林 楠， 孫建紅

(南京理工大學(xué) 電子工程與光電技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210094)

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·實(shí)驗(yàn)室環(huán)境與安全·

紅外學(xué)習(xí)型實(shí)驗(yàn)室環(huán)境遠(yuǎn)程智能調(diào)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

林 楠， 孫建紅

(南京理工大學(xué) 電子工程與光電技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210094)

為保障實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境安全，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境參數(shù)并對(duì)其進(jìn)行及時(shí)、精準(zhǔn)、智能地調(diào)節(jié)，將紅外信號(hào)波形存儲(chǔ)法和閉環(huán)控制理論相結(jié)合，基于MSP430、STC15和GSM設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套具有可自動(dòng)控制和可萬(wàn)能遙控兩大特點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境參數(shù)智能監(jiān)測(cè)、報(bào)警與調(diào)控系統(tǒng)。其內(nèi)含閉環(huán)自動(dòng)控制子系統(tǒng)，具有遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制功能，擁有紅外信號(hào)的學(xué)習(xí)與重現(xiàn)能力，可精確控制各種機(jī)型的紅外遙控類設(shè)備，通用性強(qiáng)。對(duì)系統(tǒng)的功能、原理與軟硬件設(shè)計(jì)等進(jìn)行了介紹，最后對(duì)系統(tǒng)測(cè)試進(jìn)行了說(shuō)明。測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的功能。系統(tǒng)稍加拓展還可應(yīng)用于更多場(chǎng)合，具有一定的研究?jī)r(jià)值和實(shí)用價(jià)值。

遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè); 自動(dòng)控制; 紅外學(xué)習(xí); 波形存儲(chǔ); GSM; MSP430

0 引 言

實(shí)驗(yàn)室是科學(xué)研究的重要場(chǎng)所，大多數(shù)的科研實(shí)驗(yàn)室由于存放了諸多精密儀器或特殊藥品等，對(duì)于環(huán)境參數(shù)的穩(wěn)定性和可控性要求較高。一旦環(huán)境參數(shù)超過(guò)一定范圍，很有可能導(dǎo)致設(shè)備損壞、藥品失效等，給實(shí)驗(yàn)室造成一定的經(jīng)濟(jì)損失。因此，實(shí)時(shí)掌控實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境參數(shù)并及時(shí)調(diào)控對(duì)實(shí)驗(yàn)室管理來(lái)說(shuō)具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)往往功能單一，僅有監(jiān)測(cè)功能而無(wú)控制功能[1-2]，或僅實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制卻未能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制[3]，智能化程度較低。因受控對(duì)象含有空調(diào)等紅外遙控類設(shè)備，不同機(jī)型的紅外信號(hào)協(xié)議差異甚大，且設(shè)備機(jī)型繁多，故大多數(shù)具備控制功能的系統(tǒng)也僅實(shí)現(xiàn)對(duì)部分特定廠商、型號(hào)設(shè)備的控制[4]，可控機(jī)型少，缺乏通用性。基于此，本文設(shè)計(jì)了一種實(shí)驗(yàn)室環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測(cè)、報(bào)警與智能調(diào)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制功能，含有閉環(huán)自動(dòng)控制子系統(tǒng)，擁有紅外信號(hào)的學(xué)習(xí)與重現(xiàn)能力，可精確控制幾乎所有品牌、型號(hào)的紅外遙控類設(shè)備，通用性極強(qiáng)。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)主要功能有：①可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、顯示實(shí)驗(yàn)室環(huán)境參數(shù)，遠(yuǎn)程獲取環(huán)境參數(shù)和系統(tǒng)狀態(tài)。②具有遠(yuǎn)程和本地兩種控制方式以及自動(dòng)調(diào)控模式。遠(yuǎn)程控制方式下，管理員可通過(guò)手機(jī)控制相關(guān)設(shè)備調(diào)節(jié)環(huán)境參數(shù)，啟動(dòng)或退出自動(dòng)調(diào)控模式；本地控制方式下，管理員可利用本地遙控器取代手機(jī)實(shí)現(xiàn)等效控制。③在自動(dòng)調(diào)控模式下，系統(tǒng)將自動(dòng)根據(jù)環(huán)境參數(shù)與預(yù)設(shè)的調(diào)節(jié)范圍智能地調(diào)控相關(guān)設(shè)備，且當(dāng)參數(shù)超出警戒范圍時(shí)將及時(shí)通知管理員，確保實(shí)驗(yàn)室環(huán)境安全。④設(shè)有短信密碼，避免系統(tǒng)被非法操控。⑤利用本地遙控器可控制系統(tǒng)的啟動(dòng)、待機(jī)，設(shè)置短信密碼、自動(dòng)調(diào)節(jié)范圍、警戒范圍等。⑥系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)紅外信號(hào)的學(xué)習(xí)與存儲(chǔ)，不受設(shè)備品牌與型號(hào)限制，實(shí)現(xiàn)“萬(wàn)能”紅外遙控。

