基于MSP430和GSM的紡織廠空調集中實時監控裝置

趙方　王曉峰

摘要：針對當前紡織廠空調控制設備基本不能實現遠程集中監控，控制器成本高的現狀，設計了成本低廉、能實現遠程集中監控的紡織廠溫濕度自動控制及遠程實時監控裝置。裝置采用MSP430單片機作為核心控制器，能對車間溫度、濕度自動調節，能現場實時顯示溫、濕度實際值并能通過GSM網絡將現場環境參數發送至監控中心上位機。當控制器自動調節不成功時，控制器發出聲光報警同時自動啟動GSM模塊將報警信息發送至監控中心上位機軟件提示，并發送至值班員手機，實現了雙重保險，節省了大量人力、物力。本裝置布線簡單，無線通訊不受距離的限制，監控軟件人機界面友好，具有廣泛的應用前景。

關鍵詞：MSP430單片機；GSM無線通訊；紡織廠空調；遠程監控

中圖分類號：TP277

文獻標志碼：B

文章編號：1009-265X（2017）02-0067-05

Abstract：For the current situation that airconditioning control equipment in textile mill basically cannot realize remote centralized monitoring and controller cost is high， this paper designs automatic temperature and humidity control and remote realtime monitoring device with low cost which can realize remote centralized monitoring. With MSP430 singlechip as core controller， the device can automatically adjust workshop temperature and humidity， display actual value of temperature and humidity on site in real time and transmit site environmental parameters to upper computer in monitoring center through GSM network. When automatic adjustment of controller fails， controller will make soundlight alarm and meanwhile automatically activate GSM module to transmit alarm information to software prompt of upper computer in monitoring center and the mobile phone of person on duty， thus realizing double insurance and saving a lot of manpower and material resources. This device has simple wiring， wireless communication without distance limit， friendly humancomputer interface of monitoring software and wide application prospect.

Key words：MSP430 singlechip； GSM wireless communication； airconditioning of textile mill； remote monitoring

紡織廠空調是隨著紡織工業的發展而逐步建立起來的，紡織廠空調的作用有兩個：一是滿足生產工藝所要求的溫、濕度條件；二是改善勞動條件，保護職工健康，提高勞動生產率。在紡織品的生產過程中，紡織車間的空氣溫度、濕度是影響產品質量的關鍵因素[12]。因此，嚴格控制紡織車間空氣溫度、濕度是保證產品質量和工作效率的關鍵。紡織車間的相對濕度波動范圍不能超過±5%，溫度在20～31℃，否則將影響產品的質量和工作效率。傳統的紡織廠車間溫、濕度的控制雖然也實現了自動控制，但是存在控制精度低、故障率高，對控制設備的配置和故障診斷主要靠工人定期到工作現場檢查，不能及時檢測、發現實際存在的隱患。另外，現有的紡織廠車間空調的自動控制大都采用價格昂貴的PLC作為主控制器。根據紡織廠控制設備分布區域廣的特點，本設計基于GSM無線通訊網絡和價格低廉的MSP430單片機設計了能夠對大范圍內的控制設備實現集中實時監控的遠程監控裝置，該裝置能實時監控生產現場的實時信息、遠程調度、遠程在線配置和故障診斷等功能。

1系統組成及工作原理

紡織廠空調遠程實時監控裝置由兩部分組成：一是紡織車間空調的自動控制系統。二是紡織廠監控中心的計算機實時監控軟件和值班員手機。根據紡織廠車間的規模以及實際需要，一個車間的空調的控制器可以有多個，其中一個控制器的系統組成框圖如圖1所示。紡織車間空調的自動控制器系統由MSP430單片機、溫度傳感器、濕度傳感器、鍵盤、時鐘、光電隔離模塊、執行機構和TC35I模塊組成，其主要功能是主控制器MSP430單片機接收來自溫度、濕度傳感器采集到的溫、濕度實時信息，和其內部存儲器事先設定的工藝要求值相比較，當車間溫、濕度的實際值不在要求的范圍內時，單片機發出控制指令控制外圍的執行機構做溫、濕度的自動調整。經過調整仍不能滿足要求時系統發出報警信號，提示值班員檢查故障。同時主控制器MSP430單片機啟動和其相連的TC35I無線通訊模塊將報警信息發送至上位機監控中心計算機軟件和值班員手機。系統中LCD液晶顯示的作用是實時顯示車間的溫、濕度信息。控制器鍵盤的作用是對紡織廠生產車間的溫、濕度工藝參數進行設定。時鐘為整個系統提供了時基。上位機監控中心實時監控軟件采用VC++編寫，主要功能是無線接收紡織車間控制器發來的溫、濕度以及故障報警等實時信息并在計算機監控軟件進行顯示，同時對車間溫、濕度工藝參數可以通過該軟件實現遠程設置。同時，車間的故障信息還可以發送至值班員手機，使值班員能夠對車間故障及時做出處理，避免了不必要的損失，從而實現了雙重保險。

