文章來源：《自動化儀表》2018年 第4期
作者：徐悅 張陽 吳健 張輝
摘要：對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)備負責監(jiān)控。通常，一臺設(shè)備就是一個對外通 信節(jié)點。單臺展柜節(jié)點數(shù)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(jié)點數(shù)量、統(tǒng)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(shè)計了一種展柜微環(huán)境通信系統(tǒng)，以實現(xiàn)監(jiān)控設(shè)備和上位機之間的數(shù)據(jù)傳輸，完成雙向通信。系 統(tǒng)以MC9S12XS128為微控制器進行嵌入式軟硬件設(shè)計，與上位機通過WiFi進行通信、與監(jiān)控設(shè)備進行RS485通信，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)匯集、存儲整合、遠程通信等功能。對系統(tǒng)進行了持續(xù)168h(7天)的通信測試，證明系統(tǒng)與上位機及監(jiān)控設(shè)備整體通信測試通過率大于99%,滿足文保行業(yè)要求。該系統(tǒng)實現(xiàn)了對展柜微環(huán)境的分布式監(jiān)控，使得每個展柜微環(huán)境能夠獨立、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渡。系統(tǒng)能夠輔助實現(xiàn)文物微環(huán)境的實時監(jiān)測、控制和記錄，這些數(shù)據(jù)對文物的科學(xué)研究和保護工作具有重要參考價值。
關(guān)鍵詞：文物保護；微環(huán)境；嵌入式系統(tǒng)；通信系統(tǒng)；-485;Wii
0 引言
博物館作為國家文化的一種象征，其展品的防護問題一直是博物館管理工作的重中之重。當展出時，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(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、相對濕度、光照強度、空氣質(zhì)量等物理量。這些物理量的監(jiān)測和控制通常由不同的設(shè)備來實現(xiàn)[2-4]。
文物的特性差異會導(dǎo)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(jiān)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(jiān)控量的控制程序可以放寬，甚至不進行特殊控制。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)量不一致的問題，并且不同種類的監(jiān)控設(shè)備來源于不同廠商，對外接口往往不統(tǒng)一。對于有遠程監(jiān)控需求的展廳，一臺監(jiān)控設(shè)備就是一個節(jié)點，單臺展柜的查詢節(jié)點數(shù)過多且數(shù)量種類不一致，將造成上位機負載過重，可能影響通信的穩(wěn)定性。
本文設(shè)計了一套展柜微環(huán)境通信系統(tǒng)，用于統(tǒng)每臺展柜內(nèi)的監(jiān)控設(shè)備與外界的通信接口、協(xié)議及指令形式，減少每臺展柜的對外通信節(jié)點數(shù)量，使展柜監(jiān)控設(shè)備與博物館內(nèi)上位機實現(xiàn)高效通信連接。同時本系統(tǒng)具有友好的人機交互功能，方便用戶實時掌握當前展柜微環(huán)境通信情況，并對其進行靈活操作。
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，放置于所屬展柜底部，與展柜外部的上位機進行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、展柜開啟設(shè)備等進行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行組合，每一組合最多不超過4類設(shè)備。本系統(tǒng)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(jiān)測數(shù)據(jù)，并對相關(guān)物理量進行調(diào)控；然后按相應(yīng)通信協(xié)議完成數(shù)據(jù)處理存儲及重組打包；最后，數(shù)據(jù)上傳至上位機，實現(xiàn)展柜與上位機的信息交換[7]，營造文物適宜的展陳環(huán)境。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
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(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，需要兼顧該款芯片的穩(wěn)定性、開發(fā)難度、經(jīng)濟成本等因素。本文最終選定飛思卡爾半導(dǎo)體的MC9S12XS128型號芯片。該芯片是一個16位器件，包括2個全雙工串行通信接口( serial communication interface,SCI),91個獨立I/O口；同時，其具備很多其他的片上資源，完全能夠滿足系統(tǒng)的開發(fā)需求。
