虛擬儀器技術(shù)多倉庫環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計

談宏華，宋學(xué)賢，王科敏

(武漢工程大學(xué)電氣信息學(xué)院，湖北 武漢 430074)

0 引 言

現(xiàn)代化的物流倉庫和工廠儲物倉庫規(guī)模大，數(shù)量多，而且環(huán)境條件的要求高，倉庫的日常管理直接影響到儲備物資的使用壽命和工作可靠性.倉庫管理的首要問題是加強(qiáng)倉庫的溫度和濕度監(jiān)測工作，并根據(jù)監(jiān)測倉庫環(huán)境狀況實時調(diào)整倉庫的溫度、濕度，光照等環(huán)境因素以使之處于合適的范圍內(nèi)，保證儲備物資的最佳儲存環(huán)境.LabVIEW是一種由美國國家儀器(NI)公司研制開發(fā)的程序開發(fā)環(huán)境,它使用的是圖形化編輯語言G編寫程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式[1].

本文是采用LabVIEW結(jié)合IPC(Industrial Personal Computer)作為上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，用單片機(jī)作為下位機(jī)采集溫、濕度傳感器信號處理和傳輸終端，工控機(jī)通過串口RS232與下位機(jī)進(jìn)行通信，然后LabVIEW程序?qū)⑾挛粰C(jī)送來的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)處理，并發(fā)出相應(yīng)的控制指令，控制各個倉庫的溫濕度控制設(shè)備的運(yùn)行，達(dá)到維持倉庫穩(wěn)定的環(huán)境條件的目的.

1 系統(tǒng)組成原理

采用LabVIEW結(jié)合PC機(jī)作為上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，利用傳感器檢測各個倉庫環(huán)境參數(shù)，利用單片機(jī)對采集溫濕度傳感器的信號進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，同時單片機(jī)接收PC機(jī)指令，直接輸出倉庫設(shè)備的操作指令[2].此系統(tǒng)中，單片機(jī)和傳感器組成信號采集模塊，PC機(jī)與單片機(jī)采用RS485和RS232通信協(xié)議進(jìn)行上下位機(jī)通訊，組成一個有PC機(jī)和單片機(jī)協(xié)調(diào)控制的多CPU系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖Fig.1 Structural schematics of system

系統(tǒng)檢測溫度范圍為-30℃～50℃，監(jiān)測精度為0.5℃，濕度檢測范圍為10%～95%RH，監(jiān)測精度為1%.系統(tǒng)采用10秒鐘間隔采樣方式監(jiān)測環(huán)境的溫濕度，并將實時監(jiān)測到的溫、濕度數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫中生成數(shù)據(jù)報表.為了適應(yīng)不同物資所要求的環(huán)境條件的不同，系統(tǒng)可以人為設(shè)定環(huán)境溫度范圍和濕度范圍.溫度和濕度范圍值設(shè)定以后，當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測到環(huán)境溫度和濕度超出這一設(shè)定的范圍時，系統(tǒng)啟動聲光報警并自動啟動倉庫里的降溫設(shè)備進(jìn)行降溫、啟動通風(fēng)機(jī)進(jìn)行除濕處理，當(dāng)溫度和濕度恢復(fù)到設(shè)定范圍內(nèi)時聲光報警自動解除.其工作原理圖如圖2所示.

圖2 工作原理圖Fig.2 Working schematics

2 上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

運(yùn)行LabVIEW程序的工控機(jī)，一方面作為倉庫環(huán)境監(jiān)控的人機(jī)交互界面，另一方面利用其強(qiáng)大的運(yùn)算處理能力對監(jiān)測的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，控制倉庫的降溫和除濕設(shè)備運(yùn)行.為實現(xiàn)各個倉庫自動控制和監(jiān)控的實時性，本系統(tǒng)運(yùn)用PID控制算法設(shè)計監(jiān)控程序，對環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和倉庫設(shè)備進(jìn)行智能控制，其控制策略原理圖如圖3所示.

圖3 控制策略原理圖Fig.3 Control algorithm schematics

利用LabVIEW設(shè)計的監(jiān)控界面如圖4所示.系統(tǒng)可以實現(xiàn)以下功能：(1) 溫濕度實時數(shù)據(jù)曲線顯示；(2) 溫濕度數(shù)據(jù)存儲；(3) 溫濕度報警；(4) 輸出命令控制降溫除濕設(shè)備.

