基于MSP430和GSM的紡織廠空調(diào)集中實(shí)時(shí)監(jiān)控裝置

趙方　王曉峰

摘要：針對(duì)當(dāng)前紡織廠空調(diào)控制設(shè)備基本不能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程集中監(jiān)控，控制器成本高的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了成本低廉、能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程集中監(jiān)控的紡織廠溫濕度自動(dòng)控制及遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控裝置。裝置采用MSP430單片機(jī)作為核心控制器，能對(duì)車間溫度、濕度自動(dòng)調(diào)節(jié)，能現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)顯示溫、濕度實(shí)際值并能通過GSM網(wǎng)絡(luò)將現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境參數(shù)發(fā)送至監(jiān)控中心上位機(jī)。當(dāng)控制器自動(dòng)調(diào)節(jié)不成功時(shí)，控制器發(fā)出聲光報(bào)警同時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)GSM模塊將報(bào)警信息發(fā)送至監(jiān)控中心上位機(jī)軟件提示，并發(fā)送至值班員手機(jī)，實(shí)現(xiàn)了雙重保險(xiǎn)，節(jié)省了大量人力、物力。本裝置布線簡(jiǎn)單，無線通訊不受距離的限制，監(jiān)控軟件人機(jī)界面友好，具有廣泛的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：MSP430單片機(jī)；GSM無線通訊；紡織廠空調(diào)；遠(yuǎn)程監(jiān)控

中圖分類號(hào)：TP277

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：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(diào)是隨著紡織工業(yè)的發(fā)展而逐步建立起來的，紡織廠空調(diào)的作用有兩個(gè)：一是滿足生產(chǎn)工藝所要求的溫、濕度條件；二是改善勞動(dòng)條件，保護(hù)職工健康，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。在紡織品的生產(chǎn)過程中，紡織車間的空氣溫度、濕度是影響產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵因素[12]。因此，嚴(yán)格控制紡織車間空氣溫度、濕度是保證產(chǎn)品質(zhì)量和工作效率的關(guān)鍵。紡織車間的相對(duì)濕度波動(dòng)范圍不能超過±5%，溫度在20～31℃，否則將影響產(chǎn)品的質(zhì)量和工作效率。傳統(tǒng)的紡織廠車間溫、濕度的控制雖然也實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制，但是存在控制精度低、故障率高，對(duì)控制設(shè)備的配置和故障診斷主要靠工人定期到工作現(xiàn)場(chǎng)檢查，不能及時(shí)檢測(cè)、發(fā)現(xiàn)實(shí)際存在的隱患。另外，現(xiàn)有的紡織廠車間空調(diào)的自動(dòng)控制大都采用價(jià)格昂貴的PLC作為主控制器。根據(jù)紡織廠控制設(shè)備分布區(qū)域廣的特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)基于GSM無線通訊網(wǎng)絡(luò)和價(jià)格低廉的MSP430單片機(jī)設(shè)計(jì)了能夠?qū)Υ蠓秶鷥?nèi)的控制設(shè)備實(shí)現(xiàn)集中實(shí)時(shí)監(jiān)控的遠(yuǎn)程監(jiān)控裝置，該裝置能實(shí)時(shí)監(jiān)控生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)信息、遠(yuǎn)程調(diào)度、遠(yuǎn)程在線配置和故障診斷等功能。

1系統(tǒng)組成及工作原理

紡織廠空調(diào)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控裝置由兩部分組成：一是紡織車間空調(diào)的自動(dòng)控制系統(tǒng)。二是紡織廠監(jiān)控中心的計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控軟件和值班員手機(jī)。根據(jù)紡織廠車間的規(guī)模以及實(shí)際需要，一個(gè)車間的空調(diào)的控制器可以有多個(gè)，其中一個(gè)控制器的系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。紡織車間空調(diào)的自動(dòng)控制器系統(tǒng)由MSP430單片機(jī)、溫度傳感器、濕度傳感器、鍵盤、時(shí)鐘、光電隔離模塊、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和TC35I模塊組成，其主要功能是主控制器MSP430單片機(jī)接收來自溫度、濕度傳感器采集到的溫、濕度實(shí)時(shí)信息，和其內(nèi)部存儲(chǔ)器事先設(shè)定的工藝要求值相比較，當(dāng)車間溫、濕度的實(shí)際值不在要求的范圍內(nèi)時(shí)，單片機(jī)發(fā)出控制指令控制外圍的執(zhí)行機(jī)構(gòu)做溫、濕度的自動(dòng)調(diào)整。經(jīng)過調(diào)整仍不能滿足要求時(shí)系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，提示值班員檢查故障。同時(shí)主控制器MSP430單片機(jī)啟動(dòng)和其相連的TC35I無線通訊模塊將報(bào)警信息發(fā)送至上位機(jī)監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)軟件和值班員手機(jī)。系統(tǒng)中LCD液晶顯示的作用是實(shí)時(shí)顯示車間的溫、濕度信息?？刂破麈I盤的作用是對(duì)紡織廠生產(chǎn)車間的溫、濕度工藝參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。時(shí)鐘為整個(gè)系統(tǒng)提供了時(shí)基。上位機(jī)監(jiān)控中心實(shí)時(shí)監(jiān)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(fā)來的溫、濕度以及故障報(bào)警等實(shí)時(shí)信息并在計(jì)算機(jī)監(jiān)控軟件進(jìn)行顯示，同時(shí)對(duì)車間溫、濕度工藝參數(shù)可以通過該軟件實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程設(shè)置。同時(shí)，車間的故障信息還可以發(fā)送至值班員手機(jī)，使值班員能夠?qū)囬g故障及時(shí)做出處理，避免了不必要的損失，從而實(shí)現(xiàn)了雙重保險(xiǎn)。

