一种远程温度差值监控系统设计

2019-09-13 版权声明 举报文章

一种远程温度差值监控系统设计

摘 要: 为了实现温室内外温差的自动控制,设计了一种远程智能温差监控系统,该系统能根据要求实时调节温室温度、远程动态实时地显示现场测试数据、海量测试数据的自动备份,并能随时调用数据结果进行分析。实际运行结果表明该系统达到设计要求。

关键词: 温度测量; 温差控制; 远程传输; DS18B20

中图分类号: TN92?34; TP368.1 文献标识码: A 文章编号: 1004?373X(2013)07?0105?03

0 引 言

温度测量仪器的用途相当广泛,在工业、农业和人们生活的方方面面都起到重要作用。而随着现代电子技术和计算机技术的发展,自动温度测量和控制设备,在温室测温、冷库测温、冷链物流控温等领域中都得到了广泛的应用。在无线通信技术蓬勃发展的今天,更是有必要设计和研究支持实时远程监控温度的模块、设备和系统。本文设计并研制了一种远程室内外温度差值监控系统,支持实时并行监测多个温室的温度值并维持其在一定范围内,通过GPRS无线模块接入电信网络,与服务器软件交互测量数据,支持人工下达温差控制命令。目前该系统已成功应用于某研究所的生态研究项目中。

1 系统工作原理

为了研究某地某种海洋植物在同一地区同一时期不同气温、水温环境下的生长变化情况,某研究小组在海边建设若干温室棚区对实验环境进行模拟,其中要求设计一种温度监控系统以自动地保持温室内外的温度差值在一定范围内。因为该课题的研究室与温室棚区现场相距数十公里远,为了支持研究室小组成员实时地监视温室内外温度的变化情况以及调控温室与室外温差范围等参数,设计了一种远程室内外温差监控系统,该系统的组成如图1所示。其中,实验现场的四个温室棚区呈“井”字形排列,分别编号为温室A,B,C,D;4个温度探测点和4个加热管分别位于各温室中心,负责探测室内温度及加热升温。棚内温度探测点与室外温度探测点放置温度传感器连接到中心控制器,加热管的开和关由控制器电路板上的继电器控制。控制器通过GPRS收发无线信号,以UDP包格式定时交互温度测量数据,支持短信格式的温差范围控制命令。

远程室内外温差监控系统示意图

其中温室内外温差控制需要一定的准则。假设室内温度为T,室外温度To,希望室内外温度差值在[Min DT, Max DT]范围内。当T-ToMax DT后,加热管断电,停止加温,室内温度T会缓慢下降;而后当T-To

2 系统硬件设计

本系统采用的测温器件DS18B20是美国DALLAS公司的智能温度传感器,具有简单接口线路和简洁的数字式温度读数方式[1],它已经广泛应用于各种自动温度测量的电子系统中[2?5]。本系统的温室现场中心控制器采用意法半导体公司的STM32微控制器,它采用了高性能、低功耗、实时性强的Cortex?M3内核,支持丰富的I/O口和USART,USB,CAN等多种通信协议[6?7]。STM32能很好地满足本系统的设计要求,利用GPIO口连接多个DS18B20实现同时读取测量到的温度值,利用GPIO口控制多个继电器的开关以实现对4个温室内加热管的通电断电控制,中心控制器通过USART口与GPRS模块进行测量、控制数据的收发处理。GPRS(General Packet Radio Service)能提供比现有GSM网络的9.6 Kb/s更高的数据速率[6?9]。GPRS模块支持通过UDP包格式和短信方式与远程监控计算机上的软件进行交互。硬件结构框图如图2所示。

温室现场中心控制器单元电路

3 系统软件设计

3.1 中心控制器主流程

为中心控制器中的程序基本流程,其中定时器1被用于周期性地触发发送温度测量数据和处理远程控制命令的本地调整。为了保证温度控制现场的控制器稳定性,开启STM32的看门狗设置,且在进行温度探测点的温度更新时,采用3点中值滤波以防止数据抖动。GPRS模块采用短信方式接收远程计算机的IP地址和端口号等控制命令,初始化后,以UDP包发送温度测量值。

