基于物聯(lián)網(wǎng)實驗室環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的研究

麻小娟,陳世亮,黨建林

(西安明德理工學(xué)院 信息工程學(xué)院，西安 710124)

0 引言

隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，人類社會全面進入到了信息化時代，人們對信息傳遞和控制的效率、準(zhǔn)確性有了更高的要求，隨著時代變遷和生活節(jié)奏的不斷加快，信息處理的效率顯得尤為重要，伴隨著智能終端及通信技術(shù)的飛速發(fā)展，給信息控制的智能化及高效性創(chuàng)造了技術(shù)基礎(chǔ)。很多特殊的實驗室場合對環(huán)境的溫度和濕度有著非常嚴(yán)格的要求，比如中心機房、溫室種植、實驗室、有粉塵存在的生產(chǎn)車間、電子行業(yè)生產(chǎn)線及倉庫等，這些場合對環(huán)境的溫濕度有著極高的要求。溫濕度過大或過小都不能滿足要求，影響設(shè)備儀器的性能和使用，甚至引發(fā)安全隱患，因此對環(huán)境溫濕度的精準(zhǔn)和實時控制就顯的非常重要，傳統(tǒng)的溫濕度監(jiān)控多以人工巡檢為主要方式，一方面要對溫濕度進行必要的調(diào)整修正，另一方面要對環(huán)境實際的溫濕度進行監(jiān)控和確認(rèn)，這種方式大大增加了人力和時間成本。為了解決效率和準(zhǔn)確性的問題，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠?qū)Υ髷?shù)據(jù)的精準(zhǔn)匯總與實時檢測[1-2]的功能和移動手機端系統(tǒng)功能強大，攜帶方便,應(yīng)用靈活[3-7]，開發(fā)實驗室溫濕度進行實時監(jiān)控[8-9]的解決方案。

1 系統(tǒng)設(shè)計及原理

實驗室溫濕度遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)主要包含三部分，即用戶端、服務(wù)器和環(huán)境變量控制模塊，如圖1。環(huán)境變量控制模塊通過傳感器對環(huán)境溫濕度進行實時采集和控制[10-14]，服務(wù)器為用戶和傳感器提供數(shù)據(jù)交互服務(wù)，用戶端對環(huán)境溫度和濕度進行實時監(jiān)控和查看。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 環(huán)境變量控制模塊

環(huán)境變量控制模塊主要包含四部分：傳感器、MCU、紅外控制電路及無線模塊，為了確保對環(huán)境數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性和可靠性，溫濕度及煙霧傳感器負(fù)責(zé)采集環(huán)境數(shù)據(jù)；MCU負(fù)責(zé)將傳感器采集到的數(shù)據(jù)進行解析并顯示在液晶屏上供用戶現(xiàn)場查看；環(huán)境溫濕度及煙霧數(shù)據(jù)通過無線模塊接入互聯(lián)網(wǎng)存儲在云服務(wù)器上供用戶訪問，通過PID算法對環(huán)境變量進行統(tǒng)計和分析便于對實驗室空調(diào)設(shè)備進行控制。

2.1.1 溫濕度傳感器初始化

考慮到實際應(yīng)用及經(jīng)濟性，傳感器選擇采用純國產(chǎn)芯片DHT11，其具有檢測靈敏度高、精度準(zhǔn)確、體積小、測量范圍廣和成本低等特點，濕度測量精度+-5%RH， 溫度精度±2℃，濕度測量范圍20%～90%RH， 溫度測量范圍0～50℃。芯片管腳有三個：VCC、GND及Data,DHT11的工作過程如下。

Data用于MCU與 DHT11之間的通訊和數(shù)據(jù)交互采用單總線數(shù)據(jù)格式,一次通訊時間4 ms左右,獲取數(shù)據(jù)整數(shù)和小數(shù)部分,一次完整的數(shù)據(jù)傳輸為40bit，數(shù)據(jù)格式如下。

8bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bi溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bit校驗和，當(dāng)數(shù)據(jù)傳送正確時校驗和結(jié)果等于“8bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bi溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù)”。MCU發(fā)送一次開始信號后，DHT11從低功耗模式轉(zhuǎn)換到高速模式，等待主機開始信號結(jié)束后，DHT11發(fā)送應(yīng)答信號，輸出40bit數(shù)據(jù)到外設(shè)。

DHT11初始化時序主要有四個階段。

第一階段：從機(DHT11)拉高等待主機輸入信號；

第二階段：主機(MCU)發(fā)送18 ms以上低電平，而后拉高，等待從機應(yīng)答；

第三階段：從機數(shù)據(jù)引腳開始輸出83 μs低電平，然后輸出87 μs高電平作為應(yīng)答信號，主機開始接收數(shù)據(jù)；

第四階段：主機接收從機發(fā)送的40bit溫濕度數(shù)據(jù)，而后輸出54 μs低電平轉(zhuǎn)為輸入狀態(tài)，等待下一次主機的信號。

DHT11初始化代碼如下：

Void DHTint()

{

DHT=1;//主機空閑拉高；

delay40us();//延時40 μs；

DHT=0; //主機拉低；

delay25 ms();//主機拉低后延時25 ms(大于18 ms即可)；

DHT=1; //主機拉高；

delay40 μs();//主機拉高后延時40 μs；

DHT=1; //主機設(shè)為輸入，等待從機輸入；

if(!DHT) //判斷從機是否有低電平響應(yīng)信號；

{

j=2; //判斷從機是否發(fā)出80 μs低電平響應(yīng)信號；

while((!DHT)&&j++);

j=2; //判斷從機是否發(fā)出80 μs的高電平，如發(fā)出則進入數(shù)據(jù)接收狀態(tài)；

while((DHT)&&j++);//開始接收數(shù)據(jù)；

DHTGet();

RH_HH=DHTdata;//接收濕度整數(shù)數(shù)據(jù)；

DHTGet();

RH_LL=DHTdata; //接收濕度小數(shù)數(shù)據(jù)；

DHTGet();

T_HH=DHTdata; //接收溫度整數(shù)數(shù)據(jù)；

DHTGet();

T_LL=DHTdata; //接收溫度小數(shù)數(shù)據(jù)；

DHTGet();

Checksum=DHTdata;

DHT=1; //數(shù)據(jù)和校驗；

Check=T_HH+T_LL+RH_HH+RH_LL;//數(shù)據(jù)求和

if(Check==Checksum)

2.1.2 煙霧傳感器控制電路

由于實驗室空氣流通相對穩(wěn)定，且實驗室存在大量電器、儀器及設(shè)備等，對于防火要求非常高，因此需要傳感器對煙霧檢測的靈敏度要高，本系統(tǒng)選取功耗低、可靠性強、安全性好的NIS-07子式煙霧傳感器，工作溫度范圍為-10℃～+60℃，濕度范圍為<95%RH，煙感靈敏度為0.6+/-0.1 V，可進行實驗室環(huán)境中的煙塵和灰塵檢測，滿足絕大部分場景的防火需求，使用煙霧控制芯片MC14508對NIS-07采集的數(shù)據(jù)進行實時處理，通過電阻調(diào)節(jié)煙霧檢測閾值，輸出的數(shù)據(jù)經(jīng)MCU解析后顯示在液晶屏上，當(dāng)檢測到煙霧存在后，服務(wù)器將即時下發(fā)數(shù)據(jù)到管理端并發(fā)出告警提示音，提醒用戶進行處置和查看，傳感器控制電路如圖2。

圖2 煙霧傳感器控制電路

2.2 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID紅外控制電路

由于實驗室內(nèi)設(shè)備數(shù)量眾多處于相對封閉的空間，因此對溫濕度的控制需要使用空調(diào)來實現(xiàn)，根據(jù)GB50174-2008《電子信息系統(tǒng)機房設(shè)計規(guī)范》，對于C類機房設(shè)備運行時，濕度要求35%～75%、溫度要求為18～28 ℃，為了實驗室設(shè)備的穩(wěn)定和人員安全，對于溫濕度的控制必須符合C類機房標(biāo)準(zhǔn)，由于DHT11及NIS-07可實時對環(huán)境變量進行采集和上報，因此可根據(jù)環(huán)境變量對空調(diào)進行調(diào)節(jié)和控制，紅外控制電路如圖3。

