基于Modbus总线的室内通风监控系统

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摘要：针对化学、生物实验室等易产生有害气体的空间，设计了基于Modbus总线的室内通风监控系统。该系统由下位机排风控制器、补风控制器与上位机监控中心组成，可实现对多个通风柜集中远程控制与监测。硬件电路以LPC2138为核心控制芯片，由风速传感器、通风柜窗开度位移传感器、人体传感器等电路组成，采用RS485模块构建基于Modbus的通信网络。试验表明，该系统成本低，稳定性好，可实现远程监控，具有较高的实用价值。
关键词：通风监控;ARM;Modbus总线
0 引言
化学、生物实验室等场所在运行过程中会产生有害物质，这些有害物质一般由气体、微小颗粒等悬浮物组成，不及时排除会严重影响室内人员的健康甚至生命安全。因此，在这些实验室内每个实验平台前一般均安装有通风设备通风柜。传统的通风柜多为单一控制模式，工作时通风量保持固定不变，不能根据具体情况调节风量，通风效果不佳，也不利于节约电能;在无人监控状况下一旦通风柜发生故障停止运转，会造成危险。
Modbus技术己成为一种工业标准，其通讯主要采用RS232、RS485等通讯媒介，是一种开放、灵活和标准的通讯技术。本文设计了一种基于Modbus总线的室内通风监控系统，可实现对多个通风柜集中远程控制(根据具体情况调节风量)与监测。
1 监控系统的组成
整个监控系统由通风柜控制器(下位机)、Modbus总线和服务端(上位机)三部分组成，通风柜可根据实验室房间的大小和实验台分布的具体情况进行合理的布局。通风控制器在功能上可分为排风控制器和补风控制器两种，硬件电路上结构一致。对于诸如化学、生物实验室等特定房间，需要对每个排风柜进行单独的排风控制，整个房间还需要一个补风终端对房间进行风量的补充以免造成室内气压过低。排风控制器安装在每个通风柜上，补风控制器安装在补风终端上。每个通风控制器都有风量控制、监测、报警和参数设置等功能，并实时与上位机通信。
通风控制器的控制对象是每个通风柜以及补风终端上安装的文丘里阀，文丘里阀采用了数字化气流控制技术，内部具有高速的气流控制器，具有快速反应的自动压力平衡装置，提供可靠的通风柜集尘与室内压力的控制，风量的控制不受通风系统波动的影响。每个房间的通风柜和补风终端都连接着统一的通风管道和外部的风机相连。
通信网络采用RS485网络，通信协议采用Modbus协议，其作用是实现通风控制器终端和上位机之间的通信。
服务端是在PC机上实现，可检测设备实时数据、报警等信息，并可远程设置各个控制端的参数，统计查看历史数据曲线等，系统结构如图1所示。

2 通风控制器的设计
通风控制器在功能上分为补风控制器和排风控器，两者在硬件电路设计上一致，补风控制器是通过Modbus总线获取每个房间所有排风控制器的风量数据，通过运算控制补风终端的文丘里阀门输送相应的补风量。
2.1 硬件电路的组成
通风控制器的硬件设计采用了模块化的设计，由ARM芯片LPC2138及其外围电路、Modbus通信接口电路以及各种传感器电路组成，结构如图2所示。

风速传感器、通风柜窗开度位移传感器、人体传感器检测到的数据经A/D采样送入ARM处理器，与系统设定的风量等参数进行比较计算后输出驱动信号，控制文丘里阀门开度再由风速反馈与阀门反馈电压回馈形成一个闭环控制系统。各种信息数据通过Modbus总线传至上位机。2.1.1 Modbus通信接口电路设计
通信电路采用ADM2587E与LPC2138串口连接实现基于RS485的Modbus协议通信，ADM2582E是具备±15kV ESD保护功能的完全集成式隔离数据收发器，适合用于多点传输线路上的高速高效通信。该芯片单个封装内集成了一个三通道隔离器、一个三态差分线路驱动器、一个差分输入接收机和一个isoPower DC/DC转换器，采用5V或3.3V单电源供电，从而实现了完全隔离的基于RS-485的Modbus通信解决方案。ADM2587E与LPC2138 接口电路如图3所示。

