《武汉工程大学学报》 2012年10期
73-78
出版日期：2012-11-06
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
虚拟仪器技术多仓库环境监控系统应用设计
0引言现代化的物流仓库和工厂储物仓库规模大，数量多，而且环境条件的要求高，仓库的日常管理直接影响到储备物资的使用寿命和工作可靠性.仓库管理的首要问题是加强仓库的温度和湿度监测工作，并根据监测仓库环境状况实时调整仓库的温度、湿度，光照等环境因素以使之处于合适的范围内，保证储备物资的最佳储存环境.LabVIEW是一种由美国国家仪器（NI）公司研制开发的程序开发环境,它使用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式\[1\]. 本文是采用LabVIEW结合IPC(Industrial Personal Computer)作为上位机监控系统，用单片机作为下位机采集温、湿度传感器信号处理和传输终端，工控机通过串口RS232与下位机进行通信，然后LabVIEW程序将下位机送来的数据进行相应处理，并发出相应的控制指令，控制各个仓库的温湿度控制设备的运行，达到维持仓库稳定的环境条件的目的.1系统组成原理采用LabVIEW结合PC机作为上位机监控系统，利用传感器检测各个仓库环境参数，利用单片机对采集温湿度传感器的信号进行标准化处理，同时单片机接收PC机指令，直接输出仓库设备的操作指令\[2\].此系统中，单片机和传感器组成信号采集模块，PC机与单片机采用RS485和RS232通信协议进行上下位机通讯，组成一个有PC机和单片机协调控制的多CPU系统网络，其系统结构原理图如图1所示.图1系统结构原理图
Fig.1Structural schematics of system系统检测温度范围为-30℃~50℃，监测精度为0.5℃，湿度检测范围为10%~95%RH，监测精度为1%.系统采用10秒钟间隔采样方式监测环境的温湿度，并将实时监测到的温、湿度数据存入数据库中生成数据报表.为了适应不同物资所要求的环境条件的不同，系统可以人为设定环境温度范围和湿度范围.温度和湿度范围值设定以后，当系统监测到环境温度和湿度超出这一设定的范围时，系统启动声光报警并自动启动仓库里的降温设备进行降温、启动通风机进行除湿处理，当温度和湿度恢复到设定范围内时声光报警自动解除.其工作原理图如图2所示.图2工作原理图
Fig.2Working schematics2上位机监控系统设计运行LabVIEW程序的工控机，一方面作为仓库环境监控的人机交互界面，另一方面利用其强大的运算处理能力对监测的环境数据进行分析处理，控制仓库的降温和除湿设备运行.为实现各个仓库自动控制和监控的实时性，本系统运用PID控制算法设计监控程序，对环境数据进行采集和仓库设备进行智能控制，其控制策略原理图如图3所示.第10期谈宏华，等：虚拟仪器技术多仓库环境监控系统应用设计
武汉工程大学学报第34卷
图3控制策略原理图
Fig.3Control algorithm schematics利用LabVIEW设计的监控界面如图4所示.系统可以实现以下功能：(1) 温湿度实时数据曲线显示；(2) 温湿度数据存储；(3) 温湿度报警；(4) 输出命令控制降温除湿设备.图4人机交互界面
Fig.4Interactive interface程序设计步骤：首先调用“仪器IO>串口>VISA配置串口函数>VISA读取函数”将单片机与工控机的通信通道建立起来.然后将串口过来的数据进行相应的处理，包括数据的曲线显示、数据存储、数据处理.曲线显示利用前面板的“波形图控件”，数据存储用“database函数”.程序查询设定了时间段、数据属性等查询条件，在前面板的下拉列表中设定查询条件即可完成数据查询，查询后的数据以表格和图表的形式回放\[3\].具体程序实现如图5所示，数据查询程序如图6所示.程序采用LabVIEW软件设计，依据系统的设计需要和实际应用，系统程序流程如图7所示.开启系统后，首先设置系统初始化使系统处于备运行状态，操作员发出启动指令系统即开始运行进入工作状态.后台程序的主要工作：(1) 系统对采集卡的各个通道进行定时循环检测，检测到温度和湿度等数据变量是将其存入程序寄存器，以待主程序调用\[4\].(2)工控机通过设计的主算法程序将寄存器的采集的数据变量运用定制的算法进行处理计算然后输出到采集卡的出口端，控制降温通风除湿设备.(3)工控机在处理数据的同时也会将数据存储在系统数据库中已备将来调用.(4)系统出现异常和人员操作停止指令，系统停止运行.图5实时监控程序图
Fig.5Realtime monitoring program图6数据查询程序
Fig.6Data querying program图7程序流程图
Fig.7Program flow chart3下位机系统设计下位机系统包括单片机、温度信号采集模块、湿度信号采集模块、降温和通风设备控制模块四个组成部分\[5\].单片机作为下位机系统的数据处理和通讯核心，是链接终端设备和工控机的桥梁，温、湿度传感器是系统数据采集终端，降温和通风设备是维持仓库环境条件正常的直接调节作用机构\[6\].下位机系统结构图如图8所示.图8下位机系统结构图
Fig.8System Structure FIG of next bit plane3.1采用DS18B20传感器进行温度信号采集模