温室现场控制器流程图

3.2 温差控制子程序

温差控制子程序的主要流程如图4所示。图中T[0]表示室外温度,T[I], I=1,2,3,4为温室A,B,C,D中心的DS18B20测量到的室内温度值。通过温差控制子程序及升温降温设备配合,可将温室温度控制在与室外温度差值[Min DT,Max DT]范围内。

温差控制流程图

3.3 远程服务器

远程计算机上的服务器软件采用Microsoft公司的VC 6.0进行设计。该软件的实际运行图如图5所示。

远程监控计算机运行图

MFC上应用WinSock控件进行网络套接字编程以支持UDP包的收发。采用短信的方式将服务器的IP地址和端口号发送给温室现场的中心控制器。WinSock从该端口接收到符合软件自定义格式的数据包后,解析出相应的室外温度、4个温室的温度和其余状态值,在曲线图和文本框中动态更新当前温度测量情况。然后以时间戳+温度测量值的方式追加温度数据到记录文件中,方便后续的数据分析。

4 运行测试结果

目前本文设计的远程室内外温度差值监控系统已在某研究所顺利运行了八个多月并获得了多组测量数据。计算机对记录的数据进行读取和分析,表明了该系统能实时准确地满足温室内外温差的监控要求。图6是某段时间的远程数据记录情况。

远程数据记录

从记录结果中截取某段局部数据如图7所示,以便查看短时间内通过继电器控制加热管后,室内温度随室外温度的变化情况。

升温降温过程与温差分析

生态研究人员在这段时间内,远程设定室内外温度差值范围控制在[1,2]℃内。那么,在图7中可以发现,这段时间内测量到的室外温度在14 ℃左右波动。而通过中心控制器的继电器的开关动作,使得加热管通断电,4个室内温度各自在升温到16 ℃左右后,降到15 ℃左右,继续该升温降温过程。整个升温降温过程中能保持室内外的温度差值在[1,2]℃之间变化。本系统很好地实现了温室内外温度差值的远程监视和控制。

5 结 语

随着信息时代的电子技术、计算机技术和无线通信技术的发展,传统的温度测量和调节方式,已经越来越适应不了现代温度测控的需求。本文设计了一种远程室内外温差监控系统,通过简单便捷的方式实现室内外温度的测量、温室温度的智能调节、温度测量数据的远程查看,远程交互温差控制命令。实际测试结果表明,本系统可以长期稳定地工作,并满足远程温度监控的设计需求。该系统为某地海洋植物的生态研究提供了便利,也可以作为一种远程测量监控的原型方案,为更加复杂的应用提供设计参考。

参考文献

[1] 赵海兰,赵祥伟.智能温度传感器DS18B20的原理与应用[J].现代电子技术,2003,26(14):32?34.

[2] 潘勇,孟庆斌.基于DS18B20的多点温度测量系统设计[J].电子测量技术,2008(9):91?93.

[3] 平,高金定.基于ATmega16与DS18B20的智能温控系统的设计[J].现代电子技术,2011,34(4):175?177.

[4] 陈生翰,刘其洪,丁柱.单总线数字温度传感器DS18B20自动识别的设计与实现[J].仪表技术与传感器,2010(5):16?18.

[5] 吕建波.基于单总线数字温度传感器DS18B20的测温系统设计[J].现代电子技术,2012,35(19):117?119.

[6] 季力.基于STM32芯片的电参数测量与数据传输[J].自动化与仪器仪表,2010(3):137?139.

[7] 陈媛,郭志波.基于STM32的电网谐波检测仪的研究[J].现代电子技术,2012,35(18):171?173.

[8] 赵亮,黎峰.GPRS无线网络在远程数据采集中的应用[J].计算机工程与设计,2005(9):2552?2554.

[9] 杜晓婷,李美莲.基于GPRS的远程监控系统[J].现代电子技术,2011,34(17):205?207.

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