圖3 紅外控制電路

為了能夠滿足溫濕度的控制需求，采用PID控制算法對溫濕度調(diào)控進行優(yōu)化[15-20]。傳統(tǒng)的PID控制綜合考慮比例、積分和微分控制的優(yōu)勢，根據(jù)溫濕度的實際測量值和期望值之差，對其比例、積分、微分進行線性組合并進行運算，從而得出最優(yōu)調(diào)控值，并發(fā)送到被控制對象。既加快溫濕度控制系統(tǒng)響應(yīng)速度、減小振蕩、克服超調(diào)，同時有效消除靜差。具體算法如下：

e(t)=r(t)-y(t)

(1)

式(1)中，e(t)為目標(biāo)值與實際輸出值之差；r(t)為目標(biāo)值；y(t)為實際測量值。

(2)

式(2)中，Kp為比例增益；Tt為積分時間常數(shù)；Td為微分時間常數(shù)；u(t)為PID控制器的輸出信號；e(t)為給定值r(t)與測量值之差。

(3)

式(3)中，u(t)為PID控制器的輸出信號；e(t)為目標(biāo)值與實際輸出值之差。Kp為比例增益；Ki為積分增益；Kd為微分增益。

溫濕度及煙霧傳感器采樣頻率為2秒/次，在一天當(dāng)中環(huán)境溫度、濕度及煙霧采樣和上報數(shù)據(jù)為43 200次，一個月可高達(dá)1 296 000次，由于天氣情況、實驗室人員數(shù)量、設(shè)備數(shù)量、使用頻率和時長的不確定性，就會導(dǎo)致環(huán)境參數(shù)的動態(tài)變化，要實現(xiàn)溫濕度的相對穩(wěn)定，就需要對大量采集上報的環(huán)境數(shù)據(jù)進行分析和統(tǒng)計，從中找到最佳控制目標(biāo)值，而控制的難點在于環(huán)境變量的不確定性，無法使用固定的規(guī)則和算法進行控制，針對環(huán)境變量參數(shù)的這一屬性，運用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和PID控制可完美解決這一問題。

采用具有較高適應(yīng)能力的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，通過不斷學(xué)習(xí)，訓(xùn)練優(yōu)化權(quán)值和偏差，從而調(diào)整PID控制系統(tǒng)的比例(Kp)、積分(Ki)、微分(Kd)。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)采用三層結(jié)構(gòu)，分別為輸入層、隱含層和輸出層。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入層的神經(jīng)元節(jié)點分別是溫濕度目標(biāo)值r(t),實際采集的輸出溫濕度值y(t)以及誤差值e(t),為了進一步增加穩(wěn)定性，添加常數(shù)1為輸入神經(jīng)元節(jié)點。輸出層三個神經(jīng)元節(jié)點分別對應(yīng)PID控制器的比例(Kp)、積分(Ki)、微分(Kd)，隱含層的個數(shù)根據(jù)經(jīng)驗和實際測試，最終確定為6，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖4所示。服務(wù)器端將實時采集的環(huán)境數(shù)據(jù)通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行訓(xùn)練，將得出的參數(shù)傳遞給PID算法，PID經(jīng)過計算得出最優(yōu)調(diào)控值，并通過TCP傳遞給微處理器，從而控制空調(diào)，使實驗室實時在線動態(tài)將實際環(huán)境溫濕度可以調(diào)整為最理想的溫濕度值?；贐P神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制原理圖如圖5，控制流程如圖6。

圖4 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖5 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制原理圖

圖6 控制流程圖

2.3 無線組網(wǎng)

