摘 要： 為了解決人員流動監(jiān)測設(shè)備運行狀態(tài)的信息滯后問題，減少因此而帶來的損失，提出了一種基于Mega128單片機和WiFi的電氣設(shè)備無線監(jiān)控系統(tǒng)。根據(jù)設(shè)備正常運行和非正常運行時的工作電流的不同，通過電流互感器檢測其工作電流，進(jìn)而判斷其工作狀態(tài)。最后Mega128將檢測到的結(jié)果經(jīng)WiFi模塊傳送至Internet服務(wù)器，并在監(jiān)控界面上顯示。經(jīng)過實驗，該系統(tǒng)能夠?qū)Χ鄠€設(shè)備的使用情況進(jìn)行監(jiān)測，用戶能通過監(jiān)測網(wǎng)站網(wǎng)頁讀取設(shè)備的使用信息并長期保存。

　　關(guān)鍵詞： 無線監(jiān)控；Mega128；WiFi

0 引言

　　隨著我國經(jīng)濟實力的增長和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，越來越多的智能化、自動化設(shè)備應(yīng)用于家庭和工廠企業(yè)，為人們的生活服務(wù)，為企業(yè)節(jié)省人力，提高產(chǎn)能，創(chuàng)造更大的效益。這些設(shè)備平時并不需要時刻有人操作，但是一旦這些設(shè)備出現(xiàn)異常，必然會對人們的生活帶來不便，為企業(yè)的利益帶來損失。為此，設(shè)計了基于單片機采集和WiFi傳輸?shù)碾姎庠O(shè)備無線監(jiān)控系統(tǒng)，用于對這些設(shè)備的工作狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測，并且當(dāng)監(jiān)測到設(shè)備出現(xiàn)異常時，可控制繼電器使設(shè)備斷電，以避免造成不必要的損失。

　　本文介紹了自主開發(fā)的基于Mega系列單片機系統(tǒng)和WiFi傳輸?shù)臒o線監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計方案。該方案采用Mega128單片機搭建設(shè)備的現(xiàn)場監(jiān)控模塊，通過WiFi模塊實現(xiàn)單片機和Internet服務(wù)器之間的通信。本文對系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)、硬件結(jié)構(gòu)、軟件結(jié)構(gòu)的設(shè)計做了介紹。通過實驗測試，結(jié)果表明，本設(shè)計方案具有很好的準(zhǔn)確性和可靠性。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

　　本監(jiān)控系統(tǒng)由單片機監(jiān)控模塊、WiFi傳輸模塊、監(jiān)測網(wǎng)站三部分組成。監(jiān)控系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　該系統(tǒng)以Mega128單片機和WiFi模塊為基礎(chǔ)，所完成的主要功能是實現(xiàn)設(shè)備工作狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)測。單片機監(jiān)控模塊可以檢測到設(shè)備的運行、關(guān)閉、異常等狀態(tài)，并記錄各狀態(tài)發(fā)生改變的時刻。檢測到的設(shè)備狀態(tài)信息以及相應(yīng)的設(shè)備編號將通過WiFi模塊實時傳送到Internet數(shù)據(jù)庫并在監(jiān)測網(wǎng)站的網(wǎng)頁上顯示。為防止服務(wù)器斷電異常無法接受數(shù)據(jù)而導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，本設(shè)計添加了EEPROM用于存儲單片機采集到的信息，使服務(wù)器在斷電恢復(fù)后可以調(diào)取。此外，本設(shè)計還添加了硬件報警設(shè)計和監(jiān)測網(wǎng)站網(wǎng)絡(luò)報警設(shè)計。一旦設(shè)備出現(xiàn)異常狀態(tài)，單片機監(jiān)控模塊將在設(shè)備現(xiàn)場發(fā)出警報，并控制繼電器使設(shè)備斷電，同時監(jiān)測網(wǎng)站的Web網(wǎng)頁界面上設(shè)置的報警提示也將發(fā)出警報，提示工作人員及時發(fā)現(xiàn)異常設(shè)備并采取措施，從而減少經(jīng)濟損失。多個監(jiān)控模塊的單片機都工作在多機通信模式，配合多個WiFi模塊，可以實現(xiàn)對多個電氣設(shè)備使用情況的監(jiān)控。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　系統(tǒng)硬件由Mega128單片機芯片、電流互感器、DS1302時間芯片、24C512 EEPROM、WiFi模塊組成。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2。