2.1.2 风速传感电路设计
风速传感电路包括传感器电路和信号调理电路两部分。风速传感器安装在排风/补风口，传感器上内置有两个温敏二极管D1、D2，D1和发热电阻由导热膏连在一起，电阻通电发热，风量吹向电阻起到一定的散热作用，电阻通过导热膏将此风速下的发热量传递给D1，D1导通特性发生变化，D2作为无热量传导的固定参照。由于获取当前风速需要D1、D2的电压差作为参数，且D1、D2传导的电压信号较微弱，故采用信号调理电路通过运放放大后使两路电压作差送入LPC2138的A/D接口。FS2与FS3之间的温度差是风速的函数，由此可计算出对应的风速。传感器电路如图4所示。

2.1.3 其他外围电路
其他外围电路主要有驱动电路、报警电路、输入电路、存储电路、显示电路以及其他的传感器电路。
键盘和LED灯电路采用的是Philips的GPIO扩展芯片PCA9555D与主控芯片连接，最高可扩展16路通过GPIO口，可以直接驱动LED闪烁，节省了主芯片的GPIO口，通过I2C总线与主芯片通信。
存储电路和复位电路采用CAT1025芯片实现。CAT1025是基于微控制器系统的存储器和电源监控的完全解决方案，它利用低功耗CMOS技术将 2kbit的串行EEPOM存储器和带掉电保护的系统电源监控电路集成在一起。存储器采用400kHz的I2C总线接口。
传感电路除了风速传感电路外，还有以下几种传感器连接入主电路：1)人体传感器，通过人体传感器可以检测到人员是否进入工作区。 2)通风柜窗移传感器，采用滑动阻尼变阻器法，监测窗开度的大小。
显示电路中显示屏采用12864 LCD。报警电路的蜂鸣器是通过PWM2端口输出PWM信号来控制其蜂鸣报警。
2. 2 软件设计
程序设计采用ARM公司的集成开发环境Keil。设计中采用主程序与终端服务程序相结合的方法。系统主程序流程图如图5所示。首先进行初始化，包括端口、A/D(初始化后立即进行转换)、LCD、Modbus模块等的初始化。Modbus模块初始化包括波特率、Modbus协议的初始化。所有控制器以及上位机的波特率必须相同，本文中波特率设定为9600bps。

补风控制器通过RS485总线传输过来各个排风控制器的排风量进行累加补送相应的风量。排风控制器根据自身参数设定值、传感器信号等通过计算来控制排风量。中断服务程序流程图如图6所示。

2.2.1 控制系统设计
通风柜控制器根据通风柜窗开度、风速反馈量、阀门电压反馈量和其他设定的量实时计算出排风量的大小，转换成输出电压，即文丘里阀门的控制电压。
控制的基本思路是：1)当窗高发生明显变化时，由窗高等参数计算出输出电压，即时输出，并由阀门反馈电压做修正;2)当窗高稳定或变化很小时，交由风速反馈的基于PID调节的电压输出。然后根据通风柜前是否有人做最后的电压输出处理。控制流程图如图7所示。

2.2.2 Modbus通讯协议
设备以及上位机之间的通信是基于Modbus协议。Modbus协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络和其它设备之间可以通信。它已经成为一通用工业标准，利用此协议控制设备可以连成工业网络，进行集中监控。该协议定义了一个控制器能认识使用的消息结构，而不管它们是经过何种网络进行通信的。它描述了一控制器请求访问其它设备的过程，如何回应来自其它设备的请求，以及怎样侦测错误并记录，并制定了消息域格局和内容的公共格式。
3 监控中心上位机软件平台
该服务端上位机软件是采用微软公司Visual Studio软件开发平台开发的，具有良好的人机交互界面，并实现了与PC上的串口相连的RS 485总线通信。操作简单，可对每个设备的参数进行查看和修改，实时显示当前风速以及周围状况等参数，获取设备报警信息，统计数据并绘制实时风速曲线，并显示告警信息。
4 结语
监控系统中的通风控制器以ARM作为数据处理、控制、显示以及数据通信的控制核心，采用Modbus协议的RS485总线作为通信传输，上位机控制中心实现远程实时监控。测试结果表明，本系统工作稳定、可靠性强、且操作方便。基于Modbus协议的通信总线可以方便地增加或移除通风柜而不会影响系统运行，便于整个系统的维护和更新。为室内通风控制提供了一种新的方法，具有较高的实用价值。