1.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

為實(shí)現(xiàn)上述功能，本系統(tǒng)需要中央處理器、顯示器、GSM終端、紅外接收、各類傳感器、紅外發(fā)射、繼電器、電源等硬件模塊。其中，中央處理器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理與控制，是本系統(tǒng)的核心；顯示器用于顯示環(huán)境參數(shù)與系統(tǒng)狀態(tài)；GSM終端模塊用于連接GSM網(wǎng)絡(luò)，利用短信業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制；紅外接收模塊用于實(shí)現(xiàn)本地遙控器控制，以及學(xué)習(xí)控制遙控類設(shè)備所需的紅外信號(hào)；各類傳感器用于環(huán)境參數(shù)的獲??；紅外發(fā)射模塊用于控制空調(diào)、空氣凈化器等遙控類設(shè)備；繼電器模塊用于控制加濕器、除濕器、照明燈等。而要實(shí)現(xiàn)控制遙控類設(shè)備的紅外信號(hào)的學(xué)習(xí)、存儲(chǔ)與發(fā)送，要求處理器具備較大的E2PROM存儲(chǔ)空間和高頻率中斷產(chǎn)生38 kHz高頻載波的高速計(jì)算能力。為使紅外發(fā)射模塊相對(duì)獨(dú)立，提高其可移動(dòng)性，也為增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性，不影響主處理器關(guān)鍵程序的運(yùn)行，不占用主處理器的存儲(chǔ)空間，做到?！靶尽睂Ｓ茫鞠到y(tǒng)另行采用一塊高速單片機(jī)專門負(fù)責(zé)紅外信號(hào)的記錄與還原，其與主處理器間以有線串行口或無(wú)線透?jìng)髂K進(jìn)行通信。系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)處理與控制中心和紅外學(xué)習(xí)與發(fā)射端兩個(gè)部分，總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案示意圖

1.3 系統(tǒng)的工作原理

全球移動(dòng)通信(Global System for Mobile Communications,GSM)是目前應(yīng)用最為廣泛、覆蓋面最為廣闊的移動(dòng)通信系統(tǒng)[5]，有著容量大、抗干擾能力強(qiáng)以及通信質(zhì)量高的特點(diǎn)[6]。借助GSM的短消息業(yè)務(wù)(Short Message Service,SMS)，不論實(shí)驗(yàn)室管理員身處何地，僅需擁有一部接入GSM網(wǎng)絡(luò)的手機(jī)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)相關(guān)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。插入用戶身份識(shí)別(Subscriber Identity Module,SIM)卡的GSM終端與主處理器通過(guò)串行口實(shí)現(xiàn)通信。當(dāng)管理員給系統(tǒng)發(fā)送短信時(shí)，GSM終端接收短信并通過(guò)串口將短信內(nèi)容發(fā)送給主處理器，主處理器解析短信內(nèi)容并執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作。若為控制遙控類設(shè)備的指令，主處理器將通過(guò)串口或無(wú)線透?jìng)魍ㄖ诙幚砥?，令其將事先學(xué)習(xí)并存儲(chǔ)的紅外信號(hào)還原發(fā)出以控制設(shè)備按指定的模式工作。若為控制加濕器、除濕器、照明燈等設(shè)備的指令，主處理器將驅(qū)動(dòng)繼電器接通或斷開設(shè)備電源。若為獲取環(huán)境參數(shù)的指令，主處理器將令GSM終端回復(fù)帶有環(huán)境參數(shù)和系統(tǒng)狀態(tài)的短信，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。此外，現(xiàn)場(chǎng)管理員亦可用本地遙控器實(shí)現(xiàn)控制：紅外接收模塊收到遙控器發(fā)來(lái)的紅外信號(hào)后，交由主處理器解析并執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作。各類傳感器則實(shí)時(shí)感知環(huán)境參數(shù)并傳送至主處理器。

