关键词：监控系统; 嵌入式微处理器; 网络化; RS-485通讯
一 引言
随着微电子技术、控制技术、网络技术和计算机技术的快速发展，应用多传感器的控制系统来实现多参数的测量和多对象的控制已成为现代控制技术的发展主流。对控制系统也提出了更高的要求，即精度高、数字传输距离远，可靠性好、易于组网，数据总线使用少、节约设备和电源，并具有信息处理和保存等功能。这样，开发设计可靠性高、功能齐全的网络化智能控制系统成为了目前关注的热点。[1]
二 网络化智能监控系统的硬件设计
2.1 网络化智能监控系统的组成
网络化智能监控系统的组成框图如图1所示。该系统硬件电路主要由传感器测控单元、数据传输节点和数据采集中心三部分组成。传感器测控单元负责监测各传感器的数据信息，数据传输节点负责接收和保存传感器测控单元上传的数据，并通过人机对话控制模块进行设置，同时还要接受数据采集中心的访问。数据采集中心负责采集各个数据传输节点的数据，并与上位机监控系统进行数据交流。
图1 网络化智能监控系统的组成框图
2.2 传感器检测控制单元
传感器检测控制单元由嵌入式PIC16F676单片机、湿度传感器、温度传感器、流量传感器以及信号调理电路、网络接口等组成，其中传感器的功用是将待测的信号转化为电信号，信号调理电路完成信号的整型、滤波、放大等预处理操作，经微控制处理器处理后，转化成相应的数字量结果，并由RS-485总线网络接口发送给主控制器。其结构框图如图2所示。
图2 传感器检测控制单元组成框图
2.3 PIC16F676单片机 [ 2. 3]
PIC16F676单片机是由美国Microchip公司推出的一种高性价比单片机，是一种功能强大的微控制器，可以为嵌入式控制系统提供高度灵活而有效的解决方案，在系统中作为控制核心，主要实现模拟量/数字量之间的转化，完成信号的采集、处理以及采集结果的传输。
其主要特点如下：
⑴、1K字节可重复编程的程序存贮器，128字节的数据存储器;
⑵、12条I/O线，可以直接驱动LED;
⑶、2个带8位预分频的 8位定时/计数器及看门狗;
⑷、5路10位的A / D转换;
⑸、低功耗、宽工作电压范围：2.5～5.5V
2.4 网络接口单元 [ 4 ]
网络接口单元是传感器控制系统与主控制器之间的桥梁纽带。目前广泛使用RS-485串行接口总线,是采用一对平衡差分信号线的半双工传送方式，在多站点互连方面使用十分方便。通讯接口可以采用MAX485、SN75LBC184等芯片。本系统中传感器控制系统的网络接口芯片为MAX485，设定数据传送速率为2400b/s，数据传输距离为1200m，数据传输格式为1位起始位，8位数据位，1位停止位，无奇偶校验位，通信错误检测为累加和校验。与单片机的接口电路如图3所示。
图3 MAX485与单片机的接口电路
约定在RS-485通讯网络中，总线上每一模块均设定唯一地址。首先各前端机开中断等待（SM2=1），主控制器发地址帧，所有前端机对地址帧产生串口中断，将地址与本机地址比较，被寻址前端机将SM2清0、TB8置1，把本机地址码发回供主控制器核对，核对正确后，被选前端机将采到的数据以数据帧发送给主控制器，发送完后SM2置1、TB8清0;未被寻址前端机保持SM2为1，开中断等待。
三 网络化智能监控系统的软件设计
3.1 传感器数据采集滤波算法 [ 5 ]
由于输入的温湿度信号是非线性的，必须通过软件措施来对其线性化。
平均值滤波法：
算术平均值滤波是要寻找一个Y（k），使该值与各采样值间误差的平方和为最小，
即有：S=ΣYi
其中的Yi为各采样值（i=1 ～ n） Y（k）= S/n
算术平均值滤波的实质即把一个采样周期内的n次采样值相加，然后再除以采样次数n，即可得到该周期的采样值。为了提高算术平均值滤波的精确度和可靠性，考虑到被测模拟信号的变化速度，以10次为一个计算周期，采样10次后，去掉一个最大值和一个最小值，再对中间的8个值进行算术平均值处理，即可得到这个计算周期的采样值。
3.2 网络化智能监控系统的软件实现
网络化智能监控系统的软件采用模块化设计，这样便于调试程序和节省内存空间，同时也便于后期维护和产品的升级。
主控制系统程序包括通信处理子程序、数据处理子程序、人机对话子程序、数据输出子程序等。
传感器测控单元程序包括A/D转换子程序、算术平均值滤波子程序、D/A输出控制子程序和通信处理子程序。程序流程框图如图4所示。
图4 传感器测控单元程序流程图
网络接口单元控制程序采用多机通讯的方式，采用中断方式实现数据采集中心与各数据传输节点之间的数据网络传输。程序流程框图如图5所示。
图5 网络接口单元主机程序流程图
四 系统稳定性分析与网络安全防护
在具体的应用中，可靠性和通信效率应特别重视，可靠性可以通过正确处理通信线路匹配、供电与隔离以及软硬件的冗余来提高。通信距离可以增加中继器、采用数据压缩以及数据处理技术等加以解决。
实际应用环境下由于高频瞬态干扰，如果不加以适当防护就会损坏RS-485通信接口。对于这种瞬态干扰可以采用隔离或旁路的方法加以防护。
1.隔离保护方法。这种方案实际上将瞬态高压转移到隔离接口中的电隔离层上，由于隔离层的高绝缘电阻，不会产生损害性的浪涌电流，起到保护接口的作用
2.旁路保护方法。这种方案利用瞬态抑制元件（如TVS、MOV、气体放电管等）将危害性的瞬态能量旁路到大地。
实际应用中是将上述两种方案结合起来灵活加以运用，隔离接口对大幅度瞬态干扰进行隔离，旁路元件则保护隔离接口不被过高的瞬态电压击穿。
五 结论
利用本设计方案设计的医院病房远程监测系统，组网方便、灵活、经济。系统使用至今运行正常,效果良好。
基于嵌入式微控制器和RS-485总线网络的网络化智能监控系统，该方案实现简单、通信可靠、可移植性强。由于RS-485总线可连接多个节点，可实现1台PC机监控，多传感器的分布式集散控制系统，有着广阔的应用前景。
参考文献
[1] 张冈，基于现场总线的网络化智能传感器研究[J]，传感器技术，2002，21（9）
[2] PIC16F676/630 Data Sheet [M]，Microchip Technology Inc. ，2003
[3] 刘和平译，PIC16F87X单片机实用软件与接口技术[M]，北京：北京航空航天大学出版社，2001
[4] MAX485 Data Sheet [M]，Maxim Technology Inc. ，2003
[5] 窦振中，PIC系列单片机原理和程序设计[M]，北京：北京航空航天大学出版社，1998