相對有線連接通信方式，無線通信具有施工簡單、高效和成本低等特點[21]，為了實現(xiàn)高性價比的無線通信，本系統(tǒng)采用樂鑫科技基于ESP8266EX的無線模塊,該模塊具有時鐘頻率高、功耗小、發(fā)射功率大、易組網(wǎng)、接口豐富和性價比高等特點，支持802.11 n (2.4 GHz)，數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá) 72.2 Mbps，無線模式支持Station/SoftAP/SoftAP+Station，用戶可根據(jù)實際需求靈活進行自由配置，由于芯片在出廠時網(wǎng)絡(luò)參數(shù)已配置，用戶使用時只需發(fā)送配置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的AT指令，即可實現(xiàn)模塊的初始化，進行無線通信，具體指令如下：

AT+CWMODE=3 //設(shè)置模塊為AP+Sation模式

AT+ CWSAP=《Ssid》，《Pwd》，《Chl》，《Ecn》//設(shè)置Wifi名稱及密碼

AT+RST //重啟模塊

AT+CIPMUX=1 //設(shè)置為多連接模式

AT+CIPSERVER=《Mode》，《Port》 //設(shè)置服務(wù)器模式和端口號

網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)如圖7所示，主機配置為Wifi AP模式，從機即傳感器終端配置為Wifi Station模式，主機可通過互聯(lián)網(wǎng)與服務(wù)器進行通信和數(shù)據(jù)存儲實現(xiàn)集群控制。

圖7 系統(tǒng)組網(wǎng)示意圖

2.4 微處理器(MCU)控制電路

考慮到經(jīng)濟性和利用率問題，微處理器選用宏晶科技設(shè)計生產(chǎn)的STC15W408AS,其基于8051內(nèi)核，指令集與時序可與51單片機完全兼容，自帶看門狗電路、8K程序存儲器、工作頻率可達(dá)35 MHz、SRAM 512字節(jié)、T0和T2兩個定時器、A/D轉(zhuǎn)換等，內(nèi)部自帶晶振和復(fù)位電路，芯片工作溫度范圍可達(dá)-40 ℃～ +85 ℃，工作電壓范圍2.5～5.5 V，有18個I/O口可供使用，因此可方便對液晶屏、溫度、濕度、紅外及煙霧傳感器進行控制，具體控制原理如圖8。

圖8 微處理器控制電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)軟件部分采用B/S架構(gòu)，使用前后端分離的方式開發(fā)。

3.1 服務(wù)器端

為了確保系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性，本文采用云服務(wù)器實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和交互。云服務(wù)器上安裝Tomcat，MySQL，并對Tomcat參數(shù)進行優(yōu)化，提高運行性能[22]。將系統(tǒng)的后端配置到服務(wù)器的Tomcat服務(wù)器上，服務(wù)器端主要獲取通過無線網(wǎng)絡(luò)采用TCP的socket實現(xiàn)和微處理器的通信，接收采集的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行解析、處理、存儲和計算等操作，同時通過http實現(xiàn)對Web端和APP請求的及時響應(yīng)。

3.2 用戶端

3.2.1 APP端

考慮到智能設(shè)備的普及性和市場占有率，本系統(tǒng)采用安卓開發(fā)環(huán)境進行用戶端App設(shè)計。本系統(tǒng)采用Android Studio開發(fā)環(huán)境，通過okHttp庫中的post方法實現(xiàn)與服務(wù)器的通訊，部分關(guān)鍵代碼如下：

//服務(wù)器地址

String address =

"http://192.168.20.8:8080/monitor/servlet/MainServlet";

Log.d(LoginActivity.TAG, address);

//創(chuàng)建OkHttpClient對象

OkHttpClient client = new OkHttpClient();

MediaType mediaType = MediaType.parse("text/x-markdown; charset=utf-8");

String requestBody = "data";

//構(gòu)建Request對象

Request request = new Request.Builder().url(address).post(RequestBody.create(requestBody, mediaType)).build();

Log.d(LoginActivity.TAG, String.valueOf(request));