自動(dòng)調(diào)控模式啟動(dòng)后，閉環(huán)控制子系統(tǒng)開始運(yùn)行，此為整套系統(tǒng)智能化的關(guān)鍵所在，主要包括測(cè)量、比較和執(zhí)行三個(gè)環(huán)節(jié)。此時(shí)主處理器會(huì)實(shí)時(shí)將獲得的環(huán)境參數(shù)與事先設(shè)定的控制范圍進(jìn)行比對(duì)。當(dāng)參數(shù)高于或低于控制范圍時(shí)，主處理器會(huì)驅(qū)動(dòng)繼電器或第二處理器來(lái)控制設(shè)備以調(diào)控參數(shù)，當(dāng)參數(shù)回歸控制范圍后則驅(qū)動(dòng)關(guān)閉設(shè)備，以此保持環(huán)境參數(shù)的穩(wěn)定，如圖2所示。而當(dāng)參數(shù)失控并超過(guò)警戒線范圍時(shí)，往往表示設(shè)備存在故障，此時(shí)主處理器會(huì)令GSM終端發(fā)送警示短信，提醒管理員及時(shí)到場(chǎng)修復(fù)。

圖2 閉環(huán)自動(dòng)控制子系統(tǒng)的基本原理示意圖

為實(shí)現(xiàn)對(duì)紅外遙控類設(shè)備的控制，且不受機(jī)型限制，系統(tǒng)需具備紅外學(xué)習(xí)能力，以學(xué)習(xí)并記錄下控制所需的紅外信號(hào)，并能將其重現(xiàn)、發(fā)射。紅外遙控信號(hào)是一組串行二進(jìn)制編碼脈沖，含高、低兩種電平。不同的遙控設(shè)備一般有自身專用的編碼協(xié)議，收發(fā)雙方須遵循相同的協(xié)議進(jìn)行解碼與編碼，從而建立連接實(shí)現(xiàn)遙控。紅外信號(hào)的學(xué)習(xí)主要有協(xié)議識(shí)別和波形存儲(chǔ)兩種方法[7]。然而，由于設(shè)備類型、生產(chǎn)廠家的不同，紅外遙控波形協(xié)議各種各樣，協(xié)議識(shí)別法通常只能針對(duì)某一種特定的協(xié)議[8]，學(xué)習(xí)單一碼制的紅外信號(hào)[9]，通用性不強(qiáng)。而波形存儲(chǔ)法則專注于波形的脈沖序列記錄與重現(xiàn)，可不受紅外波形編碼協(xié)議的限制[10]，真正實(shí)現(xiàn)了“萬(wàn)能”學(xué)習(xí)與遙控，因此本系統(tǒng)采用波形存儲(chǔ)法實(shí)現(xiàn)紅外學(xué)習(xí)。由于該方法對(duì)處理器速度和存儲(chǔ)空間大小要求較高，為不影響主處理器中主程序的運(yùn)行，也使紅外發(fā)射部分獨(dú)立可移動(dòng)，系統(tǒng)另行采用一塊高速單片機(jī)作為第二處理器專門處理該任務(wù)。

