CN207010733U - 一种实验室远程监控系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种实验室远程监控系统，包括实验室数据采集终端、服务器和远程监控终端，实验室数据采集终端通过服务器连接实现与远程监控终端的网络连接；服务器包括控制器、网络接口芯片、显示屏和Flash存储器，控制器内嵌入LwIP协议栈，控制器连接并驱动网络接口芯片，Flash存储器通过SPI总线与控制器连接，显示屏固定在实验室外侧并与控制器连接；所述控制器通过JTAG调试端口连接有JTAG调试模块；利用网络接口芯片接入网络，实现LwIP协议栈的移植，并利用协议栈在控制器上进行网络通信，实验室数据采集终端的参数通过WEB服务器接入网络，实现了实验室数据的网络远程监控。

Description

一种实验室远程监控系统

技术领域

本实用新型涉及远程网络控制技术领域，具体涉及一种实验室远程监控系统。

背景技术

互联网技术最近几年逐渐的影响和改变着人们的生活，网络技术也越来越受到人们的关注，尤其在工业控制方面，开发者逐渐将网络技术引入到工控设备中去，与此同时，Web技术十分受到用户的青睐，得到了非常广泛的认同与应用，它是基于TCP/IP网络通信协议的。嵌入式Web服务器系统，是以控制器驱动网络接口芯片，从而进行TCP/IP的信息传输与设备控制，进而进行远程控制相关设备。设计开发的WEB服务器，可以将传统的串口通信等设备接入网络，进行网络通信，可以将串口数据信息转换成网络数据信息，进行TCP/IP的信息传输，同时可以对传输的数据信息进行处理等，保证数据传输过程中不出错，以这样的方式将数据格式进行转换，就能将传统的485、232等一些串口通信设备的参数信息送入网络进行传输，因此可以继续利用基于串口通信的工业设备，也不用过早的进行淘汰，还可以进一步的提高工业设备的利用率与控制效率。

互联网技术及TCP/IP协议广泛应用于各个行业，但是目前很多设备并不具备接入网络的功能，硬件上也不支持，基本都是基于串口通迅的，因此并不能快速的实现远程的控制，需要软件和硬件同时进行升级。嵌入式软件方面虽然已经慢慢形成了较为成熟的设计方案，包括软件的方案与硬件的方案。市场上也存在一些较为成熟的嵌入式操作系统，如:Vxworks、pSOS、WinCE等，其种类也是非常之多的，大约有四十多种。有一些操作系统其市场占有率较高，如Vx/Orks等，其应用也是特别的广泛。还有一些多任务操作系统，可以开发多种不同类型的设备，可方便、快速、高效进行操作，如WinCE等，其大多数是32位的。但是大多数情况下，这些嵌入式系统都不是开源的，一般是需要付费的，而且金额比较大，而且对于一些用户自己研发的软件来说，很难与各个不同的操作系统相兼容。因此，如果采用复杂的嵌入式系统来将传统的设备接入网络，对于控制器的选型，操作系统的选择需要花费大量的工作，不仅如此，另外，对于开发出来的设备，对后期的管理与升级也带来较为复杂的工作，耗费人力与物力。

实验室安全一直都是学校的重点关注对象，尤其是随着近年来一些实验室安全事故的发生，需要对实验室进行全方面的监控，然而实验室的各种数据难以实现实时传送，影响了实验室的安全监控。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种实验室远程监控系统，用以解决现有实验室无法实现数据实时监控的问题。

为实现上述目的，具体地，该实验室远程监控系统包括实验室数据采集终端、服务器和远程监控终端，实验室数据采集终端通过服务器连接实现与远程监控终端的网络连接；

实验室数据采集终端包括MCU、数据采集传感器和报警器，数据采集传感器和报警器分别连接至MCU，所述的数据采集传感器包括湿温度传感器、气体传感器和火焰传感器；

服务器包括控制器、网络接口芯片、显示屏和Flash存储器，控制器内嵌入LwIP协议栈，控制器连接并驱动网络接口芯片，Flash存储器通过SPI总线与控制器连接，显示屏固定在实验室外侧并与控制器连接；网络接口芯片通过网口与远程监控终端网络连接；服务器上设有IIC、CAN、SPI、ADC输入端口以及JTAG调试端口，所述控制器通过JTAG调试端口连接有JTAG调试模块；