本系統(tǒng)使用串行通信接口0擴展WiFi通信，可實現(xiàn)與展廳上位機的通信；串行通信接口1用于擴展RS-485總線，有線連接所屬展柜內(nèi)監(jiān)控設(shè)備并實現(xiàn)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(shù)和設(shè)備狀態(tài)顯示、參數(shù)設(shè)置以及報警[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、人機交互模塊、通信模塊、存儲模塊供電。
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)場盡可能少地出現(xiàn)明線線路，因此需要實現(xiàn)快速、穩(wěn)定的遠程通信。結(jié)合以上特征，本系統(tǒng)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，在開放性區(qū)域通信距離可達300m以上，便于與現(xiàn)有的有線網(wǎng)絡(luò)進行整合。WiFi電路基于MC9S12XS128的1路SCI進行擴展設(shè)計，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)從本系統(tǒng)到上位機之間的傳輸[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)場常用的高可靠RS-485有線通信。擴展的RS-485總線可以掛載多個設(shè)備。本系統(tǒng)為主機，掛載設(shè)備為從機。主機對從機進行控制。理論上，RS-485總線上最多可以掛載128個節(jié)點，能夠滿足博物館展柜通信連接設(shè)計需求。但是在實際調(diào)試過程中，發(fā)現(xiàn)了很多不確定因素，導(dǎo)致通信系統(tǒng)與多臺展柜微環(huán)境監(jiān)控設(shè)備通信時屢出故障。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)與某臺監(jiān)控設(shè)備通信時，指令通過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，會發(fā)出干擾信號，嚴重時可導(dǎo)致RS-485總線上掛載的監(jiān)控設(shè)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(wěn)定性考慮，應(yīng)對通信模塊進行抗干擾保護。在RS-485信號對外接口處增加1個電子開關(guān)，使1路RS-485輸出接口擴展成4路通道，每類監(jiān)控設(shè)備對應(yīng)一個通道；同一時刻只允許1路通道打開，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，每路通道開啟和關(guān)閉時間≤2ms,可兼容RS-485、RS-232、USB1.1這3種信號，承受±25V的電壓，滿足系統(tǒng)設(shè)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(tǒng)進行本地參數(shù)設(shè)置。 液晶屏實時顯示系統(tǒng)當前通信狀態(tài)、設(shè)備運行狀態(tài)，還 可設(shè)置參數(shù)信息及時間地址信息；指示燈分別指示系統(tǒng)運行正常及故障2種狀態(tài)。按鍵分別實現(xiàn)上翻、下翻、左翻、右翻、設(shè)置、確認這6種功能。
2.5 存儲模塊
展柜微環(huán)境通信系統(tǒng)存儲功能可以用于記錄系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)，包括通信數(shù)據(jù)、設(shè)備運行的時間、設(shè)置參數(shù)、運行狀態(tài)和系統(tǒng)報警信息。該模塊使用的AT24C02型號存儲芯片為集成電路總線( inter-integrated- circuit,I2C)器件。該器件可以實現(xiàn)片外存儲，最大存儲容量為2048字節(jié)。MCU通過使用2路I/O模擬I2C的同步數(shù)據(jù)線( synchronous data adapter,SDA)和串行時鐘線( serial communication loop,SCL),實現(xiàn)與AT24C02通信。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
3.1 系統(tǒng)軟件框架設(shè)計
系統(tǒng)軟件功能包括通信、設(shè)備狀態(tài)自檢、人機交互、數(shù)據(jù)處理。其中，通信功能包括與上位機的上位通信和與監(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
