摘要：針對化學、生物實驗室等易產生有害氣體的空間，設計了基于Modbus總線的室內通風監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)由下位機排風控制器、補風控制器與上位機監(jiān)控中心組成，可實現對多個通風柜集中遠程控制與監(jiān)測。硬件電路以LPC2138為核心控制芯片，由風速傳感器、通風柜窗開度位移傳感器、人體傳感器等電路組成，采用RS485模塊構建基于Modbus的通信網絡。試驗表明，該系統(tǒng)成本低，穩(wěn)定性好，可實現遠程監(jiān)控，具有較高的實用價值。
關鍵詞：通風監(jiān)控；ARM；Modbus總線

0 引言
    化學、生物實驗室等場所在運行過程中會產生有害物質，這些有害物質一般由氣體、微小顆粒等懸浮物組成，不及時排除會嚴重影響室內人員的健康甚至生命安全。因此，在這些實驗室內每個實驗平臺前一般均安裝有通風設備通風柜。傳統(tǒng)的通風柜多為單一控制模式，工作時通風量保持固定不變，不能根據具體情況調節(jié)風量，通風效果不佳，也不利于節(jié)約電能；在無人監(jiān)控狀況下一旦通風柜發(fā)生故障停止運轉，會造成危險。
    Modbus技術己成為一種工業(yè)標準，其通訊主要采用RS232、RS485等通訊媒介，是一種開放、靈活和標準的通訊技術。本文設計了一種基于Modbus總線的室內通風監(jiān)控系統(tǒng)，可實現對多個通風柜集中遠程控制(根據具體情況調節(jié)風量)與監(jiān)測。

1 監(jiān)控系統(tǒng)的組成
    整個監(jiān)控系統(tǒng)由通風柜控制器(下位機)、Modbus總線和服務端(上位機)三部分組成，通風柜可根據實驗室房間的大小和實驗臺分布的具體情況進行合理的布局。通風控制器在功能上可分為排風控制器和補風控制器兩種，硬件電路上結構一致。對于諸如化學、生物實驗室等特定房間，需要對每個排風柜進行單獨的排風控制，整個房間還需要一個補風終端對房間進行風量的補充以免造成室內氣壓過低。排風控制器安裝在每個通風柜上，補風控制器安裝在補風終端上。每個通風控制器都有風量控制、監(jiān)測、報警和參數設置等功能，并實時與上位機通信。
    通風控制器的控制對象是每個通風柜以及補風終端上安裝的文丘里閥，文丘里閥采用了數字化氣流控制技術，內部具有高速的氣流控制器，具有快速反應的自動壓力平衡裝置，提供可靠的通風柜集塵與室內壓力的控制，風量的控制不受通風系統(tǒng)波動的影響。每個房間的通風柜和補風終端都連接著統(tǒng)一的通風管道和外部的風機相連。
    通信網絡采用RS485網絡，通信協(xié)議采用Modbus協(xié)議，其作用是實現通風控制器終端和上位機之間的通信。
    服務端是在PC機上實現，可檢測設備實時數據、報警等信息，并可遠程設置各個控制端的參數，統(tǒng)計查看歷史數據曲線等，系統(tǒng)結構如圖1所示。

2 通風控制器的設計
    通風控制器在功能上分為補風控制器和排風控器，兩者在硬件電路設計上一致，補風控制器是通過Modbus總線獲取每個房間所有排風控制器的風量數據，通過運算控制補風終端的文丘里閥門輸送相應的補風量。
2．1 硬件電路的組成
    通風控制器的硬件設計采用了模塊化的設計，由ARM芯片LPC2138及其外圍電路、Modbus通信接口電路以及各種傳感器電路組成，結構如圖2所示。

    風速傳感器、通風柜窗開度位移傳感器、人體傳感器檢測到的數據經A／D采樣送入ARM處理器，與系統(tǒng)設定的風量等參數進行比較計算后輸出驅動信號，控制文丘里閥門開度再由風速反饋與閥門反饋電壓回饋形成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。各種信息數據通過Modbus總線傳至上位機。[!--empirenews.page--]
2．1．1 Modbus通信接口電路設計
    通信電路采用ADM2587E與LPC2138串口連接實現基于RS485的Modbus協(xié)議通信，ADM2582E是具備±15kV ESD保護功能的完全集成式隔離數據收發(fā)器，適合用于多點傳輸線路上的高速高效通信。該芯片單個封裝內集成了一個三通道隔離器、一個三態(tài)差分線路驅動器、一個差分輸入接收機和一個isoPower DC／DC轉換器，采用5V或3．3V單電源供電，從而實現了完全隔離的基于RS-485的Modbus通信解決方案。ADM2587E與LPC2138接口電路如圖3所示。