所述MCU通过通讯总线连接控制器。

所述的控制器的型号为STM32F103，网络接口芯片的型号为ENC28J60，网络接口芯片通过以太网变压器连接RJ45接口。

所述的通讯总线为RS485总线，RS485总线的两端接入120Ω的电阻，实验室数据采集终端和服务器内对应接入120Ω的匹配电阻。

所述的通讯总线为CAN总线，CAN总线的芯片型号为TJA1050，TJA1050连接5V电源。

所述的气体传感器包括固定在实验室内的室内气体传感器和固定在实验室外的室外气体传感器。

所述的Flash存储器的型号为W25Q64。

所述的远程监控终端包括上位机和/或网络终端，网络终端上设有浏览器模块或telnet应用模块。

所述的显示屏为HMI串口屏。

本实用新型具有如下优点：本实用新型利用控制器驱动网络接口芯片，共同组成基于串口通信的嵌入式串口服务器。利用网络接口芯片接入网络，实现LwIP协议栈的移植，并利用协议栈在控制器上进行网络通信，实验室数据采集终端所采集的实验室数据通过串口服务器接入网络，可以用远程监控终端进行查看，例如通过浏览器访问相关的网页，实现了串口设备的网络化通信实验室的远程监控；本实用新型将显示屏固定在实验室外侧，并且设置了报警器，当实验室内出现紧急情况时可以发出报警，防止试验人员在不知情的情况下进入实验室而受到伤害。

附图说明

图1为本实用新型实施例1的结构示意图。

图2为控制器与网络接口芯片的连接示意图。

图3为本实用新型实施例2的结构示意图。

具体实施方式

以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

实施例1

参见图1，该实验室远程监控系统包括依次连接的实验室数据采集终端、服务器和远程监控终端，实验室数据采集终端通过服务器试验与远程监控终端的网络连接，服务器包括控制器、网络接口芯片、显示屏和Flash存储器，控制器内嵌入LwIP协议栈，控制器连接并驱动网络接口芯片，Flash存储器通过SPI总线与控制器连接，显示屏固定在实验室外侧并与控制器连接；实验室数据采集终端通过通讯总线连接控制器，网络接口芯片通过网口网络连接远程监控终端；服务器上设有IIC、CAN、SPI、ADC输入端口以及JTAG调试端口。

对于控制器的选型，需要考虑以下几个方面：

(1)控制器性能。对于选型某个控制器，考虑其性能要考虑多个方面，如内部Flash等，此设计较为复杂，要移植lwip协议栈，所以需要的芯片存储容量较大，选型时要充分考虑内部flash大小，以免影响后续开发，设计中采用stm32f103zet6，该芯片内部flash为512k，能够满足方案的设计。对于一些性能要求比较高的应用设计，如对处理速度等有严格要求的方案，则需要考虑性能比较好的一些新的控制器，此设计中的处理速度没有过高要求，stm32f103zet6能够满足要求。

(2)技术指标。对于系统设计而言，一般都尽最大可能的减小系统的开发成本，为了降低开发成本，市场上很多开发者集成了许多相关的外围设备，它们的目的是对控制器的芯片数量进行控制，从而进一步的节约开发成本。对于工程设计人员来讲，首先考虑的是系统开发的高效性与是否能开发出高性能的产品，硬件是否能达到相关指标。其次想的是能否支持一些特殊的芯片等扩展功能的开发。

(3)功耗。对于设计中，要充分考虑功耗问题，包括控制器功耗以及部分外设功耗。在特定的工业场合以及各种消费类电子产品中，嵌入式微控制器有着最大并且快速增长的市场。工程设计人员都青睐于高性能、低功耗的控制器，许多的CPU生产厂家也都很重视功耗问题。目前，用户可以在市场上买到一些处理速度很快微控制器，而且它们的且价格也不贵，大多数开发者都能接受。

(4)软件支持工具。软件开发工具对于开发也十分的关键，其影响着开发的速度与周期，其对于开发来讲是一个十分关键的因素，不仅要考虑微控制器选型，还要考虑是否有合适的软件开发工具，开发工具采用keil5，代码的编写与设计都十分的方便，在线编译、仿真，可以高效的进行程序设计。

(5)是否内置调试工具。为了缩短开发周期，提高开发的高效性，选择内置调试工具的微控制器，其可以用J-link进行在硬件在线调试，可快速高效的进行硬件系统的调试。

在整个过程中，我们主要分析控制器的性能、软件的支持程度、功耗等几个方面，最终选择STM32F103ZET6作为该设计的控制器。根据我们的设计需求来看，该控制器足够满足我们的要求，内部带有CAN、串口、DAC等，具有SDIO等丰富的接口，通用IO口达112个之多，软件上keil开发环境支持硬件在线调试，程序设计可以快速高效的进行开发，而且其开发成本也不高，因此，我们最终以STM32F103ZET6作为我们的控制器。如果控制器没有集成以太网控制器，要想接入以太网实现网络通信，则就需要外接一个以太网控制器芯片，从而来实现网络通信。STM32F103ZET6内部就没有以太网控制器，所以设计中用网络接口芯片接入网络，用STM32F103ZET6驱动网络接口芯片，从而构成网络通信接口，进而接入网络。