圖4 人機(jī)交互界面Fig.4 Interactive interface

程序設(shè)計步驟：首先調(diào)用“儀器IO>串口>VISA配置串口函數(shù)>VISA讀取函數(shù)”將單片機(jī)與工控機(jī)的通信通道建立起來.然后將串口過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理，包括數(shù)據(jù)的曲線顯示、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理.曲線顯示利用前面板的“波形圖控件”，數(shù)據(jù)存儲用“database函數(shù)”.程序查詢設(shè)定了時間段、數(shù)據(jù)屬性等查詢條件，在前面板的下拉列表中設(shè)定查詢條件即可完成數(shù)據(jù)查詢，查詢后的數(shù)據(jù)以表格和圖表的形式回放[3].具體程序?qū)崿F(xiàn)如圖5所示，數(shù)據(jù)查詢程序如圖6所示.

程序采用LabVIEW軟件設(shè)計，依據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計需要和實際應(yīng)用，系統(tǒng)程序流程如圖7所示.開啟系統(tǒng)后，首先設(shè)置系統(tǒng)初始化使系統(tǒng)處于備運(yùn)行狀態(tài)，操作員發(fā)出啟動指令系統(tǒng)即開始運(yùn)行進(jìn)入工作狀態(tài).后臺程序的主要工作：(1) 系統(tǒng)對采集卡的各個通道進(jìn)行定時循環(huán)檢測，檢測到溫度和濕度等數(shù)據(jù)變量是將其存入程序寄存器，以待主程序調(diào)用[4].(2)工控機(jī)通過設(shè)計的主算法程序?qū)⒓拇嫫鞯牟杉臄?shù)據(jù)變量運(yùn)用定制的算法進(jìn)行處理計算然后輸出到采集卡的出口端，控制降溫通風(fēng)除濕設(shè)備.(3)工控機(jī)在處理數(shù)據(jù)的同時也會將數(shù)據(jù)存儲在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中已備將來調(diào)用.(4)系統(tǒng)出現(xiàn)異常和人員操作停止指令，系統(tǒng)停止運(yùn)行.

圖5 實時監(jiān)控程序圖Fig.5 Real-time monitoring program

圖6 數(shù)據(jù)查詢程序Fig.6 Data querying program

圖7 程序流程圖Fig.7 Program flow chart

3 下位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計

下位機(jī)系統(tǒng)包括單片機(jī)、溫度信號采集模塊、濕度信號采集模塊、降溫和通風(fēng)設(shè)備控制模塊四個組成部分[5].單片機(jī)作為下位機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理和通訊核心，是鏈接終端設(shè)備和工控機(jī)的橋梁，溫、濕度傳感器是系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集終端，降溫和通風(fēng)設(shè)備是維持倉庫環(huán)境條件正常的直接調(diào)節(jié)作用機(jī)構(gòu)[6].下位機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖8所示.

圖8 下位機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.8 System Structure FIG of next bit plane

3.1 采用DS18B20傳感器進(jìn)行溫度信號采集模塊設(shè)計

DS18B20傳感器獨特的一線接口方式，具有一條信號線多點通訊的能力，簡化了分布式溫度傳感應(yīng)用.可用數(shù)據(jù)供電，電壓范圍為3.0 V至5.5 V.測溫范圍較廣，從-55～125 ℃，精度達(dá)到0.5 ℃.它提供9至12位一線接口，數(shù)據(jù)傳輸和硬件連接很方便，用途很廣，包括空調(diào)環(huán)境控制、感測建筑物內(nèi)溫設(shè)備或機(jī)器，并進(jìn)行過程檢測和控制.DS18B20用在本系統(tǒng)中完全可以滿足要求.溫度傳感器的硬件連接如圖9所示，Rx和Tx分別與單片機(jī)相應(yīng)的端口鏈接構(gòu)成溫度采集通路.DS18B20與單片機(jī)鏈接后，其監(jiān)測的溫度值對應(yīng)輸出的數(shù)字量如表1所示.

表1 DS18B20部分?jǐn)?shù)據(jù)表Table 1 DS18B20 part of the data table

圖9 溫度信號采集電路原理圖Fig.9 Schematic circuit diagram for temperature signal acquisition

3.2 濕度信號采集模塊設(shè)計

采用的HS1101型溫度傳感器是HUMIREL公司生產(chǎn)的相對濕度傳感器，它基于獨特工藝的電容元件設(shè)計.濕度傳感器應(yīng)用典型外圍電路設(shè)計思路：將濕度傳感器HS1101置于555為核心的振蕩電路中，將電容的變化值轉(zhuǎn)換成電壓的頻率信號，微處理器直接采集頻率信號，其應(yīng)用電路如圖10所示.