//封裝成Call，并執(zhí)行

client.newCall(request).enqueue(new Callback() {

……

}

……

為了提高數(shù)據(jù)的時效性，APP每隔1分鐘向服務(wù)器發(fā)送請求，實現(xiàn)界面數(shù)據(jù)的更新。用戶通過安卓手機、平板電腦及其它智能設(shè)備運行軟件，實現(xiàn)環(huán)境溫濕度和煙霧的實時監(jiān)控，當(dāng)閾值超出時，系統(tǒng)進行報警，同時調(diào)用Vibrator類使手機發(fā)生震動及時提醒用戶。

3.2.2 Web端

為了更加方便用戶，開發(fā)了適用于用戶使用的Web端，用戶可以通過瀏覽器登錄Web端，訪問實驗室環(huán)境監(jiān)控界面。Web端采用Element-ui組件開發(fā)溫度、濕度和煙霧的數(shù)據(jù)狀態(tài)表格看板，該數(shù)據(jù)看板展示最新環(huán)境數(shù)據(jù)，通過這些值來判斷實驗室的環(huán)境是否正常；該系統(tǒng)還配備有溫度、濕度控制開關(guān)，當(dāng)實驗室環(huán)境出現(xiàn)異常情況，需要人為調(diào)節(jié)時，點擊按鈕，服務(wù)器通過無線網(wǎng)絡(luò)給微處理器發(fā)出相應(yīng)指令控制實驗室的空調(diào)設(shè)備，從而使環(huán)境達(dá)到正常閾值。使用ECharts組件構(gòu)建折線圖，對環(huán)境變量進行實時統(tǒng)計分析和數(shù)據(jù)積累，為實驗室環(huán)境預(yù)測提供基礎(chǔ)。

4 實驗結(jié)果與分析

按照本文的硬件設(shè)計，開發(fā)了系統(tǒng)硬件部分，微處理器能夠穩(wěn)定運行，能夠順利采集溫濕度和煙霧數(shù)據(jù)，并在液晶屏上顯示當(dāng)前數(shù)據(jù)，同時能夠?qū)?shù)據(jù)通過無線發(fā)送至服務(wù)端，當(dāng)采集的數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時，能夠及時按照目標(biāo)溫濕度自動實時控制實驗室內(nèi)溫濕度。

為了驗證傳感器驅(qū)動準(zhǔn)確性，使用邏輯分析儀對傳感器數(shù)據(jù)進行時序抓取和分析。 傳感器波形數(shù)據(jù)分析及校驗，按照DHT11高低電平的邏輯表達(dá)，從液晶屏上讀讀取數(shù)據(jù)濕度為62%，溫度為32℃，二進制結(jié)果如下：

00111110(濕度高8位) 00000000 00100000(溫度高8位) 00000111 01100101(校驗和)

濕度值計算(整數(shù))=00111110B=3EH(十六進制)=62%(十進制)

溫度值計算(整數(shù))=00100000B=20H(十六進制)=32(十進制)

校驗和=00111110+00000000+00100000+00000111=01100101

通過以上計算可以看到，實際顯示的環(huán)境溫濕度值與邏輯分析儀波形分析結(jié)果一致。

5 結(jié)束語

本文主要介紹了溫濕度控制系統(tǒng)硬件和軟件的設(shè)計與開發(fā)，通過傳感器能夠準(zhǔn)確地對實驗室環(huán)境的數(shù)據(jù)進行采集，微處理器采用基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制算法實現(xiàn)溫濕度調(diào)控，同時將數(shù)據(jù)上傳服務(wù)器，服務(wù)器將數(shù)據(jù)進行分析、處理和存儲，用戶可以采用Web或APP查看多個實驗室當(dāng)前環(huán)境數(shù)據(jù)以及狀態(tài)，從而實現(xiàn)多終端的集中監(jiān)控和管理。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)環(huán)境變量數(shù)據(jù)超過正常設(shè)置值時，將第一時間下發(fā)報警通知信息到安卓智能設(shè)備，對異常的終端位置及數(shù)據(jù)進行顯示和提醒，從而最大程度的保證實驗室的消防安全，在實際生產(chǎn)過程中有很強的推廣意義。