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(duì)于保存文物的博物館展柜，需要監(jiān)控多種物理量。每種物理量均由專門設(shè)備負(fù)責(zé)監(jiān)控。通常，一臺(tái)設(shè)備就是一個(gè)對(duì)外通 信節(jié)點(diǎn)。單臺(tái)展柜節(jié)點(diǎn)數(shù)量較多，對(duì)上位機(jī)的運(yùn)行造成較大負(fù)荷。為了減少單臺(tái)展柜的通信節(jié)點(diǎn)數(shù)量、統(tǒng)一展柜對(duì)外的通信協(xié)議及 通信接口、降低上位機(jī)的運(yùn)行壓力，設(shè)計(jì)了一種展柜微環(huán)境通信系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)監(jiān)控設(shè)備和上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸，完成雙向通信。系 統(tǒng)以MC9S12XS128為微控制器進(jìn)行嵌入式軟硬件設(shè)計(jì)，與上位機(jī)通過(guò)WiFi進(jìn)行通信、與監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行RS485通信，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)匯集、存儲(chǔ)整合、遠(yuǎn)程通信等功能。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了持續(xù)168h(7天)的通信測(cè)試，證明系統(tǒng)與上位機(jī)及監(jiān)控設(shè)備整體通信測(cè)試通過(guò)率大于99%,滿足文保行業(yè)要求。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)展柜微環(huán)境的分布式監(jiān)控，使得每個(gè)展柜微環(huán)境能夠獨(dú)立、靈活、高效地調(diào)控，加快了博物館管理從人工監(jiān)控到電子信息化的過(guò)渡。系統(tǒng)能夠輔助實(shí)現(xiàn)文物微環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、控制和記錄，這些數(shù)據(jù)對(duì)文物的科學(xué)研究和保護(hù)工作具有重要參考價(jià)值。
關(guān)鍵詞：文物保護(hù)；微環(huán)境；嵌入式系統(tǒng)；通信系統(tǒng)；-485;Wii
0 引言
博物館作為國(guó)家文化的一種象征，其展品的防護(hù)問(wèn)題一直是博物館管理工作的重中之重。當(dāng)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(hù)和環(huán)境控制的雙重保護(hù)[1]。展柜內(nèi)的展陳環(huán)境又稱為文物的展柜微環(huán)境。展柜微環(huán)境控制涉及溫度、相對(duì)濕度、光照強(qiáng)度、空氣質(zhì)量等物理量。這些物理量的監(jiān)測(cè)和控制通常由不同的設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)[2-4]。
文物的特性差異會(huì)導(dǎo)致其所需的微環(huán)境存在差別，溫度、相對(duì)濕度、照明、空氣質(zhì)量等監(jiān)控量的重要程度也不同。例如，青銅器文物對(duì)相對(duì)濕度的敏感程度明顯高于對(duì)光照強(qiáng)度的敏感程度，所以營(yíng)造適宜的濕度環(huán)境對(duì)青銅器更加重要。出于資源優(yōu)化考慮，對(duì)次要監(jiān)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(nèi)監(jiān)控設(shè)備種類及數(shù)量不一致的問(wèn)題，并且不同種類的監(jiān)控設(shè)備來(lái)源于不同廠商，對(duì)外接口往往不統(tǒng)一。對(duì)于有遠(yuǎn)程監(jiān)控需求的展廳，一臺(tái)監(jiān)控設(shè)備就是一個(gè)節(jié)點(diǎn)，單臺(tái)展柜的查詢節(jié)點(diǎn)數(shù)過(guò)多且數(shù)量種類不一致，將造成上位機(jī)負(fù)載過(guò)重，可能影響通信的穩(wěn)定性。
本文設(shè)計(jì)了一套展柜微環(huán)境通信系統(tǒng)，用于統(tǒng)每臺(tái)展柜內(nèi)的監(jiān)控設(shè)備與外界的通信接口、協(xié)議及指令形式，減少每臺(tái)展柜的對(duì)外通信節(jié)點(diǎn)數(shù)量，使展柜監(jiān)控設(shè)備與博物館內(nèi)上位機(jī)實(shí)現(xiàn)高效通信連接。同時(shí)本系統(tǒng)具有友好的人機(jī)交互功能，方便用戶實(shí)時(shí)掌握當(dāng)前展柜微環(huán)境通信情況，并對(duì)其進(jìn)行靈活操作。
1 展柜微環(huán)境通信系統(tǒng)介紹
博物館展柜微環(huán)境工作結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 展柜微環(huán)境工作結(jié)構(gòu)圖
Fig.1 Working structure of showcase microenvironment
