文章來(lái)源：《自動(dòng)化儀表》2018年 第4期
作者：徐悅 張陽(yáng) 吳健 張輝
摘要：對于保存文物的博物館展柜，需要監控多種物理量。每種物理量均由專(zhuān)門(mén)設備負責監控。通常，一臺設備就是一個(gè)對外通 信節點(diǎn)。單臺展柜節點(diǎn)數量較多，對上位機的運行造成較大負荷。為了減少單臺展柜的通信節點(diǎn)數量、統一展柜對外的通信協(xié)議及 通信接口、降低上位機的運行壓力，設計了一種展柜微環(huán)境通信系統，以實(shí)現監控設備和上位機之間的數據傳輸，完成雙向通信。系 統以MC9S12XS128為微控制器進(jìn)行嵌入式軟硬件設計，與上位機通過(guò)WiFi進(jìn)行通信、與監控設備進(jìn)行RS485通信，實(shí)現了數據匯集、存儲整合、遠程通信等功能。對系統進(jìn)行了持續168h(7天)的通信測試，證明系統與上位機及監控設備整體通信測試通過(guò)率大于99%,滿(mǎn)足文保行業(yè)要求。該系統實(shí)現了對展柜微環(huán)境的分布式監控，使得每個(gè)展柜微環(huán)境能夠獨立、靈活、高效地調控，加快了博物館管理從人工監控到電子信息化的過(guò)渡。系統能夠輔助實(shí)現文物微環(huán)境的實(shí)時(shí)監測、控制和記錄，這些數據對文物的科學(xué)研究和保護工作具有重要參考價(jià)值。
關(guān)鍵詞：文物保護；微環(huán)境；嵌入式系統；通信系統；-485;Wii
0 引言
博物館作為國家文化的一種象征，其展品的防護問(wèn)題一直是博物館管理工作的重中之重。當展出時(shí)，文物放置于展柜中，故展柜必須為文物提供物理防護和環(huán)境控制的雙重保護[1]。展柜內的展陳環(huán)境又稱(chēng)為文物的展柜微環(huán)境。展柜微環(huán)境控制涉及溫度、相對濕度、光照強度、空氣質(zhì)量等物理量。這些物理量的監測和控制通常由不同的設備來(lái)實(shí)現[2-4]。
文物的特性差異會(huì )導致其所需的微環(huán)境存在差別，溫度、相對濕度、照明、空氣質(zhì)量等監控量的重要程度也不同。例如，青銅器文物對相對濕度的敏感程度明顯高于對光照強度的敏感程度，所以營(yíng)造適宜的濕度環(huán)境對青銅器更加重要。出于資源優(yōu)化考慮，對次要監控量的控制程序可以放寬，甚至不進(jìn)行特殊控制。但這樣的做法容易造成不同展柜內監控設備種類(lèi)及數量不一致的問(wèn)題，并且不同種類(lèi)的監控設備來(lái)源于不同廠(chǎng)商，對外接口往往不統一。對于有遠程監控需求的展廳，一臺監控設備就是一個(gè)節點(diǎn)，單臺展柜的查詢(xún)節點(diǎn)數過(guò)多且數量種類(lèi)不一致，將造成上位機負載過(guò)重，可能影響通信的穩定性。
本文設計了一套展柜微環(huán)境通信系統，用于統每臺展柜內的監控設備與外界的通信接口、協(xié)議及指令形式，減少每臺展柜的對外通信節點(diǎn)數量，使展柜監控設備與博物館內上位機實(shí)現高效通信連接。同時(shí)本系統具有友好的人機交互功能，方便用戶(hù)實(shí)時(shí)掌握當前展柜微環(huán)境通信情況，并對其進(jìn)行靈活操作。
1 展柜微環(huán)境通信系統介紹
博物館展柜微環(huán)境工作結構如圖1所示。
圖1 展柜微環(huán)境工作結構圖
Fig.1 Working structure of showcase microenvironment