值班員利用本設(shè)計(jì)開發(fā)的上位機(jī)監(jiān)控軟件，在值班室就能實(shí)時(shí)掌控所有車間的空調(diào)設(shè)備的實(shí)時(shí)工作情況，從而降低了維護(hù)費(fèi)用和巡檢人數(shù)，提高了管理效率，節(jié)省了生產(chǎn)成本。

2硬件選型及設(shè)計(jì)

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(jī)MSP430F149單片機(jī)采集車間的溫度、濕度等信息，該單片機(jī)具有豐富的外圍模塊，包含F(xiàn)LASH存儲(chǔ)器，12位A/D，2個(gè)16位定時(shí)器，看門狗，最高頻率可到8MHz的時(shí)鐘模塊2組，串口2個(gè)，10個(gè)并行I/O口，可穩(wěn)定工作在—40～85 ℃工業(yè)環(huán)境中[3]。其內(nèi)部預(yù)設(shè)了JTAG模塊，具有完整的在線調(diào)試功能，內(nèi)部的FLASH可以實(shí)現(xiàn)在線編程[4]。本設(shè)計(jì)選用MSP430F149單片機(jī)完全符合實(shí)際要求。

2.2溫、濕度采集電路設(shè)計(jì)

溫度傳感器采用數(shù)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(shí)現(xiàn)傳感器與單片機(jī)之間的雙向通訊；支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，方便的實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)溫；使用時(shí)不需要任何外圍電路，測(cè)溫范圍在-55～125 ℃，通過編程可設(shè)置分辨率為9～12位，模數(shù)轉(zhuǎn)換速度快可在93.75 s～750 ms內(nèi)把溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，具有極強(qiáng)的抗干擾糾錯(cuò)能力[5]。

根據(jù)實(shí)際需要可以在紡織車間用多個(gè)DS18B20溫度傳感器設(shè)置多個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，但這多個(gè)測(cè)溫點(diǎn)數(shù)據(jù)只需要占用單片機(jī)的一個(gè)I/O口，當(dāng)多個(gè)傳感器并聯(lián)使用同一根I/O口線時(shí)，采用74LS245雙向驅(qū)動(dòng)器來提高單片機(jī)I/O口的驅(qū)動(dòng)能力，一根I/O口可帶64個(gè)DS18B20，溫、濕度測(cè)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(hào)是1～4 V的電壓，相對(duì)濕度測(cè)量范圍是0～100%，精度為±3%，靈敏度為25 mV/%RH，溫度系數(shù)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(guān)系，響應(yīng)速度快、重復(fù)性好，抗污染能力強(qiáng)。帶防護(hù)棒式封裝，共有3根引線：藍(lán)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(guān)系為[6]：UO=1.079+0.568RH。濕度傳感器的輸出直接送入單片機(jī)內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。

2.3鍵盤、報(bào)警、顯示電路設(shè)計(jì)

車間控制器鍵盤的主要作用是對(duì)溫度、濕度根據(jù)不同工藝的要求進(jìn)行設(shè)定，由于需要設(shè)定的參數(shù)不多且并不復(fù)雜，采用了獨(dú)立式鍵盤，有“加”、“減”、“設(shè)置”、“確認(rèn)”四個(gè)鍵。顯示器的作用是實(shí)時(shí)顯示現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際溫度和濕度以及報(bào)警信息，選擇性價(jià)比較高的LCD12864液晶顯示器作為系統(tǒng)的顯示器件。系統(tǒng)時(shí)鐘采用常用的性價(jià)比高的DS1302時(shí)鐘芯片作為系統(tǒng)的時(shí)鐘，并設(shè)計(jì)了紐扣電池供電和電源供電兩種方式的自動(dòng)切換，實(shí)現(xiàn)了不間斷計(jì)時(shí)，主要為系統(tǒng)提供時(shí)鐘。報(bào)警電路的功能是提醒值班員故障情況的發(fā)生，采用了聲光報(bào)警的方式進(jìn)行提示。電路圖如圖3所示。