展柜微環(huán)境通信系統(tǒng)在工作時(shí)，放置于所屬展柜底部，與展柜外部的上位機(jī)進(jìn)行WiFi通信，并與展柜內(nèi)的溫濕度監(jiān)控設(shè)備、照明監(jiān)控設(shè)備、空氣質(zhì)量監(jiān)控設(shè)備、展柜開(kāi)啟設(shè)備等進(jìn)行RS-485有線通信[5-6]。監(jiān)控設(shè)備的種類根據(jù)展柜中文物的需求進(jìn)行組合，每一組合最多不超過(guò)4類設(shè)備。本系統(tǒng)獲取文物展柜微環(huán)境溫度、相對(duì)濕度、光照強(qiáng)度、空氣質(zhì)量等物理量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并對(duì)相關(guān)物理量進(jìn)行調(diào)控；然后按相應(yīng)通信協(xié)議完成數(shù)據(jù)處理存儲(chǔ)及重組打包；最后，數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)展柜與上位機(jī)的信息交換[7]，營(yíng)造文物適宜的展陳環(huán)境。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2.1 系統(tǒng)的組成
展柜通信系統(tǒng)主要由微控制器( microcontroller，MCU )、電源模塊、人機(jī)交互模塊、通信模塊和儲(chǔ)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(tǒng)硬件框圖
Fig.2 Block diagram of system hardware
系統(tǒng)微控制器的選取取決于其功能。本系統(tǒng)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(wěn)定性、開(kāi)發(fā)難度、經(jīng)濟(jì)成本等因素。本文最終選定飛思卡爾半導(dǎo)體的MC9S12XS128型號(hào)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(dú)立I/O口；同時(shí)，其具備很多其他的片上資源，完全能夠滿足系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)需求。
本系統(tǒng)使用串行通信接口0擴(kuò)展WiFi通信，可實(shí)現(xiàn)與展廳上位機(jī)的通信；串行通信接口1用于擴(kuò)展RS-485總線，有線連接所屬展柜內(nèi)監(jiān)控設(shè)備并實(shí)現(xiàn)通信。
人機(jī)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(shù)和設(shè)備狀態(tài)顯示、參數(shù)設(shè)置以及報(bào)警[8]。
2.2 電源模塊
系統(tǒng)的正常工作需要穩(wěn)定的供電系統(tǒng)作為保障，通信模塊對(duì)系統(tǒng)電源的穩(wěn)定性和抗干擾性要求比較高。電源模塊為微控制器、人機(jī)交互模塊、通信模塊、存儲(chǔ)模塊供電。
系統(tǒng)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(wěn)壓電源輸入220V市電、輸出5V/3A直流電，滿足通信系統(tǒng)的供電要求。系統(tǒng)中的WiFi部分電路需要3.3V供電，功率為1.7W。對(duì)此，使用AMS1117_3.3型降壓芯片，將5V電壓轉(zhuǎn)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(xiàn)場(chǎng)存在較大差別。其內(nèi)部展柜數(shù)量較多，且布展奉行展示性第一的原則，要求展廳現(xiàn)場(chǎng)盡可能少地出現(xiàn)明線線路，因此需要實(shí)現(xiàn)快速、穩(wěn)定的遠(yuǎn)程通信。結(jié)合以上特征，本系統(tǒng)與上位機(jī)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(qū)域通信距離可達(dá)300m以上，便于與現(xiàn)有的有線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行整合。WiFi電路基于MC9S12XS128的1路SCI進(jìn)行擴(kuò)展設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)從本系統(tǒng)到上位機(jī)之間的傳輸[9]。
本系統(tǒng)與展柜微環(huán)境監(jiān)控設(shè)備之間采用工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)常用的高可靠RS-485有線通信。擴(kuò)展的RS-485總線可以掛載多個(gè)設(shè)備。本系統(tǒng)為主機(jī)，掛載設(shè)備為從機(jī)。主機(jī)對(duì)從機(jī)進(jìn)行控制。理論上，RS-485總線上最多可以掛載128個(gè)節(jié)點(diǎn)，能夠滿足博物館展柜通信連接設(shè)計(jì)需求。但是在實(shí)際調(diào)試過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)了很多不確定因素，導(dǎo)致通信系統(tǒng)與多臺(tái)展柜微環(huán)境監(jiān)控設(shè)備通信時(shí)屢出故障。經(jīng)分析，發(fā)現(xiàn)不同廠商生產(chǎn)的設(shè)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(tǒng)與某臺(tái)監(jiān)控設(shè)備通信時(shí)，指令通過(guò)RS-485總線廣播至其他設(shè)備，部分設(shè)備接收到不屬于自己的指令后，會(huì)發(fā)出干擾信號(hào)，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致RS-485總線上掛載的監(jiān)控設(shè)備死機(jī)或其他后果。