HS1101作為一個變化的電容器，連接在555的1和6引腳.HS1101的等效電容通過R3和R2充電達(dá)到其電壓上限(近似于0.67VCC，時間記為t1)，這時555的3引腳由高電平變?yōu)榈碗娖?，然后通過R2進(jìn)行放電，由于R3被7引腳內(nèi)部短路接地，所以只放電到觸發(fā)界線(近似于0.33VCC，時間記為t2)，這時555芯片的引腳3變?yōu)楦唠娖?通過兩個不同的電阻R2，R3進(jìn)行傳感器HS1101的不停的充放電，產(chǎn)生方波輸出.

圖10 濕度測量應(yīng)用電路Fig.10 Measurement circuit for temperature

輸出波形的頻率和占空比的計算公式如下：

空氣濕度和555芯片輸出頻率的關(guān)系式如下：

F05=F55(1.1038-1.9368×10-3×RH+3.0114×10-6×RH2-3.4403×10-8×RH3)

可以看到，555芯片輸出頻率與空氣的相對濕度有一定線性關(guān)系.表2給出了典型濕度與頻率的關(guān)系.通過單片機(jī)采集555芯片輸出的頻率，然后查表即可得出相應(yīng)的相對濕度值.為了提高系統(tǒng)測量精度，下位機(jī)采集的頻率送入上位機(jī)，上位機(jī)以分段形式進(jìn)行相應(yīng)處理.

表2 典型頻率濕度對應(yīng)關(guān)系Table 2 Frequency-humidity corresponding relationship

注：參考6208Hz為55%RH/25℃

3.3 降溫和通風(fēng)設(shè)備控制模塊

上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出降溫和通風(fēng)設(shè)備控制信號后經(jīng)過單片機(jī)處理然后控制現(xiàn)場設(shè)備的相關(guān)動作[7].由于降溫設(shè)備相對于單片機(jī)是大功率設(shè)備，為了安全性和減少大功率設(shè)備對單片機(jī)系統(tǒng)干擾，這里采用光電隔離開關(guān)和繼電接觸器將降溫和通風(fēng)設(shè)備與單片機(jī)隔離開來，其原理如圖11所示.

圖11 降溫和通風(fēng)設(shè)備控制信號通路Fig.11 Control signal path for cooling and ventilation equipment

3.4 下位機(jī)數(shù)據(jù)處理與控制程序設(shè)計

下位機(jī)程序采用C語言設(shè)計，主要程序有信號濾波子程序和通信子程序兩種.下面給出的部分通信程序和信號濾波處理程序.

/*-------------寫串口-----------------*/

void interrupt far Serial_Isr(__CPPARGS)

{

serial_lock = 1;

ser_ch = inp(open_port + SER_RBF);

if (++ser_end > SERIAL_BUFF_SIZE-1)

ser_end = 0;

ser_buffer[ser_end] = ser_ch;

++char_ready;

outp(PIC_ICR,0x20);

serial_lock = 0;

}

int Ready_Serial()

{

return(char_ready);

}

/*--------------讀串口--------------*/

int Serial_Read()

{

int ch;

while(serial_lock){}

if (ser_end != ser_start)

{

if (++ser_start > SERIAL_BUFF_SIZE-1)

ser_start = 0;

ch = ser_buffer[ser_start];

printf(“%x”,ch);

if (char_ready > 0)

--char_ready;

return(ch);

}

else

return(0);

}

/*****************信號濾波--加權(quán)平均濾波*****************************8/

#define N 12

char code jq[N]={1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12};//加權(quán)系數(shù)表

char code sum_jq=1+2+3+4+5+6+7+8+9+10+11+12;char filter()

{

char count;

char value_buf[N];

int sum=0;

for (count=0;count

{value_buf[count]=get_ad(); //獲取采樣值

delay();

}

for (count=0;count

sum+=value_buf[count]*jq[count];

return (char)(sum/sum_jq)；

}

4 結(jié) 語

本文設(shè)計的多倉庫環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，利用一臺工控機(jī)同時監(jiān)控多個倉庫里的溫濕度等環(huán)境指數(shù)，在溫度和濕度不在適宜的范圍內(nèi)時，系統(tǒng)調(diào)用控制算法對溫度和濕度調(diào)節(jié)設(shè)備進(jìn)行自動控制而無需工作人員親自操作，基本達(dá)到設(shè)計要求.它不僅提高了環(huán)境監(jiān)控的效率而且減少人工成本和值班人員的工作量，具有很高的實用價值.當(dāng)然系統(tǒng)還有可以改進(jìn)的地方，倉庫的環(huán)境檢測還可以加入倉庫氣體濃度監(jiān)測，光照度監(jiān)測以及視頻監(jiān)控等等，使倉庫的環(huán)境指數(shù)監(jiān)控更全面.

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