波形存儲(chǔ)法的基本原理為：捕獲原遙控器所發(fā)出的紅外信號(hào)，用適當(dāng)?shù)姆椒ㄓ涗浵虏ㄐ蔚拿}沖序列特征，進(jìn)行完全拷貝并保存。當(dāng)需要重現(xiàn)發(fā)射時(shí)，再?gòu)拇鎯?chǔ)器內(nèi)讀出相應(yīng)的特征參數(shù)，驅(qū)動(dòng)發(fā)射管發(fā)出還原信號(hào)。在本系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)波形存儲(chǔ)，需令第二處理器在監(jiān)測(cè)到用戶通過(guò)原配遙控器發(fā)射的紅外信號(hào)后，啟用內(nèi)部定時(shí)器來(lái)記錄信號(hào)高、低電平持續(xù)時(shí)間，并將該組時(shí)間值連續(xù)存儲(chǔ)于內(nèi)部E2PROM中某一512字節(jié)的扇區(qū)內(nèi)，以保存這一信號(hào)，如圖3所示。該組時(shí)間值即為該紅外信號(hào)的特征參數(shù)。需要發(fā)射相應(yīng)信號(hào)時(shí)，處理器啟用兩個(gè)內(nèi)部定時(shí)器，一個(gè)用于以中斷方式產(chǎn)生38 kHz載波，另一個(gè)用于根據(jù)高、低電平時(shí)間產(chǎn)生調(diào)制信號(hào)，兩者經(jīng)過(guò)調(diào)制后同時(shí)加載于紅外發(fā)射管上，即可實(shí)現(xiàn)信號(hào)的重現(xiàn)與發(fā)射。

圖3 紅外波形存儲(chǔ)法的原理與實(shí)現(xiàn)方法示意圖

實(shí)際軟、硬件設(shè)計(jì)時(shí)，選擇常見(jiàn)的加濕器、除濕器、空調(diào)為受控對(duì)象，以溫度、濕度這兩種環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測(cè)與控制為例，實(shí)現(xiàn)本套系統(tǒng)。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 主處理器

主處理器選用MSP430F149單片機(jī)。該單片機(jī)是美國(guó)德州儀器(TI)推出的一種16位超低功耗、具有精簡(jiǎn)指令集(Reduced Instruction Set Computer,RISC)的混合信號(hào)處理器[11]，具有功耗低、指令高效、電壓范圍寬、時(shí)鐘靈活可選、中斷功能強(qiáng)大、喚醒時(shí)間短等特點(diǎn)[12]。其片上有2 KB RAM，包括基本時(shí)鐘、看門狗定時(shí)器、12位A/D轉(zhuǎn)換器、2個(gè)16位的可輸出PWM單元的定時(shí)器、2個(gè)具有中斷功能的8位并行端口和4個(gè)8位并行端口、2個(gè)串行通信接口等模塊[13]，完全能夠滿足本系統(tǒng)的使用。

2.2 第二處理器

第二處理器選用宏晶公司生產(chǎn)的STC15W404AS高速單片機(jī)，超低功耗、超強(qiáng)抗干擾、寬工作電壓的單片機(jī)，其按照高速內(nèi)核設(shè)計(jì)，采用增強(qiáng)型1T8051CPU，速度比普通8051快8～12倍，且不分頻，保證了紅外信號(hào)38KHz載波的發(fā)生和發(fā)射波形的還原所需的高速計(jì)算能力。其內(nèi)含9KB E2PROM，可以分成18個(gè)512B的扇區(qū)，存儲(chǔ)18個(gè)紅外信號(hào)特征參數(shù)。其內(nèi)置1個(gè)串行口，保證了與主處理器的通信。其內(nèi)部擁有三個(gè)定時(shí)器，是載波發(fā)生、信號(hào)特征的記錄與重現(xiàn)以及串行口通信的重要保證。以STC15W404AS為處理器，外加按鍵、紅外收、發(fā)模塊等外設(shè)，即可組成萬(wàn)能型紅外學(xué)習(xí)與發(fā)射模塊，用以控制空調(diào)。該模塊關(guān)鍵部分原理圖如圖4所示。其中，P1.0是借助定時(shí)器T0以中斷溢出方式產(chǎn)生的38KHz載波的輸出管腳，P1.1是借助定時(shí)器T2根據(jù)已記錄的高、低電平時(shí)間產(chǎn)生的調(diào)制信號(hào)的輸出管腳，它們通過(guò)調(diào)制電路加載于LED紅外發(fā)射管上實(shí)現(xiàn)紅外信號(hào)的重現(xiàn)發(fā)射；P1.3連接紅外接收管的OUT腳；P3.0～P3.1為串行口，可與主處理器的串口P3.6～P3.7連接；P3.2、P3.6連接按鍵K3、K4，分別用于控制進(jìn)入“紅外信號(hào)的捕獲與學(xué)習(xí)”和“擦除存儲(chǔ)紅外信號(hào)特征參數(shù)的扇區(qū)數(shù)據(jù)”任務(wù)。