RS-485 通信擴(kuò)展通道如圖3所示。
圖3 RS-485通信擴(kuò)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(wěn)定性考慮，應(yīng)對(duì)通信模塊進(jìn)行抗干擾保護(hù)。在RS-485信號(hào)對(duì)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(kuò)展成4路通道，每類監(jiān)控設(shè)備對(duì)應(yīng)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(hào)，承受±25V的電壓，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求。
2.4 人機(jī)交互模塊
人機(jī)交互模塊包括液晶屏、運(yùn)行狀態(tài)指示燈及輸入按鍵，便于展柜微環(huán)境通信系統(tǒng)進(jìn)行本地參數(shù)設(shè)置。 液晶屏實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)當(dāng)前通信狀態(tài)、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，還 可設(shè)置參數(shù)信息及時(shí)間地址信息；指示燈分別指示系統(tǒng)運(yùn)行正常及故障2種狀態(tài)。按鍵分別實(shí)現(xiàn)上翻、下翻、左翻、右翻、設(shè)置、確認(rèn)這6種功能。
2.5 存儲(chǔ)模塊
展柜微環(huán)境通信系統(tǒng)存儲(chǔ)功能可以用于記錄系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，包括通信數(shù)據(jù)、設(shè)備運(yùn)行的時(shí)間、設(shè)置參數(shù)、運(yùn)行狀態(tài)和系統(tǒng)報(bào)警信息。該模塊使用的AT24C02型號(hào)存儲(chǔ)芯片為集成電路總線( inter-integrated- circuit,I2C)器件。該器件可以實(shí)現(xiàn)片外存儲(chǔ)，最大存儲(chǔ)容量為2048字節(jié)。MCU通過(guò)使用2路I/O模擬I2C的同步數(shù)據(jù)線( synchronous data adapter,SDA)和串行時(shí)鐘線( serial communication loop,SCL),實(shí)現(xiàn)與AT24C02通信。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3.1 系統(tǒng)軟件框架設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件功能包括通信、設(shè)備狀態(tài)自檢、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)處理。其中，通信功能包括與上位機(jī)的上位通信和與監(jiān)控設(shè)備的下位通信2方面。通信系統(tǒng)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(tǒng)通信軟件設(shè)計(jì)
在博物館無(wú)線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中，展柜微環(huán)境監(jiān)控設(shè)備被放置在展柜最底端的設(shè)備層。每臺(tái)設(shè)備作為一個(gè)測(cè)控節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)展柜內(nèi)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集及相關(guān)控制，并通過(guò)RS-485通信將數(shù)據(jù)送往展柜微環(huán)境通信系統(tǒng)。系統(tǒng)統(tǒng)一處理后，將數(shù)據(jù)送往上位機(jī)。該方式能有效降低通信運(yùn)行負(fù)載，適用于多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)采集數(shù)據(jù)的情況。監(jiān)控設(shè)備需要測(cè)量的數(shù)據(jù)包括溫度、相對(duì)濕度、光照強(qiáng)度、空氣質(zhì)量等。這些數(shù)據(jù)如果直接傳送至上位機(jī)，會(huì)增加網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行成本。而通信系統(tǒng)將數(shù)據(jù)進(jìn)行匯集、初步處理、整合、打包傳送，使數(shù)據(jù)的使用率上升并同時(shí)降低網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷和成本，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐〞砙10]
博物館無(wú)線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的通信指令分為3大類：
?、僮x取各展柜監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；
?、谙逻_(dá)控制參數(shù)至某臺(tái)展柜內(nèi)的某臺(tái)監(jiān)控設(shè)備；
③獲取當(dāng)前展柜設(shè)備控制參數(shù)。
