摘 要：介紹了一種以嵌入式微處理器為核心的網(wǎng)絡(luò)化智能監(jiān)控系統(tǒng)，采用RS-485數(shù)據(jù)總線傳輸數(shù)據(jù)，給出了控制電路原理圖、軟件設(shè)計(jì)流程圖，并闡述了系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析和網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)措施。系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果驗(yàn)證了本系統(tǒng)具有成本低、精度高、電路簡單以及抗干擾性好等優(yōu)點(diǎn)。 關(guān)鍵詞：監(jiān)控系統(tǒng); 嵌入式微處理器; 網(wǎng)絡(luò)化; RS-485通訊 一 引言 　　隨著微電子技術(shù)、控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，應(yīng)用多傳感器的控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)多參數(shù)的測量和多對(duì)象的控制已成為現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展主流。對(duì)控制系統(tǒng)也提出了更高的要求，即精度高、數(shù)字傳輸距離遠(yuǎn)，可靠性好、易于組網(wǎng)，數(shù)據(jù)總線使用少、節(jié)約設(shè)備和電源，并具有信息處理和保存等功能。這樣，開發(fā)設(shè)計(jì)可靠性高、功能齊全的網(wǎng)絡(luò)化智能控制系統(tǒng)成為了目前關(guān)注的熱點(diǎn)。[1] 二 網(wǎng)絡(luò)化智能監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 　　2.1 網(wǎng)絡(luò)化智能監(jiān)控系統(tǒng)的組成 　　網(wǎng)絡(luò)化智能監(jiān)控系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示。該系統(tǒng)硬件電路主要由傳感器測控單元、數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)采集中心三部分組成。傳感器測控單元負(fù)責(zé)監(jiān)測各傳感器的數(shù)據(jù)信息，數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)接收和保存?zhèn)鞲衅鳒y控單元上傳的數(shù)據(jù)，并通過人機(jī)對(duì)話控制模塊進(jìn)行設(shè)置，同時(shí)還要接受數(shù)據(jù)采集中心的訪問。數(shù)據(jù)采集中心負(fù)責(zé)采集各個(gè)數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并與上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交流。 [align=center] 圖1 網(wǎng)絡(luò)化智能監(jiān)控系統(tǒng)的組成框圖[/align] 　　2.2 傳感器檢測控制單元 　　傳感器檢測控制單元由嵌入式PIC16F676單片機(jī)、濕度傳感器、溫度傳感器、流量傳感器以及信號(hào)調(diào)理電路、網(wǎng)絡(luò)接口等組成，其中傳感器的功用是將待測的信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，信號(hào)調(diào)理電路完成信號(hào)的整型、濾波、放大等預(yù)處理操作，經(jīng)微控制處理器處理后，轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的數(shù)字量結(jié)果，并由RS-485總線網(wǎng)絡(luò)接口發(fā)送給主控制器。其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。 [align=center] 圖2 傳感器檢測控制單元組成框圖[/align] 　　2.3 PIC16F676單片機(jī) [ 2. 3] 　　PIC16F676單片機(jī)是由美國Microchip公司推出的一種高性價(jià)比單片機(jī)，是一種功能強(qiáng)大的微控制器，可以為嵌入式控制系統(tǒng)提供高度靈活而有效的解決方案，在系統(tǒng)中作為控制核心，主要實(shí)現(xiàn)模擬量/數(shù)字量之間的轉(zhuǎn)化，完成信號(hào)的采集、處理以及采集結(jié)果的傳輸。 　　其主要特點(diǎn)如下： 　　⑴、1K字節(jié)可重復(fù)編程的程序存貯器，128字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器; 　?、啤?2條I/O線，可以直接驅(qū)動(dòng)LED; 　　⑶、2個(gè)帶8位預(yù)分頻的 8位定時(shí)/計(jì)數(shù)器及看門狗; 　　⑷、5路10位的A / D轉(zhuǎn)換; 　　⑸、低功耗、寬工作電壓范圍：2.5～5.5V 　　2.4 網(wǎng)絡(luò)接口單元 [ 4 ] 　　網(wǎng)絡(luò)接口單元是傳感器控制系統(tǒng)與主控制器之間的橋梁紐帶。目前廣泛使用RS-485串行接口總線,是采用一對(duì)平衡差分信號(hào)線的半雙工傳送方式，在多站點(diǎn)互連方面使用十分方便。通訊接口可以采用MAX485、SN75LBC184等芯片。本系統(tǒng)中傳感器控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)接口芯片為MAX485，設(shè)定數(shù)據(jù)傳送速率為2400b/s，數(shù)據(jù)傳輸距離為1200m，數(shù)據(jù)傳輸格式為1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無奇偶校驗(yàn)位，通信錯(cuò)誤檢測為累加和校驗(yàn)。與單片機(jī)的接口電路如圖3所示。 [align=center] 圖3 MAX485與單片機(jī)的接口電路[/align] 　　約定在RS-485通訊網(wǎng)絡(luò)中，總線上每一模塊均設(shè)定唯一地址。