2.3 GSM終端

GSM終端選用華為公司生產(chǎn)的MG323-B型GSM/GPRS無(wú)線數(shù)據(jù)終端。MG323體積小，支持GSM850/900/1800/1900MHz四個(gè)工作頻段，接收靈敏度<-107 dBm，支持GSM/GPRS Phase2/2+協(xié)議，帶有1 個(gè)可連接主處理器的串行口[14]，即UART1_RD與UART1_TD，可與主處理器P3.4～P3.5相連。

圖4 萬(wàn)能型紅外學(xué)習(xí)與發(fā)射模塊關(guān)鍵部分原理圖

2.4 顯示模塊

顯示模塊選用LCD12864型液晶顯示模塊。該模塊內(nèi)置64×16位字符顯示RAM和64×16位字符產(chǎn)生RAM(CGRAM)，以及8192個(gè)中文字型(16×16點(diǎn)陣)和126個(gè)西文字型(16×8點(diǎn)陣)字庫(kù)，顯示漢字與字符。模塊還提供了8位并行和串行這兩種與處理器連接的方式，能滿足本系統(tǒng)的需求。模塊主要有RS、WR、EN、CS這四個(gè)控制引腳，連接主處理器P6.3～P6.6，而8位數(shù)據(jù)引腳則連接主處理器P2.0～P2.7。

2.5 傳感器

以環(huán)境溫、濕度的監(jiān)測(cè)為例，本系統(tǒng)選用奧松公司的DHT11型數(shù)字溫、濕度傳感器。該傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫、濕度復(fù)合傳感器，其內(nèi)部含有一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件，并與內(nèi)置的高性能 8 位單片機(jī)相連，且采用單線制串行接口，具有體積小、功耗低、成本低、精度高、數(shù)據(jù)傳輸簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用十分廣泛[15]。該模塊有4個(gè)引腳，其中2號(hào)引腳為數(shù)據(jù)引腳，連接主處理器的P4.6腳，3號(hào)引腳無(wú)定義。

2.6 其他外設(shè)

紅外接收選用HX1838紅外接收模塊，紅外信號(hào)由主處理器P4.5接入；繼電器選用松樂(lè)公司的SRD-05VDC-SL-C型10A繼電器，控制引腳連接主處理器P5.6、P5.7。

本系統(tǒng)整體硬件連接示意圖如圖5所示。其中連接P1.0的K1用于產(chǎn)生外部中斷，按下后可進(jìn)入“等待、比對(duì)本地遙控器信號(hào)并執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作”的任務(wù)。

3 軟件設(shè)計(jì)

由于本系統(tǒng)涉及兩個(gè)處理器，因此需分別編寫各處理器運(yùn)行的程序，以協(xié)作實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。

3.1 主處理器程序設(shè)計(jì)