展柜微環(huán)境通信系統在工作時(shí)，放置于所屬展柜底部，與展柜外部的上位機進(jìn)行WiFi通信，并與展柜內的溫濕度監控設備、照明監控設備、空氣質(zhì)量監控設備、展柜開(kāi)啟設備等進(jìn)行RS-485有線(xiàn)通信[5-6]。監控設備的種類(lèi)根據展柜中文物的需求進(jìn)行組合，每一組合最多不超過(guò)4類(lèi)設備。本系統獲取文物展柜微環(huán)境溫度、相對濕度、光照強度、空氣質(zhì)量等物理量監測數據，并對相關(guān)物理量進(jìn)行調控；然后按相應通信協(xié)議完成數據處理存儲及重組打包；最后，數據上傳至上位機，實(shí)現展柜與上位機的信息交換[7]，營(yíng)造文物適宜的展陳環(huán)境。
2 系統硬件設計
2.1 系統的組成
展柜通信系統主要由微控制器( microcontroller，MCU )、電源模塊、人機交互模塊、通信模塊和儲存模塊5部分組成 。展柜微環(huán)境通信硬件框圖如圖2 所示。
圖2 系統硬件框圖
Fig.2 Block diagram of system hardware
系統微控制器的選取取決于其功能。本系統使 用的微控制器需要2路串口，13路以上通用輸入/輸出( general purpose input output,GP) 接口。選取MCU時(shí)，需要兼顧該款芯片的穩定性、開(kāi)發(fā)難度、經(jīng)濟成本等因素。本文最終選定飛思卡爾半導體的MC9S12XS128型號芯片。該芯片是一個(gè)16位器件，包括2個(gè)全雙工串行通信接口( serial communication interface,SCI),91個(gè)獨立I/O口；同時(shí)，其具備很多其他的片上資源，完全能夠滿(mǎn)足系統的開(kāi)發(fā)需求。
本系統使用串行通信接口0擴展WiFi通信，可實(shí)現與展廳上位機的通信；串行通信接口1用于擴展RS-485總線(xiàn)，有線(xiàn)連接所屬展柜內監控設備并實(shí)現通信。
人機交互模塊包括1.8英寸(1英寸=25.4mm)液晶、按鍵及LED指示燈，完成參數和設備狀態(tài)顯示、參數設置以及報警[8]。
2.2 電源模塊
系統的正常工作需要穩定的供電系統作為保障，通信模塊對系統電源的穩定性和抗干擾性要求比較高。電源模塊為微控制器、人機交互模塊、通信模塊、存儲模塊供電。
系統總功率為15W。綜合考慮電源工作效率及成本等因素，選用MWS-15-5型的開(kāi)關(guān)電源，穩壓電源輸入220V市電、輸出5V/3A直流電，滿(mǎn)足通信系統的供電要求。系統中的WiFi部分電路需要3.3V供電，功率為1.7W。對此，使用AMS1117_3.3型降壓芯片，將5V電壓轉換成3.3V,并提供1A輸出電流。
2.3 通信模塊
博物館與普通的工業(yè)現場(chǎng)存在較大差別。其內部展柜數量較多，且布展奉行展示性第一的原則，要求展廳現場(chǎng)盡可能少地出現明線(xiàn)線(xiàn)路，因此需要實(shí)現快速、穩定的遠程通信。結合以上特征，本系統與上位機之間采用WiFi通信方案。該方案具有通信速度快、可靠性高、組網(wǎng)成本低的特點(diǎn)，在開(kāi)放性區域通信距離可達300m以上，便于與現有的有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行整合。WiFi電路基于MC9S12XS128的1路SCI進(jìn)行擴展設計，實(shí)現了數據從本系統到上位機之間的傳輸[9]。