首先各前端機(jī)開中斷等待（SM2=1），主控制器發(fā)地址幀，所有前端機(jī)對(duì)地址幀產(chǎn)生串口中斷，將地址與本機(jī)地址比較，被尋址前端機(jī)將SM2清0、TB8置1，把本機(jī)地址碼發(fā)回供主控制器核對(duì)，核對(duì)正確后，被選前端機(jī)將采到的數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)幀發(fā)送給主控制器，發(fā)送完后SM2置1、TB8清0;未被尋址前端機(jī)保持SM2為1，開中斷等待。 三 網(wǎng)絡(luò)化智能監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 　　3.1 傳感器數(shù)據(jù)采集濾波算法 [ 5 ] 　　由于輸入的溫濕度信號(hào)是非線性的，必須通過軟件措施來對(duì)其線性化。 　　平均值濾波法： 　　算術(shù)平均值濾波是要尋找一個(gè)Y（k），使該值與各采樣值間誤差的平方和為最小， 　　即有：S=ΣY[sub]i[/sub] 　　其中的Yi為各采樣值（i=1 ～ n） Y（k）= S/n 　　算術(shù)平均值濾波的實(shí)質(zhì)即把一個(gè)采樣周期內(nèi)的n次采樣值相加，然后再除以采樣次數(shù)n，即可得到該周期的采樣值。為了提高算術(shù)平均值濾波的精確度和可靠性，考慮到被測模擬信號(hào)的變化速度，以10次為一個(gè)計(jì)算周期，采樣10次后，去掉一個(gè)最大值和一個(gè)最小值，再對(duì)中間的8個(gè)值進(jìn)行算術(shù)平均值處理，即可得到這個(gè)計(jì)算周期的采樣值。 　　3.2 網(wǎng)絡(luò)化智能監(jiān)控系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn) 　　網(wǎng)絡(luò)化智能監(jiān)控系統(tǒng)的軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，這樣便于調(diào)試程序和節(jié)省內(nèi)存空間，同時(shí)也便于后期維護(hù)和產(chǎn)品的升級(jí)。 　　主控制系統(tǒng)程序包括通信處理子程序、數(shù)據(jù)處理子程序、人機(jī)對(duì)話子程序、數(shù)據(jù)輸出子程序等。 　　傳感器測控單元程序包括A/D轉(zhuǎn)換子程序、算術(shù)平均值濾波子程序、D/A輸出控制子程序和通信處理子程序。程序流程框圖如圖4所示。 [align=center] 圖4 傳感器測控單元程序流程圖[/align] 　　網(wǎng)絡(luò)接口單元控制程序采用多機(jī)通訊的方式，采用中斷方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集中心與各數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸。程序流程框圖如圖5所示。 [align=center] 圖5 網(wǎng)絡(luò)接口單元主機(jī)程序流程圖[/align] 四 系統(tǒng)穩(wěn)定性分析與網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù) 　　在具體的應(yīng)用中，可靠性和通信效率應(yīng)特別重視，可靠性可以通過正確處理通信線路匹配、供電與隔離以及軟硬件的冗余來提高。通信距離可以增加中繼器、采用數(shù)據(jù)壓縮以及數(shù)據(jù)處理技術(shù)等加以解決。 　　實(shí)際應(yīng)用環(huán)境下由于高頻瞬態(tài)干擾，如果不加以適當(dāng)防護(hù)就會(huì)損壞RS-485通信接口。對(duì)于這種瞬態(tài)干擾可以采用隔離或旁路的方法加以防護(hù)。 　　1.隔離保護(hù)方法。這種方案實(shí)際上將瞬態(tài)高壓轉(zhuǎn)移到隔離接口中的電隔離層上，由于隔離層的高絕緣電阻，不會(huì)產(chǎn)生損害性的浪涌電流，起到保護(hù)接口的作用 　　2.旁路保護(hù)方法。這種方案利用瞬態(tài)抑制元件（如TVS、MOV、氣體放電管等）將危害性的瞬態(tài)能量旁路到大地。 　　實(shí)際應(yīng)用中是將上述兩種方案結(jié)合起來靈活加以運(yùn)用，隔離接口對(duì)大幅度瞬態(tài)干擾進(jìn)行隔離，旁路元件則保護(hù)隔離接口不被過高的瞬態(tài)電壓擊穿。 五 結(jié)論 　　利用本設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)的醫(yī)院病房遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，組網(wǎng)方便、靈活、經(jīng)濟(jì)。系統(tǒng)使用至今運(yùn)行正常,效果良好。 　　基于嵌入式微控制器和RS-485總線網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)化智能監(jiān)控系統(tǒng)，該方案實(shí)現(xiàn)簡單、通信可靠、可移植性強(qiáng)。由于RS-485總線可連接多個(gè)節(jié)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)1臺(tái)PC機(jī)監(jiān)控，多傳感器的分布式集散控制系統(tǒng)，有著廣闊的應(yīng)用前景。 參考文獻(xiàn) 　　[1] 張岡，基于現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器研究[J]，傳感器技術(shù)，2002，21（9） 　　[2] PIC16F676/630 Data Sheet [M]，Microchip Technology Inc. ，2003 　　[3] 劉和平譯，PIC16F87X單片機(jī)實(shí)用軟件與接口技術(shù)[M]，北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2001 　　[4] MAX485 Data Sheet [M]，Maxim Technology Inc. ，2003 　　[5] 竇振中，PIC系列單片機(jī)原理和程序設(shè)計(jì)[M]，北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1998