在博物館無線監(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。每臺設(shè)備作為一個測控節(jié)點，負責展柜內(nèi)監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集及相關(guān)控制，并通過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。該方式能有效降低通信運行負載，適用于多個節(jié)點同時采集數(shù)據(jù)的情況。監(jiān)控設(shè)備需要測量的數(shù)據(jù)包括溫度、相對濕度、光照強度、空氣質(zhì)量等。這些數(shù)據(jù)如果直接傳送至上位機，會增加網(wǎng)絡(luò)的運行成本。而通信系統(tǒng)將數(shù)據(jù)進行匯集、初步處理、整合、打包傳送，使數(shù)據(jù)的使用率上升并同時降低網(wǎng)絡(luò)的負荷和成本，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐〞砙10]
博物館無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的通信指令分為3大類：
?、僮x取各展柜監(jiān)測數(shù)據(jù)；
?、谙逻_控制參數(shù)至某臺展柜內(nèi)的某臺監(jiān)控設(shè)備；
③獲取當前展柜設(shè)備控制參數(shù)。
以讀取監(jiān)控設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)指令為例，本系統(tǒng)的通信實現(xiàn)過程如圖5所示。
圖5通信實現(xiàn)過程示意圖
Fig.5 Process of communication implementation
系統(tǒng)主程序初始化結(jié)束后，系統(tǒng)軟件打開中斷。如果上位機發(fā)起通信請求，通信系統(tǒng)進入中斷服務(wù)接收程序并設(shè)置相應(yīng)的標志位，中斷服務(wù)程序流程如圖6所示。
主程序查詢到相應(yīng)標志位后，判斷上位機指令類型，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，進行初步處理及存儲數(shù)據(jù)，并打包回復(fù)上位機。
為保障系統(tǒng)的正常運行，在通信環(huán)節(jié)設(shè)計了超時和重試機制。經(jīng)實際測試，每個通信過程時間不超過500ms,因此每次通信環(huán)節(jié)設(shè)置500ms等待時間。若逾時仍未收到相應(yīng)回復(fù)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(jié)已經(jīng)連續(xù)3次出現(xiàn)通信故障，則認為本系統(tǒng)與該節(jié)點通信失敗，不再發(fā)起對該節(jié)點的通信指令。
圖6 中斷服務(wù)程序流程圖
Fig.6 Flowchart of interrupting service routine
4 系統(tǒng)測試
系統(tǒng)測試過程參考《館藏文物預(yù)防性保護裝備通信一致性測試方法》,進行通信一致性測試。參考圖1所示的展柜微環(huán)境工作結(jié)構(gòu)搭建通信測試平臺。
測試主機模擬上位機運行測試軟件，執(zhí)行上位機和展柜微環(huán)境通信系統(tǒng)的通信功能指令。按照測試標準規(guī)定生成并發(fā)送相應(yīng)的通信報文，根據(jù)接收到的通信報文來判斷被測通信系統(tǒng)行為是否正確，并生成測試日志。
被測通信系統(tǒng)接收測試主機發(fā)出的通信報文并向現(xiàn)場4臺設(shè)備發(fā)出相應(yīng)通信報文，接收監(jiān)控設(shè)備響應(yīng)后，進行信息解析并重組，按照協(xié)議規(guī)定向測試主機回復(fù)響應(yīng)內(nèi)容?，F(xiàn)場監(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)備及展柜開啟設(shè)備。測試過程參考實際通信過程，使用3類通信報文：①讀取監(jiān)控設(shè)備測量及狀態(tài)數(shù)據(jù)；②下達監(jiān)控設(shè)備控制參數(shù)；③獲取監(jiān)控設(shè)備當前控制參數(shù)。從2017年5月14日9:00到2017年5月21日9:00的測試數(shù)據(jù)如表1所示。
表1 測試數(shù)據(jù)
Tab.1 Test data
整個測試環(huán)節(jié)持續(xù)進行168h,每60s通信一次。通信系統(tǒng)與現(xiàn)場設(shè)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(tǒng)能夠滿足文保行業(yè)實際應(yīng)用要求。
5 結(jié)束語
本文介紹了博物館展柜微環(huán)境通信系統(tǒng)的設(shè)計過程，包括軟、硬件設(shè)計及測試結(jié)果。本系統(tǒng)應(yīng)用于博物館文物保護領(lǐng)域，為博物館內(nèi)上位機和每個展柜內(nèi)文物微環(huán)境監(jiān)控設(shè)備建立了通信聯(lián)系，實現(xiàn)了監(jiān)測數(shù)據(jù)獲取、控制參數(shù)的下達與獲取功能。系統(tǒng)實際通信測試通過率大于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程，減輕工作人員負擔。
參考文獻：（略）
