關(guān)鍵詞： 溫度測量； 溫差控制； 遠程傳輸； DS18B20

中圖分類號： TN92?34； TP368.1 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）07?0105?03

0 引 言

溫度測量儀器的用途相當(dāng)廣泛，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)和人們生活的方方面面都起到重要作用。而隨著現(xiàn)代電子技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，自動溫度測量和控制設(shè)備，在溫室測溫、冷庫測溫、冷鏈物流控溫等領(lǐng)域中都得到了廣泛的應(yīng)用。在無線通信技術(shù)蓬勃發(fā)展的今天，更是有必要設(shè)計和研究支持實時遠程監(jiān)控溫度的模塊、設(shè)備和系統(tǒng)。本文設(shè)計并研制了一種遠程室內(nèi)外溫度差值監(jiān)控系統(tǒng)，支持實時并行監(jiān)測多個溫室的溫度值并維持其在一定范圍內(nèi)，通過GPRS無線模塊接入電信網(wǎng)絡(luò)，與服務(wù)器軟件交互測量數(shù)據(jù)，支持人工下達溫差控制命令。目前該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于某研究所的生態(tài)研究項目中。

1 系統(tǒng)工作原理

為了研究某地某種海洋植物在同一地區(qū)同一時期不同氣溫、水溫環(huán)境下的生長變化情況，某研究小組在海邊建設(shè)若干溫室棚區(qū)對實驗環(huán)境進行模擬，其中要求設(shè)計一種溫度監(jiān)控系統(tǒng)以自動地保持溫室內(nèi)外的溫度差值在一定范圍內(nèi)。因為該課題的研究室與溫室棚區(qū)現(xiàn)場相距數(shù)十公里遠，為了支持研究室小組成員實時地監(jiān)視溫室內(nèi)外溫度的變化情況以及調(diào)控溫室與室外溫差范圍等參數(shù)，設(shè)計了一種遠程室內(nèi)外溫差監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)的組成如圖1所示。其中，實驗現(xiàn)場的四個溫室棚區(qū)呈“井”字形排列，分別編號為溫室A，B，C，D；4個溫度探測點和4個加熱管分別位于各溫室中心，負責(zé)探測室內(nèi)溫度及加熱升溫。棚內(nèi)溫度探測點與室外溫度探測點放置溫度傳感器連接到中心控制器，加熱管的開和關(guān)由控制器電路板上的繼電器控制。控制器通過GPRS收發(fā)無線信號，以UDP包格式定時交互溫度測量數(shù)據(jù)，支持短信格式的溫差范圍控制命令。

遠程室內(nèi)外溫差監(jiān)控系統(tǒng)示意圖

其中溫室內(nèi)外溫差控制需要一定的準(zhǔn)則。假設(shè)室內(nèi)溫度為T，室外溫度To，希望室內(nèi)外溫度差值在[Min DT， Max DT]范圍內(nèi)。當(dāng)T-ToMax DT后，加熱管斷電，停止加溫，室內(nèi)溫度T會緩慢下降；而后當(dāng)T-To

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本系統(tǒng)采用的測溫器件DS18B20是美國DALLAS公司的智能溫度傳感器，具有簡單接口線路和簡潔的數(shù)字式溫度讀數(shù)方式[1]，它已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種自動溫度測量的電子系統(tǒng)中[2?5]。本系統(tǒng)的溫室現(xiàn)場中心控制器采用意法半導(dǎo)體公司的STM32微控制器，它采用了高性能、低功耗、實時性強的Cortex?M3內(nèi)核，支持豐富的I/O口和USART，USB，CAN等多種通信協(xié)議[6?7]。STM32能很好地滿足本系統(tǒng)的設(shè)計要求，利用GPIO口連接多個DS18B20實現(xiàn)同時讀取測量到的溫度值，利用GPIO口控制多個繼電器的開關(guān)以實現(xiàn)對4個溫室內(nèi)加熱管的通電斷電控制，中心控制器通過USART口與GPRS模塊進行測量、控制數(shù)據(jù)的收發(fā)處理。GPRS（General Packet Radio Service）能提供比現(xiàn)有GSM網(wǎng)絡(luò)的9.6 Kb/s更高的數(shù)據(jù)速率[6?9]。GPRS模塊支持通過UDP包格式和短信方式與遠程監(jiān)控計算機上的軟件進行交互。硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

溫室現(xiàn)場中心控制器單元電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 中心控制器主流程

為中心控制器中的程序基本流程，其中定時器1被用于周期性地觸發(fā)發(fā)送溫度測量數(shù)據(jù)和處理遠程控制命令的本地調(diào)整。為了保證溫度控制現(xiàn)場的控制器穩(wěn)定性，開啟STM32的看門狗設(shè)置，且在進行溫度探測點的溫度更新時，采用3點中值濾波以防止數(shù)據(jù)抖動。GPRS模塊采用短信方式接收遠程計算機的IP地址和端口號等控制命令，初始化后，以UDP包發(fā)送溫度測量值。