　　Mega128是一款高性能、高配置、低功耗的8位微處理器，此微處理器工作在16 MHz時性能高達(dá)16 MIPS，而且大部分指令都能在一個時鐘周期之內(nèi)完成[1]。工作電壓范圍2.7 V~5.5 V，可以和WiFi模塊共同使用5 V的電源供電。同時，其自帶10位ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換接口），以便對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換[2]。Mega128的特點足以為系統(tǒng)提供可靠的性能。

　　出于簡化設(shè)計和降低成本的考慮，為將設(shè)備的運行、關(guān)閉、異常等狀態(tài)轉(zhuǎn)換成單片機能夠采集的狀態(tài)量，本設(shè)計選用了電流互感器，采集設(shè)備的電流信號。由于設(shè)備在運行、關(guān)閉、異常等不同狀態(tài)時，其工作電流是不同的，所以可先用電流互感器檢測出設(shè)備的工作電流，然后將其轉(zhuǎn)換成電壓信號，再經(jīng)放大整流后得到平穩(wěn)的直流電壓信號，通過Mega128單片機自帶的10位ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換接口）對得到的直流電壓信號進(jìn)行采集并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號存儲到單片機上，通過對單片機的編程對不同的狀態(tài)設(shè)定相應(yīng)的閾值，便可實現(xiàn)狀態(tài)量的采集。

　　Mega128檢測到狀態(tài)量的變化后，需要讀取的時間信息來自時間芯片DS1302。DS1302是一種帶RAM的低功耗的實時時鐘電路，可以對年、月、日、時、分、秒進(jìn)行計時[3]。配備后備電源后，即便主電源關(guān)閉，Ds1302也能夠保證持續(xù)地記錄時間。為保證數(shù)據(jù)不會丟失，將Mega128檢測到的狀態(tài)信息及時間信息存入EEPROM中，EEPROM選擇ATMEL公司的24C512芯片，它內(nèi)部有64 KB的存儲，分為512頁，地址范圍為0000~ffffH[4]。

　　WiFi模塊選用的是海凌科電子推出的低成本嵌入式UART-ETH-WiFi（串口-以太網(wǎng)-無線網(wǎng)）模塊HLK-RM04。該模塊是基于通用串行接口的符合網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式模塊，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，能夠?qū)崿F(xiàn)用戶串口、以太網(wǎng)、無線網(wǎng)（WiFi）3個接口之間的轉(zhuǎn)換。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　本監(jiān)控系統(tǒng)的軟件部分包括設(shè)備現(xiàn)場監(jiān)控模塊軟件、WiFi模塊配置和監(jiān)測網(wǎng)站的設(shè)計。其中WiFi模塊無需編程，只需對WiFi模塊進(jìn)行初始化并配置成客戶端模式，設(shè)置遠(yuǎn)程服務(wù)器IP、端口號，與Internet服務(wù)器連接。WiFi模塊的配置如圖3所示。

　　3.1 單片機監(jiān)控模塊程序設(shè)計

　　首先是單片機提取設(shè)備工作狀態(tài)的狀態(tài)量。Mega128單片機上自帶的10位ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換接口）對通過硬件電路處理過的直流電壓信號進(jìn)行采集并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號存儲到單片機上，由于設(shè)備工作狀態(tài)的不同，其工作電流將不同，采集到的電壓信號也將不同，所以最終存儲到單片機上的數(shù)字信號也不同。只要測出采集到的不同工作狀態(tài)對應(yīng)的電壓范圍便可設(shè)定閾值，單片機通過這幾個閾值對設(shè)備的工作狀態(tài)進(jìn)行判定，當(dāng)設(shè)備的工作狀態(tài)發(fā)生變化時DS1302記錄其時間，此時將工作狀態(tài)的判定結(jié)果和記錄的時間發(fā)送至Internet服務(wù)器，同時將其存儲到EEPROM中。若服務(wù)器出現(xiàn)異常斷電，將無法接收數(shù)據(jù)，待其恢復(fù)后可通過單片機調(diào)取EEPROM中存儲的斷電期間的數(shù)據(jù)。此外，當(dāng)檢測到設(shè)備出現(xiàn)異常狀態(tài)時，單片機需對警報器發(fā)出信號令其報警。單片機監(jiān)控模塊程序流程如圖4。