本系統與展柜微環(huán)境監控設備之間采用工業(yè)現場(chǎng)常用的高可靠RS-485有線(xiàn)通信。擴展的RS-485總線(xiàn)可以?huà)燧d多個(gè)設備。本系統為主機，掛載設備為從機。主機對從機進(jìn)行控制。理論上，RS-485總線(xiàn)上最多可以?huà)燧d128個(gè)節點(diǎn)，能夠滿(mǎn)足博物館展柜通信連接設計需求。但是在實(shí)際調試過(guò)程中，發(fā)現了很多不確定因素，導致通信系統與多臺展柜微環(huán)境監控設備通信時(shí)屢出故障。經(jīng)分析，發(fā)現不同廠(chǎng)商生產(chǎn)的設備不僅通信協(xié)議各異，而且通信軟件的兼容性和魯棒性也不同。本系統與某臺監控設備通信時(shí)，指令通過(guò)RS-485總線(xiàn)廣播至其他設備，部分設備接收到不屬于自己的指令后，會(huì )發(fā)出干擾信號，嚴重時(shí)可導致RS-485總線(xiàn)上掛載的監控設備死機或其他后果。
RS-485 通信擴展通道如圖3所示。
圖3 RS-485通信擴展通道示意圖
Fig.3 Schematic diagram of RS-485 extended communication channel
出于通信安全性和穩定性考慮，應對通信模塊進(jìn)行抗干擾保護。在RS-485信號對外接口處增加1個(gè)電子開(kāi)關(guān)，使1路RS-485輸出接口擴展成4路通道，每類(lèi)監控設備對應一個(gè)通道；同一時(shí)刻只允許1路通道打開(kāi)，從而在物理上排除多路通道相互通信干擾的隱患。此處使用美信公司的MAX14778電子開(kāi)關(guān)芯片。該芯片具有1路輸入通道和4路輸出通道，每路通道開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)間≤2ms,可兼容RS-485、RS-232、USB1.1這3種信號，承受±25V的電壓，滿(mǎn)足系統設計需求。
2.4 人機交互模塊
人機交互模塊包括液晶屏、運行狀態(tài)指示燈及輸入按鍵，便于展柜微環(huán)境通信系統進(jìn)行本地參數設置。 液晶屏實(shí)時(shí)顯示系統當前通信狀態(tài)、設備運行狀態(tài)，還 可設置參數信息及時(shí)間地址信息；指示燈分別指示系統運行正常及故障2種狀態(tài)。按鍵分別實(shí)現上翻、下翻、左翻、右翻、設置、確認這6種功能。
2.5 存儲模塊
展柜微環(huán)境通信系統存儲功能可以用于記錄系統運行數據，包括通信數據、設備運行的時(shí)間、設置參數、運行狀態(tài)和系統報警信息。該模塊使用的AT24C02型號存儲芯片為集成電路總線(xiàn)( inter-integrated- circuit,I2C)器件。該器件可以實(shí)現片外存儲，最大存儲容量為2048字節。MCU通過(guò)使用2路I/O模擬I2C的同步數據線(xiàn)( synchronous data adapter,SDA)和串行時(shí)鐘線(xiàn)( serial communication loop,SCL),實(shí)現與AT24C02通信。
3 系統軟件設計
3.1 系統軟件框架設計
系統軟件功能包括通信、設備狀態(tài)自檢、人機交互、數據處理。其中，通信功能包括與上位機的上位通信和與監控設備的下位通信2方面。通信系統主程序流程如圖4所示。
圖4 主程序流程圖
Fig.4 Flowchart of main program
3.2 系統通信軟件設計
在博物館無(wú)線(xiàn)監控網(wǎng)絡(luò )中，展柜微環(huán)境監控設備被放置在展柜最底端的設備層。每臺設備作為一個(gè)測控節點(diǎn)，負責展柜內監測數據的采集及相關(guān)控制，并通過(guò)RS-485通信將數據送往展柜微環(huán)境通信系統。系統統一處理后，將數據送往上位機。該方式能有效降低通信運行負載，適用于多個(gè)節點(diǎn)同時(shí)采集數據的情況。監控設備需要測量的數據包括溫度、相對濕度、光照強度、空氣質(zhì)量等。這些數據如果直接傳送至上位機，會(huì )增加網(wǎng)絡(luò )的運行成本。而通信系統將數據進(jìn)行匯集、初步處理、整合、打包傳送，使數據的使用率上升并同時(shí)降低網(wǎng)絡(luò )的負荷和成本，保證了數據傳輸的通暢[10]