值班員利用本設計開發的上位機監控軟件，在值班室就能實時掌控所有車間的空調設備的實時工作情況，從而降低了維護費用和巡檢人數，提高了管理效率，節省了生產成本。

2硬件選型及設計

2.1主控制器的選型

主控制器選擇TI公司的16位超低功耗單片機MSP430F149單片機采集車間的溫度、濕度等信息，該單片機具有豐富的外圍模塊，包含FLASH存儲器，12位A/D，2個16位定時器，看門狗，最高頻率可到8MHz的時鐘模塊2組，串口2個，10個并行I/O口，可穩定工作在—40～85 ℃工業環境中[3]。其內部預設了JTAG模塊，具有完整的在線調試功能，內部的FLASH可以實現在線編程[4]。本設計選用MSP430F149單片機完全符合實際要求。

2.2溫、濕度采集電路設計

溫度傳感器采用數字輸出的溫度傳感器DS18B20，具有寬的電壓工作范圍：3.0～5.5 V；單線接口，只需一根線控制器連接即可實現傳感器與單片機之間的雙向通訊；支持多點組網功能，多個DS18B20可以并聯在唯一的三線上，方便的實現多點測溫；使用時不需要任何外圍電路，測溫范圍在-55～125 ℃，通過編程可設置分辨率為9～12位，模數轉換速度快可在93.75 s～750 ms內把溫度轉換為數字量，具有極強的抗干擾糾錯能力[5]。

根據實際需要可以在紡織車間用多個DS18B20溫度傳感器設置多個測溫點，但這多個測溫點數據只需要占用單片機的一個I/O口，當多個傳感器并聯使用同一根I/O口線時，采用74LS245雙向驅動器來提高單片機I/O口的驅動能力，一根I/O口可帶64個DS18B20，溫、濕度測量電路圖如圖2所示，圖2只畫出一根I/O口的連接。

濕度傳感器采用模擬式的HM1500集成傳感器，輸出信號是1～4 V的電壓，相對濕度測量范圍是0～100%，精度為±3%，靈敏度為25 mV/%RH，溫度系數為0.1%RH/℃，5VDC供電，浸水無影響，互換性好，可靠性高，飄移小，輸入和輸出之間為線性關系，響應速度快、重復性好，抗污染能力強。帶防護棒式封裝，共有3根引線：藍色線接電源正極、白色線接地、黃色線接輸出。其輸入與輸出之間的關系為[6]：UO=1.079+0.568RH。濕度傳感器的輸出直接送入單片機內部的A/D轉換電路進行A/D轉換。

2.3鍵盤、報警、顯示電路設計

車間控制器鍵盤的主要作用是對溫度、濕度根據不同工藝的要求進行設定，由于需要設定的參數不多且并不復雜，采用了獨立式鍵盤，有“加”、“減”、“設置”、“確認”四個鍵。顯示器的作用是實時顯示現場的實際溫度和濕度以及報警信息，選擇性價比較高的LCD12864液晶顯示器作為系統的顯示器件。系統時鐘采用常用的性價比高的DS1302時鐘芯片作為系統的時鐘，并設計了紐扣電池供電和電源供電兩種方式的自動切換，實現了不間斷計時，主要為系統提供時鐘。報警電路的功能是提醒值班員故障情況的發生，采用了聲光報警的方式進行提示。電路圖如圖3所示。