　　單片機檢測到狀態(tài)量信號發(fā)生變化后，便開始了一次“記錄”時間的過程。首先單片機通過SPI總線的形式讀取當(dāng)下DS1302中記錄的時間，包括年、月、日、星期、時、分、秒，這些信息都寄存在DS1302內(nèi)部相關(guān)的寄存器中。單片機與DS1302傳輸數(shù)據(jù)之前要先寫入相應(yīng)的控制字——讀取或者寫入，以及讀寫的地址。不僅如此，單片機每次與DS1302通信都要經(jīng)過嚴(yán)格的“握手程序”。Mega128讀取DS1302中的時間數(shù)據(jù)，只需要按照相應(yīng)的通信原則讀取其內(nèi)部相應(yīng)地址的寄存器即可。與之類似，Mega128對24C512進(jìn)行讀取或者寫入數(shù)據(jù)操作時也需要先寫入相應(yīng)的控制字，讀寫其內(nèi)部的相應(yīng)地址空間所存儲的數(shù)據(jù)，并且同樣在每次通信的過程中進(jìn)行嚴(yán)格的“握手程序”。

　　如果監(jiān)測網(wǎng)站要調(diào)取歷史記錄，當(dāng)Mega128接收到監(jiān)測網(wǎng)站通過WiFi模塊傳來的指令，如設(shè)備編號、所要讀取信息的日期，Mega128根據(jù)接收到的設(shè)備編號確定是否與本機號相符。如果編號符合，則根據(jù)所要讀取信息的日期查詢符合條件的數(shù)據(jù)并讀取出來，然后將數(shù)據(jù)依次通過串口發(fā)送出去。

　　3.2 監(jiān)測網(wǎng)站的設(shè)計

　　監(jiān)測網(wǎng)站發(fā)送和接收數(shù)據(jù)是通過SOCKET套接字與WiFi模塊進(jìn)行傳輸?shù)?。監(jiān)測網(wǎng)站主要由網(wǎng)站監(jiān)測前臺、Windows服務(wù)程序和數(shù)據(jù)庫三部分組成。如圖5所示。

　　網(wǎng)站監(jiān)測前臺是使用ASP開發(fā)平臺采用C#語言編寫的B/S模式的網(wǎng)站，它主要通過SQL語句實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的訪問。Windows服務(wù)程序是ASP開發(fā)平臺編寫的C/S模式的軟件，它通過SOCKET套接字來接收現(xiàn)場WiFi設(shè)備傳來的現(xiàn)場設(shè)備的信息，并使用SQL語句存入數(shù)據(jù)庫中[5]。這里采用SQL server2005數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫把從WiFi接收來的分類數(shù)據(jù)儲存起來，使前臺網(wǎng)站能夠?qū)崟r訪問更新的數(shù)據(jù)。

4 實驗結(jié)果

　　本實驗以學(xué)校實驗室的電氣設(shè)備作為實驗對象，對不同實驗室的不同設(shè)備進(jìn)行編號，同時進(jìn)行監(jiān)測。實驗表明該系統(tǒng)能夠?qū)Χ鄠€設(shè)備的運行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，并且該系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性。因為實驗條件所限并未對設(shè)備出現(xiàn)異常狀態(tài)的情況進(jìn)行試驗，所以未能驗證系統(tǒng)對設(shè)備出現(xiàn)異常狀態(tài)的反應(yīng)。監(jiān)測信息在監(jiān)測網(wǎng)站網(wǎng)頁上的顯示如圖6所示。

5 結(jié)束語

　　本文論述了基于單片機信號采集和WiFi傳輸?shù)脑O(shè)備無線監(jiān)控系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計方法，利用單片機對設(shè)備的運行情況進(jìn)行監(jiān)測，并通過WiFi模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，最后由監(jiān)測網(wǎng)站用戶界面將信息顯示給用戶。經(jīng)過實驗，該方案能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備運行狀態(tài)的實時監(jiān)測，并且檢測到的信息可長期存儲在服務(wù)器中，解決了管理人員流動監(jiān)測設(shè)備的滯后性，同時節(jié)約了成本。

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