基于網(wǎng)絡(luò)的溫濕度監(jiān)控傳輸系統(tǒng)的設(shè)計

?????? 本文通過比較和方案論證，確定了一種新型的基于網(wǎng)絡(luò)的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)，即將所采集的一個或多個溫濕度傳感器測量結(jié)果通過Intemet以網(wǎng)頁的形式動態(tài)發(fā)布，同時，任意一臺上位機都可以根據(jù)管理員的授權(quán)通過網(wǎng)絡(luò)對溫濕度控制裝置下達(dá)指令，對任一節(jié)點進(jìn)行控制。對于這種方案，能接入Intemet的任何一臺PC機可以實現(xiàn)對各個傳感器工作狀態(tài)的監(jiān)控與管理，實現(xiàn)了無距離限制的測控網(wǎng)絡(luò)，非常方便靈活。

　　1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

　　該系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，各個溫濕度測試控制模塊都帶有網(wǎng)絡(luò)接口，通過路由器與中心服務(wù)器相連。中心服務(wù)器包括IIS信息服務(wù)器系統(tǒng)和SQL數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，前者負(fù)責(zé)與處于聯(lián)機狀態(tài)的溫濕度測試節(jié)點通信獲取溫濕度測量結(jié)果，然后通過Intemet以網(wǎng)站的方式向客戶廣播接收到的溫濕度檢測數(shù)據(jù)，并將接收到的數(shù)據(jù)(測試節(jié)點編號、溫度、濕度、測量時間等)存入SOL數(shù)據(jù)庫中，同時客戶根據(jù)不同的權(quán)限可以通過中心服務(wù)器向各個測試控制模塊發(fā)指令，改變某個溫濕度控制的參數(shù)。

　　溫濕度測試模塊的結(jié)構(gòu)如圖2所示，其結(jié)構(gòu)包括：主控制器(MCu)、溫濕度傳感器、數(shù)顯及按鍵、Flash存儲器、網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊、時鐘器件、蜂鳴器。其測試控制過程為：每隔一定時間MCU進(jìn)行一次溫濕度測量，如果與中心服務(wù)器連機，將結(jié)果通過網(wǎng)絡(luò)上傳至中心服務(wù)器，否則將結(jié)果和當(dāng)前時間存儲在板上的 Flash；再將濕度測量值與用戶設(shè)定值比較，根據(jù)比較的結(jié)果進(jìn)行不同的處理。例如，當(dāng)測試濕度高于設(shè)定值時，通過控制除濕材料吸收濕氣來降低濕度，如果達(dá)到設(shè)定濕度值后，通過一定的反饋控制使柜內(nèi)的濕度保持于設(shè)定范圍內(nèi)。如果溫度或者濕度高于危險門限，系統(tǒng)通過蜂鳴器報警。

　　2 溫濕度測試控制模塊

　　2．1 溫濕度傳感器的選擇

　　由于溫濕度測量精度是決定系統(tǒng)性能的關(guān)鍵，因此，這里選取瑞士Scnsirion公司生產(chǎn)的數(shù)字溫濕度傳感器SHl75實現(xiàn)溫濕度測量。該器件的特點為：出廠前，每只傳感器都在極為精確的濕度室中做過精密校準(zhǔn)，校準(zhǔn)系數(shù)被編成相應(yīng)的程序存入校準(zhǔn)存儲器中；高度集成，內(nèi)部集成有溫度測量、濕度測量、信號變換、A／D轉(zhuǎn)換和加熱器等功能；提供二線數(shù)字串行接口SCK和DATA，接口簡單，支持CRC傳輸校驗，傳輸可靠性高；測量精度可編程調(diào)節(jié)，內(nèi)置A／D轉(zhuǎn)換器(分辨率為8～12位，可以通過編程設(shè)置其內(nèi)部寄存器進(jìn)行選擇)，測量精確度高，由于同時集成溫濕度傳感器，可以提供溫度補償?shù)臐穸葴y量值和高質(zhì)量的露點計算功能等，濕度精度在±4％以內(nèi)，溫度精度在±0．4℃以內(nèi)。