2.4無線通信電路設計

本設計采用不受時間、空間、距離限制的、開放的GSM無線移動通訊網絡把紡織廠現場的溫度、濕度、故障等信息傳輸給上位機監控軟件。無線通訊GSM模塊選擇抗干擾能力強、經濟實惠的TC35I，它是西門子的新一代無線通訊模塊，可以傳輸數據、語音、短信息和傳真，支持文本和PDU模式的短信息和傳真，其工作電壓是3.3～5.5 V，推薦值為4.2 V。TC35I模塊通過ZIF連接器與單片機的RS232接口連接進行數據的傳輸。上位機計算機和TC35I模塊通過ZIF連接器連接。TC35I模塊可工作在900和1800雙頻段，它支持常用格式的短信息，可采用300 b/s～115 kb/s的通訊速率傳輸數據[78]。其通訊電路連接圖如圖4所示。

74F07模塊的功能是把TTL電平轉換為CMOS電平。無線通訊模塊和監控中心計算機之間通過RS232串口進行連接[910]。利用計算機的串口電源為TC35I模塊供電，線路連接簡單、成本低，系統靈活。

3軟件設計及模擬試驗

本裝置的軟件設計包括車間的溫、濕度自動控制控制器軟件和監控中心的上位機監控軟件。溫濕度自動控制軟件采用VC++編制，通用性強，易于移植改造、系統升級等。車間自動控制器軟件的功能是實時采集車間的溫度、濕度信息，并和設定值比較，當溫度或者濕度實際值不在設定值的范圍內時，單片機自動做出控制決策，驅動外部執行機構做出相應的自動調節。根據實際需要可以設定固定的時間通過GSM無線通訊將車間的溫度、濕度信息發送至監控中心上位機進行顯示，因此，一般情況下僅需一名值班員就可以實時監視所有車間的環境情況。自動調節不成功時發出報警信號，同時控制器自動啟動TC35I，將報警信號傳輸至值班員手機和監控軟件顯示具體報警信息，以便值班員針對報警的位置第一時間做出應對措施。控制器軟件主要包括各I/O口的初始化，各子程序初始化，溫、濕度采集及處理子程序，GSM通訊子程序，顯示和報警等子程序模塊。圖5是本設計的主程序流程圖。

監控中心上位機軟件采用VC++編制，設有數據庫、系統配置、遠程溫濕度設定、檢測點選擇，監測點溫濕度顯示及查詢、故障位置提示等功能，界面友好，易于操作、觀察和升級。

本裝置在實驗室進行了反復模擬試驗，設置了2個監測點，分步驟進行試驗。

第一步將1號監測點溫度參數設定為20～31 ℃，人為改變溫度值分別為16 ℃、33 ℃，控制裝置都會啟動相應控制繼電器開始工作，人為使之調節不成功，系統發出報警信號，同時上位機均接收到了具體報警信息；

第二步將2號監測點相對濕度設定在50%～85%范圍內，人為用加濕器使濕度超出上限，控制裝置及時啟動相應濕度控制繼電器工作，人為使之調節不成功時系統發出報警，同時將報警具體信息發送到了監控中心；

第三步將自動上報溫、濕度信息時間設定為10 min，每隔10 min控制裝置就會將2個監測點的實時溫度、濕度信息發送至上位機監控中心顯示。其次進行綜合實驗，當2個監測點的溫、濕度同時異常時均會自動調節。

4結論

試驗表明本裝置的控制器能對溫度、濕度自動、實時調節，并能根據設定的時間間隔實時地將現場的溫度、濕度等信息通過GSM網絡發送至監控中心上位機顯示。當自動調節不成功時，發出聲光報警信號，同時啟動GSM無線通訊將報警信息發送至監控中心上位機軟件并提示報警，同時發送至值班員手機，從而使值班員能及時做出處理，避免了不必要的經濟損失，實現了雙重保險。本裝置花費最少的人力、物力，實現了效益的最大化，有效的實現了紡織廠車間空調設備的自動控制及遠程監控，控制器成本低廉、抗干擾性強，上位機監控軟件人機界面友好，操作簡單方便，在紡織廠溫度、濕度的控制中具有廣泛的應用前景。

參考文獻：

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（責任編輯：許惠兒）