块设计DS18B20传感器独特的一线接口方式，具有一条信号线多点通讯的能力，简化了分布式温度传感应用.可用数据供电，电压范围为3.0 V至5.5 V.测温范围较广，从-55~125 ℃，精度达到0.5 ℃.它提供9至12位一线接口，数据传输和硬件连接很方便，用途很广，包括空调环境控制、感测建筑物内温设备或机器，并进行过程检测和控制.DS18B20用在本系统中完全可以满足要求.温度传感器的硬件连接如图9所示，Rx和Tx分别与单片机相应的端口链接构成温度采集通路.DS18B20与单片机链接后，其监测的温度值对应输出的数字量如表1所示.表1DS18B20部分数据表
Table 1DS18B20 part of the data table
温度数字量输出
(二进制)数字量输出
(16进制)+10.125℃0000 0000 1010 001000A2射器h+0.5℃0000 0000 0000 10000008h0℃1111 1111 1111 10000000h-0.5℃1111 1111 0101 1110FFE8h-10.125℃1111 1110 0110 1111Ff5Eh-25.0625℃1111 1110 0110 1111FE6Fh-55℃1111 1100 1001 0000FC90h图9温度信号采集电路原理图
Fig.9Schematic circuit diagram for temperature
signal acquisition3.2湿度信号采集模块设计采用的HS1101型温度传感器是HUMIREL公司生产的相对湿度传感器，它基于独特工艺的电容元件设计.湿度传感器应用典型外围电路设计思路：将湿度传感器HS1101置于555为核心的振荡电路中，将电容的变化值转换成电压的频率信号，微处理器直接采集频率信号，其应用电路如图10所示.HS1101作为一个变化的电容器，连接在555的1和6引脚.HS1101的等效电容通过R3和R2充电达到其电压上限（近似于0.67 VCC，时间记为t1），这时555的3引脚由高电平变为低电平，然后通过R2进行放电，由于R3被7引脚内部短路接地，所以只放电到触发界线（近似于0.33 VCC，时间记为t2），这时555芯片的引脚3变为高电平.通过两个不同的电阻R2，R3进行传感器HS1101的不停的充放电，产生方波输出.图10湿度测量应用电路
Fig.10Measurement circuit for temperature输出波形的频率和占空比的计算公式如下：f=1T=1t1+t2=1C(2R2+R3)In2=1180pF×1291×In2=6208 HzD=t1T=R2+R32R2+R3=620+51620×2+51=51%空气湿度和555芯片输出频率的关系式如下：F05=F55(1.1038-1.9368×10-3×RH+3.0114×10-6×RH2-3.4403×10-8×RH3)可以看到，555芯片输出频率与空气的相对湿度有一定线性关系.表2给出了典型湿度与频率的关系.通过单片机采集555芯片输出的频率，然后查表即可得出相应的相对湿度值.为了提高系统测量精度，下位机采集的频率送入上位机，上位机以分段形式进行相应处理.
表2典型频率湿度对应关系
Table 2Frequencyhumidity corresponding relationship
RH0102030405060708090100Fre6 8526 7346 6186 5036 3886 2716 1526 0295 9015 7665 623注：参考6208Hz为55%RH/25℃3.3降温和通风设备控制模块上位机监控系统发出降温和通风设备控制信号后经过单片机处理然后控制现场设备的相关动作\[7\].由于降温设备相对于单片机是大功率设备，为了安全性和减少大功率设备对单片机系统干扰，这里采用光电隔离开关和继电接触器将降温和通风设备与单片机隔离开来，其原理如图11所示.图11降温和通风设备控制信号通路
Fig.11Control signal path for cooling and
ventilation equipment3.4下位机数据处理与控制程序设计下位机程序采用C语言设计，主要程序有信号滤波子程序和通信子程序两种.下面给出的部分通信程序和信号滤波处理程序./*-------------写串口-----------------*/ 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); } /*--------------读串口--------------*/ 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); } /*****************信号滤波--加权平均滤波*****************************8/#define N 12char code jq\[N\]={1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12};//加权系数表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<N;count++){value_buf\[count\]=get_ad(); //获取采样值delay();}for (count=0;count<N;count++)sum+=value_buf\[count\]*jq\[count\];return (char)(sum/sum_jq)；} 4结语本文设计的多仓库环境监控系统，利用一台工控机同时监控多个仓库里的温湿度等环境指数，在温度和湿度不在适宜的范围内时，系统调用控制算法对温度和湿度调节设备进行自动控制而无需工作人员亲自操作，基本达到设计要求.它不仅提高了环境监控的效率而且减少人工成本和值班人员的工作量，具有很高的实用价值.当然系统还有可以改进的地方，仓库的环境检测还可以加入仓库气体浓度监测，光照度监测以及视频监控等等，使仓库的环境指数监控更全面.