　　2．2 檢測數(shù)據(jù)存儲方案

　　當(dāng)溫濕度檢測控制模塊沒有與控制主機聯(lián)機時，需要保存檢測數(shù)據(jù)，以備檢查。因此該系統(tǒng)選用存儲容量為16 Mb的SST25VF016B，它屬于NAND型非易失性閃速存儲器。該存儲器具有速度快、成本低、密度大的特點，廣泛應(yīng)用于傳感器測量系統(tǒng)，其讀／寫操作是以字節(jié)為單位，而擦除操作則以塊為單位進(jìn)行操作，讀、寫和擦除操作均通過命令完成；不能字節(jié)擦除，在每次改寫操作之前需要先擦除一整塊；每一塊的擦除次數(shù)有限，為10萬次左右。根據(jù)系統(tǒng)存儲數(shù)據(jù)類型的需要，將Flash分為2部分：一部分(2塊，每塊32 kh)存儲該控制塊的系統(tǒng)信息，包括編號、溫度校正信息、濕度校正信息、濕度控制范圍等；另一部分(62塊，每塊32 kb)存儲實時的溫度測量結(jié)果，包括測量時間、溫度、濕度，以及該記錄是否上傳。Fhash擦、寫的控制算法為：開機時，系統(tǒng)讀取系統(tǒng)信息，獲得各種控制參數(shù)；然后找出上一次溫濕度記錄的存儲最后位置及每塊的使用情況，繼續(xù)寫入新的測量信息。當(dāng)前記錄塊寫滿以后，在系統(tǒng)信息中更新塊使用情況記錄，找一個新的塊寫入。如果存儲信息達(dá)到系統(tǒng)容量，選擇62塊中所存信息最早的塊擦除，重新使用。這種設(shè)計參考了u-cos文件管理系統(tǒng)，但由于傳感器測量記錄的長度是固定的，簡化了每條記錄的讀寫算法。

?　　2．3 濕度控制算法

　　對于溫濕度的監(jiān)測和控制，如果僅通過簡單的反饋控制(即濕度高于設(shè)定值，吸濕裝置吸收潮氣，飽和后將向外排放潮氣，如此反復(fù)來達(dá)到濕度的控制)很難達(dá)到理想的控制，原因是溫度控制器件和吸濕裝置的工作曲線通常都是非線性的，這種非線性使得控制時間的推算變得不確定。經(jīng)過反復(fù)研究、實驗，本文在溫濕度檢測控制系統(tǒng)中使用了模糊控制的方法獲得較好的效果。即根據(jù)監(jiān)控節(jié)點內(nèi)一段時間內(nèi)溫濕度測量值，得到吸濕裝置和溫度控制裝置能力的模糊估計(分為5類：強、較強、中、較弱、弱)，并根據(jù)濕度和設(shè)定范圍的差值，得到目前濕度值的模糊估計(遠(yuǎn)大于，接近，范圍以內(nèi)，低于，遠(yuǎn)低于)，然后根據(jù)設(shè)定的模糊控制規(guī)則控制外部各個固態(tài)繼電器動作，以達(dá)到溫濕度的良好控制。

　　2．4 網(wǎng)絡(luò)接口實現(xiàn)

　　溫濕度檢測控制模塊與中央服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)連接通過Conextop公司的NePort網(wǎng)絡(luò)串口轉(zhuǎn)換模塊實現(xiàn)，其體積約為兩個標(biāo)準(zhǔn)RJ45插座，擁有10 M／100 M的以太網(wǎng)接口，并可同時傳送TCP／UDP包給多個數(shù)據(jù)接收設(shè)備，提供1～2個高速串口，波特率可達(dá)921 600 b／s。MCU通過標(biāo)準(zhǔn)串口同NePort連接，NePort通過路由器與中央服務(wù)器相連。每個溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)都有唯一的系統(tǒng)編碼，通過一定的命令格式與中央服務(wù)器連接。主要的功能包括：每隔5 s上傳溫濕度測量信息；每天同步溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)時鐘和服務(wù)器時鐘；通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)置溫濕度校正信息和濕度控制信息等。

　　3 網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

　　3．1 中央服務(wù)器

　　中央服務(wù)器架設(shè)有IIS信息服務(wù)器和SQL數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，用ASP．net語言實現(xiàn)了 B／S結(jié)構(gòu)的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。B／S結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢在于系統(tǒng)內(nèi)任何接入Internet的計算機都能成為監(jiān)控客戶端，并且通過IE瀏覽器就可以實現(xiàn)監(jiān)控和管理，不需安裝任何軟件。實現(xiàn)的主要功能有：對各個溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行登記管理；將各個溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的溫濕度數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫并能查閱和刪除，以及產(chǎn)生歷史曲線和生成報表等；通過網(wǎng)頁向Internet用戶報告實時溫濕度測量信息；用戶的登記和權(quán)限管理等。

　　3．2 AJAX實現(xiàn)溫濕度數(shù)據(jù)的異步傳輸

　　傳統(tǒng)的B／S結(jié)構(gòu)中，當(dāng)用戶需要某特定信息時，用戶通過瀏覽器向服務(wù)器發(fā)送請求(例如點擊某項鏈接)，服務(wù)器將此鏈接指向的網(wǎng)頁發(fā)送至用戶端瀏覽器，此過程必須有用戶的參與。對于傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)，傳感器測量數(shù)據(jù)實時更新，只能由服務(wù)器端自動定時將新數(shù)據(jù)發(fā)送至瀏覽器，而不能采用點擊更新的方法；此外，傳統(tǒng)的網(wǎng)頁傳輸過程，是將某網(wǎng)頁內(nèi)容完全由服務(wù)器傳送至客戶端瀏覽器，但是傳感器的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控頁面每次更新的僅僅是部分測量新數(shù)據(jù)，而監(jiān)控背景畫面和各臺機器的參數(shù)信息都是固定的。如果采用傳統(tǒng)的同步更新方法會有大量重復(fù)內(nèi)容被傳輸，降低了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。本系統(tǒng)選用了AJAX技術(shù)克服了這些問題。