(1) 主要流程。主處理器的程序流程如圖6所示。系統(tǒng)啟動(dòng)后首先進(jìn)行初始化，包括處理器本身、串行口以及標(biāo)志量的初始化等。接著進(jìn)入基本設(shè)置環(huán)節(jié)，如短信密碼設(shè)置、自動(dòng)調(diào)控范圍的設(shè)置、警戒線范圍的設(shè)置等。管理員須持本地遙控器按照屏幕提示進(jìn)行設(shè)置，此時(shí)系統(tǒng)需調(diào)用遙控器鍵值獲取函數(shù)，該函數(shù)需啟用定時(shí)器TB來(lái)檢測(cè)紅外接收管引腳高(低)電平的持續(xù)時(shí)間。設(shè)置完畢后系統(tǒng)處于待機(jī)狀態(tài)，待管理員按下遙控器開機(jī)鍵后即可開機(jī)，進(jìn)入等待GSM終端網(wǎng)絡(luò)注冊(cè)的循環(huán)。此時(shí)系統(tǒng)不斷給GSM終端發(fā)送查詢網(wǎng)絡(luò)注冊(cè)是否成功的AT指令，直到收到其應(yīng)答信息后跳出。發(fā)送AT指令的函數(shù)不僅要完成指令的發(fā)送，還需進(jìn)行應(yīng)答信息的比對(duì)，以確保GSM終端接收無(wú)誤。之后繼續(xù)給GSM終端發(fā)送AT指令進(jìn)行短信模式設(shè)置等，設(shè)置成功后即可進(jìn)入主循環(huán)。

圖5 系統(tǒng)整體硬件連接示意圖

圖6 主處理器的程序流程圖

主循環(huán)內(nèi)，系統(tǒng)首先根據(jù)DHT11傳感器的時(shí)序要求讀出溫、濕度數(shù)據(jù)，并顯示于LCD，然后運(yùn)行報(bào)警監(jiān)視函數(shù)。該函數(shù)將實(shí)時(shí)溫、濕度與預(yù)設(shè)的警戒線范圍進(jìn)行比對(duì)，如超出則令LCD顯示報(bào)警信息并給管理員發(fā)送警示短信，提醒管理員及時(shí)處置。若沒(méi)有中斷產(chǎn)生，系統(tǒng)即在此間循環(huán)。此時(shí)如管理員給系統(tǒng)發(fā)送短信并被GSM終端接收，則主處理器串口0產(chǎn)生中斷，中斷函數(shù)中標(biāo)志位1被置位，系統(tǒng)回到主循環(huán)后便運(yùn)行短信內(nèi)容比對(duì)與動(dòng)作執(zhí)行函數(shù)check_new_message()。如第二處理器發(fā)來(lái)回復(fù)信息，則主處理器串口1產(chǎn)生中斷，中斷函數(shù)中標(biāo)志位2被置位，系統(tǒng)將運(yùn)行內(nèi)容比對(duì)與動(dòng)作執(zhí)行函數(shù)check_new_2ndCPUsig()。如K1按鍵被按下，則主處理器外部中斷發(fā)生，中斷函數(shù)中標(biāo)志位3被置位，系統(tǒng)將運(yùn)行遙控器鍵值比對(duì)與動(dòng)作執(zhí)行函數(shù)check_new_remotekey()，其中當(dāng)鍵值為“關(guān)機(jī)鍵”時(shí)系統(tǒng)將驅(qū)動(dòng)繼電器關(guān)閉加濕器、除濕器并跳轉(zhuǎn)程序回到待機(jī)狀態(tài)。如代表運(yùn)行模式的自動(dòng)標(biāo)志被上述動(dòng)作置位，則系統(tǒng)進(jìn)入閉環(huán)自動(dòng)控制模式。此時(shí)系統(tǒng)循環(huán)運(yùn)行傳感器溫、濕度讀取、顯示、報(bào)警監(jiān)視、自動(dòng)調(diào)控等函數(shù)，直到有中斷響應(yīng)時(shí)退出。

