基于IP網絡的環境參數監測系統研究與設計

段建紅+林傳祿+劉強

摘要：針對實驗室、倉庫等場所控溫防潮防火的難題，在研究單片機接入IP網技術的基礎上，設計實現了基于IP網絡的低成本、多參數、集檢測與控制功能于一體的環境參數實時監測系統，經測試可完成環境參數的遠程智能化實時檢測、控制和報警，具有網絡化、智能化、實時化特點。

關鍵詞：IP網絡；環境參數；智能監測；嵌入式

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）06-0189-02

1 引言

在東南沿海地區，雷雨、臺風多發，倉庫、實驗室等場所的防潮、防霉、防火、防爆是日常管理的重要內容，直接影響倉儲物資的使用壽命和可靠性。若靠人工檢測、記錄溫濕度等數據，既費時費力、效率低，又無法實時、有效監測。為此，本文設計實現了基于IP網絡的低成本、多參數、集檢測與控制功能于一體的環境參數實時監測系統。

2 系統組成及工作原理

如圖1所示，系統主要由監測儀、Ethernet網絡和監控中心三部分組成。

系統通過監測儀實時采集各點溫、濕、煙、光等環境參數，通過IP網絡將檢測數據傳輸到監控中心PC機進行統一顯示和處理，若某項參數超出正常范圍，則啟動報警器，通知值班人員及時處理。

監測儀以單片機為核心，完成各監控點的數據采集、處理、顯示、傳輸和現場報警。

監控中心由計算機和顯控軟件構成。監控中心計算機接入IP網絡，完成各監測點信息的集中顯示、存儲和管理，同時作為數據服務器為網內授權用戶提供各監控點的環境信息查詢服務。

3 系統設計

系統軟件分為監測儀控制軟件和監控中心PC端顯控軟件兩部分。監測儀軟件采用C51在Keil環境下完成軟件編程、編譯和調試。PC端顯控軟件在VC++6.0平臺開發實現。

3.1 監測儀設計

監測儀采用模塊化設計，各模塊相互獨立，干擾小，排查故障方便，可有效縮短聯調周期。監測儀結構框圖如圖2所示，分為主控模塊、LCD顯示、網絡通信、報警處理、外圍接口、溫濕度等環境參數檢測等9個模塊。

在每個監測儀內部有溫、濕、光、煙霧4種傳感器，分別測量溫度、濕度、光度和煙霧。在STC12C5A60S2[1]單片機控制下，各傳感器采集的數據經濾波處理后，在LCD上實時顯示，并根據設定的報警門限智能判決，若超出門限值，單片機則根據報警類別控制報警器發出不同頻率的聲光報警信號，進行現場報警，并向監控中心發出遠程報警信號，同時觸發繼電器輸出控制信號啟動除濕、控溫設備等進行相應處理，達到控溫、除濕和火情報警的目的；在完成數據采集處理后，單片機驅動以太網模塊，將數據以UDP包的形式傳輸到監控中心PC機。同時單片機負責接收監控中心PC機發來的控制指令，根據指令類別分別設置本地IP地址、網關、MAC地址、通信端口、采樣頻率和報警門限等。

以太網模塊主要由Enc28j60以太網控制芯片、HR911105A網絡變壓器及相關電路組成，在單片機控制下完成ARP地址解析、ARP表更新、UDP數據包收發、PING包接收應答等功能。

在硬件電路設計中，采用Proteus完成了電路原理圖設計，并進行了在線仿真。

3.2 監測儀控制軟件設計

監測儀控制軟件采用事件驅動方式，可以響應多個事件和外部中斷，完成IP網絡初始化、環境參數（溫度、濕度、煙霧、光度）檢測、數據平滑濾波、顯示及報警處理、IP網絡通信等功能，軟件流程如圖3所示。系統運行后，首先開辟緩沖區、設置報警門限，初始化LCD、網絡芯片和定時器。程序分配了2個發送緩沖區和1個接收緩沖區，可以顯著提高數據吞吐率，減少延時，提高系統實時性。Event_Word為事件狀態字，值從0～4依次代表系統異常、溫度檢測、濕度檢測、煙霧檢測、光度檢測事件，Event_Word的值通過定時器中斷進行更新。進入循環體后，系統根據Event_Word的值調用相應的子程序，完成各項參數的檢測，經濾波處理后判斷是否報警，并調用LCD顯示子程序進行顯示，然后通過IP通信子程序發送到監控中心PC機。

3.3 單片機與上位機網絡通信程序

設計中根據系統要求對TCP/IP[2]協議棧進行了精簡，實現了ARP、IP、ICMP和UDP協議。網絡通信過程如下：

（1）監測儀上電運行后，單片機檢查網絡連接正常后，進入監聽，并定時調用udp_send（）函數發送監測數據給PC機；（2）當單片機收到以太網幀時，根據以太網幀首部的協議類型進行判斷，若是ARP包，則將ARP包里的PC機MAC地址和IP地址保存到ARP表；若是IP包則進一步判斷是ICMP包還是UDP，然后調用相應的子程序進行處理；（3）監測儀產生報警后，主動給ARP地址列表中的PC機發送報警消息；（4）單片機接收PC機發送的配置命令，更改本地IP地址、網關、MAC地址、通信端口、采樣頻率和報警門限等。

單片機網絡通信程序流程如圖4所示。

3.4 上位機顯控軟件設計

PC端顯控軟件通網絡實時接收各監測儀發來的數據，進行處理保存，并在主界面上集中顯示各監控點的名稱（或IP地址）和溫、濕、煙、光等參數，以及狀態和報警信息；監控中心PC作為數據服務器，響應局域網內其他授權用戶的訪問請求。此外，顯控軟件向各監測儀發送控制命令，遠程修改配置監測儀的IP地址、網關、MAC地址、通信端口、采樣頻率和報警門限等參數。限于篇幅，其具體實現在此不作贅述。

4 結語

本文設計實現了基于IP網絡的環境監測系統，經實測具有網絡化、智能化、實時化特點，可有效實現實驗室、倉庫、艙室、辦公室等場所無人值守下的溫度、濕度、煙霧等環境信息的全天候實時監控，當出現危險情況時，一方面控制現場設備排除險情，另一方面通過現場和遠程報警通知值班人員處理，可有效避免事故發生。系統采用模塊化設計，功能容易擴展，只需根據需求增加相應模塊即可，除可用于重要場所的環境監控外，還可用于設備遠程監控、安防等領域，通用性強，具有較高的應用價值。

參考文獻

[1]姚永平.STC0Fxx系列8051單片機中文指南[EB/OL].2009.

[2]王廷堯.以太網技術與應用[M].北京：人民郵電出版社，2005.endprint