2.4無線通信電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用不受時(shí)間、空間、距離限制的、開放的GSM無線移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò)把紡織廠現(xiàn)場(chǎng)的溫度、濕度、故障等信息傳輸給上位機(jī)監(jiān)控軟件。無線通訊GSM模塊選擇抗干擾能力強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的TC35I，它是西門子的新一代無線通訊模塊，可以傳輸數(shù)據(jù)、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(jī)的RS232接口連接進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。上位機(jī)計(jì)算機(jī)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(shù)據(jù)[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(zhuǎn)換為CMOS電平。無線通訊模塊和監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)之間通過RS232串口進(jìn)行連接[910]。利用計(jì)算機(jī)的串口電源為TC35I模塊供電，線路連接簡(jiǎn)單、成本低，系統(tǒng)靈活。

3軟件設(shè)計(jì)及模擬試驗(yàn)

本裝置的軟件設(shè)計(jì)包括車間的溫、濕度自動(dòng)控制控制器軟件和監(jiān)控中心的上位機(jī)監(jiān)控軟件。溫濕度自動(dòng)控制軟件采用VC++編制，通用性強(qiáng)，易于移植改造、系統(tǒng)升級(jí)等。車間自動(dòng)控制器軟件的功能是實(shí)時(shí)采集車間的溫度、濕度信息，并和設(shè)定值比較，當(dāng)溫度或者濕度實(shí)際值不在設(shè)定值的范圍內(nèi)時(shí)，單片機(jī)自動(dòng)做出控制決策，驅(qū)動(dòng)外部執(zhí)行機(jī)構(gòu)做出相應(yīng)的自動(dòng)調(diào)節(jié)。根據(jù)實(shí)際需要可以設(shè)定固定的時(shí)間通過GSM無線通訊將車間的溫度、濕度信息發(fā)送至監(jiān)控中心上位機(jī)進(jìn)行顯示，因此，一般情況下僅需一名值班員就可以實(shí)時(shí)監(jiān)視所有車間的環(huán)境情況。自動(dòng)調(diào)節(jié)不成功時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，同時(shí)控制器自動(dòng)啟動(dòng)TC35I，將報(bào)警信號(hào)傳輸至值班員手機(jī)和監(jiān)控軟件顯示具體報(bào)警信息，以便值班員針對(duì)報(bào)警的位置第一時(shí)間做出應(yīng)對(duì)措施?？刂破鬈浖饕ǜ鱅/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(bào)警等子程序模塊。圖5是本設(shè)計(jì)的主程序流程圖。

監(jiān)控中心上位機(jī)軟件采用VC++編制，設(shè)有數(shù)據(jù)庫、系統(tǒng)配置、遠(yuǎn)程溫濕度設(shè)定、檢測(cè)點(diǎn)選擇，監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(jí)。

本裝置在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了反復(fù)模擬試驗(yàn)，設(shè)置了2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分步驟進(jìn)行試驗(yàn)。

第一步將1號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度參數(shù)設(shè)定為20～31 ℃，人為改變溫度值分別為16 ℃、33 ℃，控制裝置都會(huì)啟動(dòng)相應(yīng)控制繼電器開始工作，人為使之調(diào)節(jié)不成功，系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，同時(shí)上位機(jī)均接收到了具體報(bào)警信息；

第二步將2號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)相對(duì)濕度設(shè)定在50%～85%范圍內(nèi)，人為用加濕器使?jié)穸瘸錾舷?，控制裝置及時(shí)啟動(dòng)相應(yīng)濕度控制繼電器工作，人為使之調(diào)節(jié)不成功時(shí)系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警，同時(shí)將報(bào)警具體信息發(fā)送到了監(jiān)控中心；

第三步將自動(dòng)上報(bào)溫、濕度信息時(shí)間設(shè)定為10 min，每隔10 min控制裝置就會(huì)將2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)溫度、濕度信息發(fā)送至上位機(jī)監(jiān)控中心顯示。其次進(jìn)行綜合實(shí)驗(yàn)，當(dāng)2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫、濕度同時(shí)異常時(shí)均會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)。

4結(jié)論

試驗(yàn)表明本裝置的控制器能對(duì)溫度、濕度自動(dòng)、實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，并能根據(jù)設(shè)定的時(shí)間間隔實(shí)時(shí)地將現(xiàn)場(chǎng)的溫度、濕度等信息通過GSM網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至監(jiān)控中心上位機(jī)顯示。當(dāng)自動(dòng)調(diào)節(jié)不成功時(shí)，發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，同時(shí)啟動(dòng)GSM無線通訊將報(bào)警信息發(fā)送至監(jiān)控中心上位機(jī)軟件并提示報(bào)警，同時(shí)發(fā)送至值班員手機(jī)，從而使值班員能及時(shí)做出處理，避免了不必要的經(jīng)濟(jì)損失，實(shí)現(xiàn)了雙重保險(xiǎn)。本裝置花費(fèi)最少的人力、物力，實(shí)現(xiàn)了效益的最大化，有效的實(shí)現(xiàn)了紡織廠車間空調(diào)設(shè)備的自動(dòng)控制及遠(yuǎn)程監(jiān)控，控制器成本低廉、抗干擾性強(qiáng)，上位機(jī)監(jiān)控軟件人機(jī)界面友好，操作簡(jiǎn)單方便，在紡織廠溫度、濕度的控制中具有廣泛的應(yīng)用前景。

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（責(zé)任編輯：許惠兒）