(2) 關(guān)鍵函數(shù)與進(jìn)程。check_new_message()是本系統(tǒng)關(guān)鍵函數(shù)之一，其主要流程是：先比對(duì)GSM終端的應(yīng)答信息是否為短信(是否包含“+CMT”)及短信密碼是否正確，并記錄來(lái)信號(hào)碼。如密碼正確則進(jìn)一步比對(duì)短信內(nèi)容，若為有效指令，則執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作并令LCD顯示已收到的指令。其中，收到控制空調(diào)指令時(shí)，由串口1給第二處理器發(fā)送對(duì)應(yīng)指令，令其發(fā)射紅外信號(hào)以控制空調(diào)；收到加濕器、除濕器的開/關(guān)指令時(shí)，令繼電器閉合或斷開，同時(shí)更新系統(tǒng)狀態(tài)信息并令GSM終端給管理員回復(fù)確認(rèn)短信；收到獲取實(shí)時(shí)狀態(tài)指令時(shí)，令GSM終端回復(fù)實(shí)時(shí)狀態(tài)信息，管理員即可遠(yuǎn)程獲取實(shí)驗(yàn)室實(shí)時(shí)的溫、濕度以及系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)等；收到自動(dòng)調(diào)控模式的開、關(guān)指令，則給自動(dòng)標(biāo)志置、復(fù)位，同時(shí)更新系統(tǒng)狀態(tài)信息并令GSM回信確認(rèn)。

check_new_2ndCPUsig()也是系統(tǒng)運(yùn)行的關(guān)鍵之一，其主要流程是：先判斷信息內(nèi)容有效性，如有效方執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作——顯示空調(diào)調(diào)控結(jié)果、更新系統(tǒng)狀態(tài)信息以及給第二處理器回復(fù)再次確認(rèn)信號(hào)。如模式為非自動(dòng)，則意味著此時(shí)空調(diào)調(diào)控指令來(lái)自管理員，故還將令GSM終端給管理員回復(fù)確認(rèn)短信。

閉環(huán)自動(dòng)控制則是系統(tǒng)的關(guān)鍵進(jìn)程，其核心是測(cè)量、比較和執(zhí)行。自動(dòng)調(diào)控函數(shù)autocontrol()則是實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制的關(guān)鍵：當(dāng)溫度低于/高于預(yù)設(shè)的自動(dòng)調(diào)控范圍時(shí)，給第二處理器發(fā)送相應(yīng)指令讓其控制空調(diào)制熱/制冷，控制的溫度由調(diào)控范圍的上下限值靈活選擇，以求適中、節(jié)能，直到溫度回歸調(diào)控范圍中間值時(shí)方關(guān)閉。濕度的控制與溫度類似，只是調(diào)節(jié)時(shí)驅(qū)動(dòng)的是繼電器，且需及時(shí)顯示調(diào)控結(jié)果并更新系統(tǒng)狀態(tài)。

3.2 第二處理器程序設(shè)計(jì)

第二處理器的程序流程如圖7所示。當(dāng)主處理器發(fā)來(lái)控制指令時(shí)，第二處理器將根據(jù)指令內(nèi)容調(diào)用相應(yīng)的事先學(xué)習(xí)并以高、低電平特征參數(shù)形式存儲(chǔ)在E2PROM某扇區(qū)中的紅外信號(hào)通過(guò)LED紅外發(fā)射管發(fā)出，以實(shí)現(xiàn)對(duì)空調(diào)的控制。紅外信號(hào)捕獲與學(xué)習(xí)函數(shù)infrared_get_code()與紅外信號(hào)發(fā)射函數(shù)infrared_send_code()是第二處理器執(zhí)行的主要函數(shù)。

圖7 第二處理器的程序流程圖

infrared_get_code()采用波形存儲(chǔ)法實(shí)現(xiàn)，主要流程有：監(jiān)測(cè)到低電平后開始低電平計(jì)時(shí)(啟用定時(shí)器T0)、計(jì)時(shí)期間將之前的高電平計(jì)數(shù)值寫入扇區(qū)、監(jiān)測(cè)到高電平后低電平計(jì)時(shí)停止并暫存計(jì)數(shù)值同時(shí)開始高電平計(jì)時(shí)、計(jì)時(shí)期間將之前的低電平計(jì)數(shù)值寫入扇區(qū)、監(jiān)測(cè)到低電平后高電平計(jì)時(shí)停止并暫存計(jì)數(shù)值同時(shí)開始低電平計(jì)時(shí)……如此循環(huán)反復(fù)直到檢測(cè)到信號(hào)結(jié)束(高電平時(shí)間過(guò)長(zhǎng))后退出。最后在一個(gè)扇區(qū)內(nèi)連續(xù)保存了一組高、低電平的時(shí)間值，此即為紅外信號(hào)的特征參數(shù)。