　　AJAX技術(shù)使用了一種異步更新方案，在這種數(shù)據(jù)傳輸方案中允許瀏覽器可以更新網(wǎng)頁中的部分信息。而每次只需更新傳感器測量信息，減輕了網(wǎng)絡(luò)通信負(fù)擔(dān)，實現(xiàn)了快速刷新。AJAX的工作原理相當(dāng)于在用戶和服務(wù)器之間加了一個中間層，使用戶操作與服務(wù)器響應(yīng)異步化。這樣把以前的一些服務(wù)器負(fù)擔(dān)的工作轉(zhuǎn)嫁到客戶端，利于客戶端閑置的處理能力來處理，減輕服務(wù)器和帶寬的負(fù)擔(dān)，從而達(dá)到節(jié)約帶寬的目的。

　　本系統(tǒng)在實施溫濕度監(jiān)控的頁面上用傳統(tǒng)的HTMLl靜態(tài)頁面繪制出監(jiān)控背景，各個溫濕度監(jiān)控節(jié)點的參數(shù)等靜態(tài)內(nèi)容，后臺則用JavaSc-ript來創(chuàng)建 XMLHttpRequest類向服務(wù)器定期發(fā)送一個HTTP請求，要求傳輸當(dāng)前溫濕度的測量結(jié)果。服務(wù)器收到該請求后通過一個網(wǎng)絡(luò)服務(wù)(Web Service)獲得各個傳感器的測量信息，并將結(jié)果返回至請求的頁面，網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膬H僅是需要更新的測量數(shù)據(jù)，因此響應(yīng)速度很快，不需用戶參與。

　　3．3 VML實現(xiàn)溫濕度數(shù)據(jù)顯示

　　當(dāng)瀏覽器接收到服務(wù)器端回傳的測量數(shù)據(jù)后必須以清晰、友好的界面顯示。為了減輕服務(wù)器負(fù)擔(dān)，應(yīng)該避免在服務(wù)器端繪制圖表(傳統(tǒng)的ASP．NET圖表實現(xiàn)方法)而應(yīng)在瀏覽器端實現(xiàn)。實現(xiàn)的方案也較多，比如AcTIveX、Java applet、SVG、VML等。ActiveX和Java applet是在網(wǎng)頁上插入二進(jìn)制形式的組件實現(xiàn)動態(tài)、交互式的多媒體網(wǎng)頁，但是二進(jìn)制形式的代碼對瀏覽器端是一個安全威脅，因此一般的ActiveX或 Java applet需要經(jīng)過數(shù)字簽名才能被用戶接受；此外微軟操作系統(tǒng)的版本改變也會影響對ActiveX和Java applet的支持。而SVG和VML則是通過特定的腳本語言實現(xiàn)在瀏覽器端的作圖，其代碼對客戶端是開放的，因此不存在安全問題。SVG需要瀏覽器安裝相應(yīng)的插件才能工作，而VML得到目前主流瀏覽器IE的支持不需要任何安裝，因此本系統(tǒng)選取VML的實現(xiàn)方案。VML(Vector Markup Language)是一種用矢量描述圖形的語言，其圖形可以任意放大縮小而不損失質(zhì)量，在VML里面，標(biāo)記使用的是XML擴展。結(jié)合Javascript 腳本語言，VML可以動態(tài)顯示圖形。VML避免了由第三方提供數(shù)字簽名，也不需要安裝IE新插件，實現(xiàn)結(jié)果如圖3和圖4所示。圖3是將各節(jié)點上傳的溫濕度測量值繪成的曲線圖，客戶可以一目了然地了解每個節(jié)點在一段時間內(nèi)的溫濕度變化情況。圖4是動態(tài)更新的同時顯示多節(jié)點的實時溫濕度測量值。

?

　　4 結(jié)束語

　　本文主要介紹了一種新型的基于網(wǎng)絡(luò)的溫濕度監(jiān)控傳輸系統(tǒng)的研制，其創(chuàng)新的技術(shù)特點體現(xiàn)在：通過采用高性能的溫濕度測量器件達(dá)到了更高的測量精度；采用模糊控制技術(shù)進(jìn)行濕度調(diào)控，減少了系統(tǒng)的狀態(tài)切換，控制效果好；Flash文件存儲方案，完成了測量數(shù)據(jù)的保存、擦除。此外，網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控方案采用了AJAX技術(shù)，實現(xiàn)了傳感器測量數(shù)據(jù)的異步傳輸，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度；并采用了VML實現(xiàn)了測量數(shù)據(jù)的動態(tài)顯示。這種方案也可以推廣應(yīng)用于其他傳感器的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)。