博物館無(wú)線(xiàn)監控網(wǎng)絡(luò )的通信指令分為3大類(lèi)：
?、僮x取各展柜監測數據；
?、谙逻_控制參數至某臺展柜內的某臺監控設備；
?、郢@取當前展柜設備控制參數。
以讀取監控設備監測數據指令為例，本系統的通信實(shí)現過(guò)程如圖5所示。
圖5通信實(shí)現過(guò)程示意圖
Fig.5 Process of communication implementation
系統主程序初始化結束后，系統軟件打開(kāi)中斷。如果上位機發(fā)起通信請求，通信系統進(jìn)入中斷服務(wù)接收程序并設置相應的標志位，中斷服務(wù)程序流程如圖6所示。
主程序查詢(xún)到相應標志位后，判斷上位機指令類(lèi)型，再根據判斷結果依次與展柜微環(huán)境監控設備通信。待本系統收到監控設備相應反饋后，進(jìn)行初步處理及存儲數據，并打包回復上位機。
為保障系統的正常運行，在通信環(huán)節設計了超時(shí)和重試機制。經(jīng)實(shí)際測試，每個(gè)通信過(guò)程時(shí)間不超過(guò)500ms,因此每次通信環(huán)節設置500ms等待時(shí)間。若逾時(shí)仍未收到相應回復則認為本次通信故障，并再次發(fā)起通信指令。若通信環(huán)節已經(jīng)連續3次出現通信故障，則認為本系統與該節點(diǎn)通信失敗，不再發(fā)起對該節點(diǎn)的通信指令。
圖6 中斷服務(wù)程序流程圖
Fig.6 Flowchart of interrupting service routine
4 系統測試
系統測試過(guò)程參考《館藏文物預防性保護裝備通信一致性測試方法》,進(jìn)行通信一致性測試。參考圖1所示的展柜微環(huán)境工作結構搭建通信測試平臺。
測試主機模擬上位機運行測試軟件，執行上位機和展柜微環(huán)境通信系統的通信功能指令。按照測試標準規定生成并發(fā)送相應的通信報文，根據接收到的通信報文來(lái)判斷被測通信系統行為是否正確，并生成測試日志。
被測通信系統接收測試主機發(fā)出的通信報文并向現場(chǎng)4臺設備發(fā)出相應通信報文，接收監控設備響應后，進(jìn)行信息解析并重組，按照協(xié)議規定向測試主機回復響應內容?，F場(chǎng)監控設備包括溫濕度監控設備、照明監控設備、空氣質(zhì)量監控設備及展柜開(kāi)啟設備。測試過(guò)程參考實(shí)際通信過(guò)程，使用3類(lèi)通信報文：①讀取監控設備測量及狀態(tài)數據；②下達監控設備控制參數；③獲取監控設備當前控制參數。從2017年5月14日9:00到2017年5月21日9:00的測試數據如表1所示。
表1 測試數據
Tab.1 Test data
整個(gè)測試環(huán)節持續進(jìn)行168h,每60s通信一次。通信系統與現場(chǎng)設備單機通信成功率達99.85%以上，整體測試的通信成功率達99.76%,達到文保行業(yè)通信可靠性不低于98%的要求，證明了本系統能夠滿(mǎn)足文保行業(yè)實(shí)際應用要求。
5 結束語(yǔ)
本文介紹了博物館展柜微環(huán)境通信系統的設計過(guò)程，包括軟、硬件設計及測試結果。本系統應用于博物館文物保護領(lǐng)域，為博物館內上位機和每個(gè)展柜內文物微環(huán)境監控設備建立了通信聯(lián)系，實(shí)現了監測數據獲取、控制參數的下達與獲取功能。系統實(shí)際通信測試通過(guò)率大于99%,可滿(mǎn)足博物館文物管理設備的通信要求。系統的廣泛使用有利于加快博物館文物電子化信息化進(jìn)程，減輕工作人員負擔。
參考文獻：（略）