infrared_send_code ()用到定時(shí)器T0和T2，主要流程是：?jiǎn)?dòng)定時(shí)器T0，以中斷方式在P1.0產(chǎn)生38 kHz載波；讀出扇區(qū)中的電平時(shí)間數(shù)值，將其作為定時(shí)器T2的計(jì)數(shù)值并啟動(dòng)T2，在P1.1產(chǎn)生具有精確時(shí)長(zhǎng)高(低)電平的調(diào)制信號(hào)。

3.3 短信指令

本系統(tǒng)定義的短信指令及其含義詳見(jiàn)表1。管理員須按“短信密碼+指令”格式發(fā)送相關(guān)短信方可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制。

表1 短信指令及其含義

4 系統(tǒng)測(cè)試

根據(jù)功能需求，完成了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，如圖8所示，并在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行了各項(xiàng)功能測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室溫、濕度的監(jiān)測(cè)、報(bào)警與智能調(diào)控，能實(shí)現(xiàn)手機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制，能實(shí)現(xiàn)任意紅外信號(hào)的學(xué)習(xí)與存儲(chǔ)，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

圖8 系統(tǒng)成品實(shí)物圖

5 結(jié) 語(yǔ)

采用紅外信號(hào)波形存儲(chǔ)、閉環(huán)自動(dòng)控制等理論與方法，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套紅外學(xué)習(xí)型實(shí)驗(yàn)室環(huán)境參數(shù)的遠(yuǎn)程智能監(jiān)測(cè)、報(bào)警與調(diào)控系統(tǒng)。先后介紹了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案、工作原理、軟硬件設(shè)計(jì)等，最后對(duì)系統(tǒng)成品進(jìn)行了測(cè)試，取得了滿意的結(jié)果。本系統(tǒng)具備的紅外學(xué)習(xí)能力大大方便了受控對(duì)象的拓展，若接入更多的傳感器，如煙霧傳感器、光強(qiáng)傳感器等，還可進(jìn)一步豐富系統(tǒng)功能。本系統(tǒng)的應(yīng)用有效地降低了實(shí)驗(yàn)室管理的難度，保障了實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的安全穩(wěn)定，提高了實(shí)驗(yàn)室的信息化與智能化水平。本系統(tǒng)稍加修改還可以應(yīng)用于更多場(chǎng)合，應(yīng)用前景廣闊。

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Design of Infrared-Learning Remote Intelligent Control System for Laboratory Environment

LINNan，SUNJian-hong

(School of Electronic and Optical Engineering， Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094， China)

This paper presents the design and implementation of an IR-learning remote automatic monitoring, alarm and control system which has intelligence and universality for the laboratory environment, and can help to ensure lab safety. The system combines the theories of IR waveform storage and closed-loop control based on MSP430, STC15 and GSM, includes a closed-loop automatic control subsystem, and has the functions of remote monitoring and control. It has the ability to learn, store, reproduce, and transmit IR signals and to control all kinds of appliances that can be controlled by IR. In this paper, the principles and functions of the system, and hardware and software design are introduced, and the test results are described. The experimental results indicate that this system achieves the expected goals. The system can be applied to other occasions after the functions are modified and extended, so it has a certain research and practical value.

remote monitoring; automatic control; IR learning; waveform storage; GSM; MSP430

2015-01-18

江蘇省產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合創(chuàng)新基金(BY2014004)

林 楠(1990-)，男，福建寧德人，碩士生，主要研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)。

Tel.：15651935199; E-mail: 513104001565@njust.edu.cn

孫建紅(1966-)，女，江蘇張家港人，副教授，主要從事電路與系統(tǒng)的研究與教學(xué)。

Tel.：025-84303086; E-mail: sunjh@njust.edu.cn

TP273+.5

A

1006-7167(2015)12-0277-06