2．1．2 風速傳感電路設計
    風速傳感電路包括傳感器電路和信號調理電路兩部分。風速傳感器安裝在排風／補風口，傳感器上內置有兩個溫敏二極管D1、D2，D1和發(fā)熱電阻由導熱膏連在一起，電阻通電發(fā)熱，風量吹向電阻起到一定的散熱作用，電阻通過導熱膏將此風速下的發(fā)熱量傳遞給D1，D1導通特性發(fā)生變化，D2作為無熱量傳導的固定參照。由于獲取當前風速需要D1、D2的電壓差作為參數，且D1、D2傳導的電壓信號較微弱，故采用信號調理電路通過運放放大后使兩路電壓作差送入LPC2138的A／D接口。FS2與FS3之間的溫度差是風速的函數，由此可計算出對應的風速。傳感器電路如圖4所示。

2．1．3 其他外圍電路
    其他外圍電路主要有驅動電路、報警電路、輸入電路、存儲電路、顯示電路以及其他的傳感器電路。
    鍵盤和LED燈電路采用的是Philips的GPIO擴展芯片PCA9555D與主控芯片連接，最高可擴展16路通過GPIO口，可以直接驅動LED閃爍，節(jié)省了主芯片的GPIO口，通過I2C總線與主芯片通信。
    存儲電路和復位電路采用CAT1025芯片實現。CAT1025是基于微控制器系統(tǒng)的存儲器和電源監(jiān)控的完全解決方案，它利用低功耗CMOS技術將2kbit的串行EEPOM存儲器和帶掉電保護的系統(tǒng)電源監(jiān)控電路集成在一起。存儲器采用400kHz的I2C總線接口。
    傳感電路除了風速傳感電路外，還有以下幾種傳感器連接入主電路：1)人體傳感器，通過人體傳感器可以檢測到人員是否進入工作區(qū)。  2)通風柜窗移傳感器，采用滑動阻尼變阻器法，監(jiān)測窗開度的大小。
    顯示電路中顯示屏采用12864 LCD。報警電路的蜂鳴器是通過PWM2端口輸出PWM信號來控制其蜂鳴報警。
2. 2 軟件設計
    程序設計采用ARM公司的集成開發(fā)環(huán)境Keil。設計中采用主程序與終端服務程序相結合的方法。系統(tǒng)主程序流程圖如圖5所示。首先進行初始化，包括端口、A／D(初始化后立即進行轉換)、LCD、Modbus模塊等的初始化。Modbus模塊初始化包括波特率、Modbus協(xié)議的初始化。所有控制器以及上位機的波特率必須相同，本文中波特率設定為9600bps。

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    補風控制器通過RS485總線傳輸過來各個排風控制器的排風量進行累加補送相應的風量。排風控制器根據自身參數設定值、傳感器信號等通過計算來控制排風量。中斷服務程序流程圖如圖6所示。

2．2．1 控制系統(tǒng)設計
    通風柜控制器根據通風柜窗開度、風速反饋量、閥門電壓反饋量和其他設定的量實時計算出排風量的大小，轉換成輸出電壓，即文丘里閥門的控制電壓。
    控制的基本思路是：1)當窗高發(fā)生明顯變化時，由窗高等參數計算出輸出電壓，即時輸出，并由閥門反饋電壓做修正；2)當窗高穩(wěn)定或變化很小時，交由風速反饋的基于PID調節(jié)的電壓輸出。然后根據通風柜前是否有人做最后的電壓輸出處理?？刂屏鞒虉D如圖7所示。

2．2．2 Modbus通訊協(xié)議
    設備以及上位機之間的通信是基于Modbus協(xié)議。Modbus協(xié)議是應用于電子控制器上的一種通用語言。通過此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經由網絡和其它設備之間可以通信。它已經成為一通用工業(yè)標準，利用此協(xié)議控制設備可以連成工業(yè)網絡，進行集中監(jiān)控。該協(xié)議定義了一個控制器能認識使用的消息結構，而不管它們是經過何種網絡進行通信的。它描述了一控制器請求訪問其它設備的過程，如何回應來自其它設備的請求，以及怎樣偵測錯誤并記錄，并制定了消息域格局和內容的公共格式。

3 監(jiān)控中心上位機軟件平臺
    該服務端上位機軟件是采用微軟公司Visual Studio軟件開發(fā)平臺開發(fā)的，具有良好的人機交互界面，并實現了與PC上的串口相連的RS 485總線通信。操作簡單，可對每個設備的參數進行查看和修改，實時顯示當前風速以及周圍狀況等參數，獲取設備報警信息，統(tǒng)計數據并繪制實時風速曲線，并顯示告警信息。

4 結語
    監(jiān)控系統(tǒng)中的通風控制器以ARM作為數據處理、控制、顯示以及數據通信的控制核心，采用Modbus協(xié)議的RS485總線作為通信傳輸，上位機控制中心實現遠程實時監(jiān)控。測試結果表明，本系統(tǒng)工作穩(wěn)定、可靠性強、且操作方便?；贛odbus協(xié)議的通信總線可以方便地增加或移除通風柜而不會影響系統(tǒng)運行，便于整個系統(tǒng)的維護和更新。為室內通風控制提供了一種新的方法，具有較高的實用價值。