溫室現(xiàn)場控制器流程圖

3.2 溫差控制子程序

溫差控制子程序的主要流程如圖4所示。圖中T[0]表示室外溫度，T[I]， I=1，2，3，4為溫室A，B，C，D中心的DS18B20測量到的室內(nèi)溫度值。通過溫差控制子程序及升溫降溫設(shè)備配合，可將溫室溫度控制在與室外溫度差值[Min DT，Max DT]范圍內(nèi)。

溫差控制流程圖

3.3 遠程服務(wù)器

遠程計算機上的服務(wù)器軟件采用Microsoft公司的VC 6.0進行設(shè)計。該軟件的實際運行圖如圖5所示。

遠程監(jiān)控計算機運行圖

MFC上應(yīng)用WinSock控件進行網(wǎng)絡(luò)套接字編程以支持UDP包的收發(fā)。采用短信的方式將服務(wù)器的IP地址和端口號發(fā)送給溫室現(xiàn)場的中心控制器。WinSock從該端口接收到符合軟件自定義格式的數(shù)據(jù)包后，解析出相應(yīng)的室外溫度、4個溫室的溫度和其余狀態(tài)值，在曲線圖和文本框中動態(tài)更新當(dāng)前溫度測量情況。然后以時間戳+溫度測量值的方式追加溫度數(shù)據(jù)到記錄文件中，方便后續(xù)的數(shù)據(jù)分析。

4 運行測試結(jié)果

目前本文設(shè)計的遠程室內(nèi)外溫度差值監(jiān)控系統(tǒng)已在某研究所順利運行了八個多月并獲得了多組測量數(shù)據(jù)。計算機對記錄的數(shù)據(jù)進行讀取和分析，表明了該系統(tǒng)能實時準(zhǔn)確地滿足溫室內(nèi)外溫差的監(jiān)控要求。圖6是某段時間的遠程數(shù)據(jù)記錄情況。

遠程數(shù)據(jù)記錄

從記錄結(jié)果中截取某段局部數(shù)據(jù)如圖7所示，以便查看短時間內(nèi)通過繼電器控制加熱管后，室內(nèi)溫度隨室外溫度的變化情況。

升溫降溫過程與溫差分析

生態(tài)研究人員在這段時間內(nèi)，遠程設(shè)定室內(nèi)外溫度差值范圍控制在[1，2]℃內(nèi)。那么，在圖7中可以發(fā)現(xiàn)，這段時間內(nèi)測量到的室外溫度在14 ℃左右波動。而通過中心控制器的繼電器的開關(guān)動作，使得加熱管通斷電，4個室內(nèi)溫度各自在升溫到16 ℃左右后，降到15 ℃左右，繼續(xù)該升溫降溫過程。整個升溫降溫過程中能保持室內(nèi)外的溫度差值在[1，2]℃之間變化。本系統(tǒng)很好地實現(xiàn)了溫室內(nèi)外溫度差值的遠程監(jiān)視和控制。

5 結(jié) 語

隨著信息時代的電子技術(shù)、計算機技術(shù)和無線通信技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的溫度測量和調(diào)節(jié)方式，已經(jīng)越來越適應(yīng)不了現(xiàn)代溫度測控的需求。本文設(shè)計了一種遠程室內(nèi)外溫差監(jiān)控系統(tǒng)，通過簡單便捷的方式實現(xiàn)室內(nèi)外溫度的測量、溫室溫度的智能調(diào)節(jié)、溫度測量數(shù)據(jù)的遠程查看，遠程交互溫差控制命令。實際測試結(jié)果表明，本系統(tǒng)可以長期穩(wěn)定地工作，并滿足遠程溫度監(jiān)控的設(shè)計需求。該系統(tǒng)為某地海洋植物的生態(tài)研究提供了便利，也可以作為一種遠程測量監(jiān)控的原型方案，為更加復(fù)雜的應(yīng)用提供設(shè)計參考。

參考文獻

[1] 趙海蘭，趙祥偉.智能溫度傳感器DS18B20的原理與應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2003，26（14）：32?34.

[2] 潘勇，孟慶斌.基于DS18B20的多點溫度測量系統(tǒng)設(shè)計[J].電子測量技術(shù)，2008（9）：91?93.

[3] 陳忠平，高金定.基于ATmega16與DS18B20的智能溫控系統(tǒng)的設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34（4）：175?177.

[4] 陳生翰，劉其洪，丁柱.單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20自動識別的設(shè)計與實現(xiàn)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2010（5）：16?18.

[5] 呂建波.基于單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20的測溫系統(tǒng)設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（19）：117?119.

[6] 季力.基于STM32芯片的電參數(shù)測量與數(shù)據(jù)傳輸[J].自動化與儀器儀表，2010（3）：137?139.

[7] 陳媛，郭志波.基于STM32的電網(wǎng)諧波檢測儀的研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（18）：171?173.

[8] 趙亮，黎峰.GPRS無線網(wǎng)絡(luò)在遠程數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用[J].計算機工程與設(shè)計，2005（9）：2552?2554.

[9] 杜曉婷，李美蓮.基于GPRS的遠程監(jiān)控系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34（17）：205?207.