以讀取監(jiān)控設(shè)備監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)指令為例，本系統(tǒng)的通信實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖5所示。
圖5通信實(shí)現(xiàn)過(guò)程示意圖
Fig.5 Process of communication implementation
系統(tǒng)主程序初始化結(jié)束后，系統(tǒng)軟件打開(kāi)中斷。如果上位機(jī)發(fā)起通信請(qǐng)求，通信系統(tǒng)進(jìn)入中斷服務(wù)接收程序并設(shè)置相應(yīng)的標(biāo)志位，中斷服務(wù)程序流程如圖6所示。
主程序查詢到相應(yīng)標(biāo)志位后，判斷上位機(jī)指令類型，再根據(jù)判斷結(jié)果依次與展柜微環(huán)境監(jiān)控設(shè)備通信。待本系統(tǒng)收到監(jiān)控設(shè)備相應(yīng)反饋后，進(jìn)行初步處理及存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，并打包回復(fù)上位機(jī)。
為保障系統(tǒng)的正常運(yùn)行，在通信環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)了超時(shí)和重試機(jī)制。經(jīng)實(shí)際測(cè)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(jié)設(shè)置500ms等待時(shí)間。若逾時(shí)仍未收到相應(yīng)回復(fù)則認(rèn)為本次通信故障，并再次發(fā)起通信指令。若通信環(huán)節(jié)已經(jīng)連續(xù)3次出現(xiàn)通信故障，則認(rèn)為本系統(tǒng)與該節(jié)點(diǎn)通信失敗，不再發(fā)起對(duì)該節(jié)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(tǒng)測(cè)試
系統(tǒng)測(cè)試過(guò)程參考《館藏文物預(yù)防性保護(hù)裝備通信一致性測(cè)試方法》,進(jìn)行通信一致性測(cè)試。參考圖1所示的展柜微環(huán)境工作結(jié)構(gòu)搭建通信測(cè)試平臺(tái)。
測(cè)試主機(jī)模擬上位機(jī)運(yùn)行測(cè)試軟件，執(zhí)行上位機(jī)和展柜微環(huán)境通信系統(tǒng)的通信功能指令。按照測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定生成并發(fā)送相應(yīng)的通信報(bào)文，根據(jù)接收到的通信報(bào)文來(lái)判斷被測(cè)通信系統(tǒng)行為是否正確，并生成測(cè)試日志。
被測(cè)通信系統(tǒng)接收測(cè)試主機(jī)發(fā)出的通信報(bào)文并向現(xiàn)場(chǎng)4臺(tái)設(shè)備發(fā)出相應(yīng)通信報(bào)文，接收監(jiān)控設(shè)備響應(yīng)后，進(jìn)行信息解析并重組，按照協(xié)議規(guī)定向測(cè)試主機(jī)回復(fù)響應(yīng)內(nèi)容?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控設(shè)備包括溫濕度監(jiān)控設(shè)備、照明監(jiān)控設(shè)備、空氣質(zhì)量監(jiān)控設(shè)備及展柜開(kāi)啟設(shè)備。測(cè)試過(guò)程參考實(shí)際通信過(guò)程，使用3類通信報(bào)文：①讀取監(jiān)控設(shè)備測(cè)量及狀態(tài)數(shù)據(jù)；②下達(dá)監(jiān)控設(shè)備控制參數(shù)；③獲取監(jiān)控設(shè)備當(dāng)前控制參數(shù)。從2017年5月14日9:00到2017年5月21日9:00的測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。
表1 測(cè)試數(shù)據(jù)
Tab.1 Test data
整個(gè)測(cè)試環(huán)節(jié)持續(xù)進(jìn)行168h,每60s通信一次。通信系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備單機(jī)通信成功率達(dá)99.85%以上，整體測(cè)試的通信成功率達(dá)99.76%,達(dá)到文保行業(yè)通信可靠性不低于98%的要求，證明了本系統(tǒng)能夠滿足文保行業(yè)實(shí)際應(yīng)用要求。
5 結(jié)束語(yǔ)
本文介紹了博物館展柜微環(huán)境通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程，包括軟、硬件設(shè)計(jì)及測(cè)試結(jié)果。本系統(tǒng)應(yīng)用于博物館文物保護(hù)領(lǐng)域，為博物館內(nèi)上位機(jī)和每個(gè)展柜內(nèi)文物微環(huán)境監(jiān)控設(shè)備建立了通信聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)獲取、控制參數(shù)的下達(dá)與獲取功能。系統(tǒng)實(shí)際通信測(cè)試通過(guò)率大于99%,可滿足博物館文物管理設(shè)備的通信要求。系統(tǒng)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(fù)擔(dān)。
參考文獻(xiàn)：（略）