本实施例中网络接口芯片的型号为ENC28J60，ENC28J60网络接口芯片自带缓冲区，其内部集成了MAC和10BASE-TPHY，通信采用SPI接口与控制器进行通讯。控制器实现以太网的功能时，其对ENC28J60芯片的寄存器写入控制参数和接收数据时采用SPI通信。以太网接口由它与MCU连接共同组成。ENC28J60内部有硬件存储区，其容量是8K的，该存储区主要用于数据的发送或接收，除驱动ENC28J60外，主要是对存储区的读写等指令。要向网络传送数据时，则向发送存储区写入数据，并使能相关寄存器，使其进行发送数据至网络。接收网络数据时原理类似，可以查询相关的寄存器，或者利用其它的方式进行数据的获取，然后再对获取的数据进行进一步的传送或处理。网络接口芯片通过以太网变压器连接RJ45接口。

实验室数据采集终端包括MCU、报警器和数据采集传感器，数据采集传感器和报警器分别连接至MCU，MCU通过通讯总线连接控制器。数据采集传感器包括湿温度传感器、气体传感器和火焰传感器。温湿度传感器采用DHT11，它是一种数字传感器，湿度与温度是一体化的。如果想实时的获取本地的温湿度信息，不需要复杂的电气连接即可实现温湿度的参数的采集。对用控制器的一个I/O就可以完成DHT11的驱动，但是其对时序有较为严格的要求，需要根据手册进行严格的时序输出才能够成功读取数据。DHT11传给微控制器的数据是40Bit，包括温度与湿度数据，其中采用了校验和的方式进行校验，从而进一步保证了传输数据的准确性，避免传输出错。该传感器的功耗也非常低，其正常工作电压为5v，平均的工作电流最大为0.5mA。气体传感器采用的是MQ-7气体传感器，试验中获取了其AD值，它的原理是检测气体中的二氧化锡，二氧化锡与空气电导率有关，不需要复杂的电路即可驱动该传感器，开发较为方便，该传感器成本低，寿命较长，一般多用于工业的一氧化碳的检测。检测时，采用控制器的内部ADC通道，实时获取传感器的AD值，实现数据的采集，从而上传至服务器，进行网络的传输的验证。本实用新型的中重点是对数据的转换与传输而不是数据的采集处理，所以只是采集了温湿度以及Q-7气体传感器和火焰传感器的AD值，进行数据的转换、传输的验证。

需要说明的是本实施例中的气体传感器包括安装在实验室内的室内气体传感器和安装在实验室外的室外气体传感器，因为室内空气质量要受到室外空气质量的影响，如果标准不变就可能产生误判的情况，所以应当是对比室内气体传感器与室外气体传感器所检测的参数来确定实验室内是否发生有害气体泄露或有害液体挥发，检测更加准确。

本实用新型的Flash存储器的型号为W25Q64，该Flash存储器具有较好的灵活性和较高的性能，相比其他的存储器件有较大的优势，该Flash存储器通过SPI进行数据的读写，控制器自带SPI接口，采用硬件SPI实现Flash数据的读写与擦除，对于SPI，它每次传输的数据是8bit，对于W25Q64的Flash存储器，要想实现对其空间寻址，3个字节才可以实现，因此需要分三次发送，每次发送一个字节的地址，在向Flash写数据的时候，需要考虑扇区剩余的大小是否满足数据存储的要要，要控制好数据类型等，需要注意芯片的使用参数。Flash存储器用于存储服务器的初始化配置信息，以及网页等相关信息，以便掉电存储或者系统复位时调用相关信息

MCU通过RS485总线连接服务器，RS485总线用于通迅的是两线的通信类型，它是半双工的，可以实现多点通信。它与RS-232并不相同。其用电压差值进行传递信号。RS485的特点包括：

(1)接口电平低，芯片不易损坏；

(2)传输速率较高；

(3)抗干扰能力较强；

(4)支持的节点多，传输的范围远。一般都是支持32个节点的，但对于有些特殊的芯片可以最多支持的节点数达400多个。

在设计过程中需要两个电阻用于匹配，大小一般为120Ω，为了防止产生噪声，如果不接电阻，可能会导致数据的传输错误，接入电阻时，一般都是在RS485总线的两端，在实验室数据采集终端和服务器上同时接入120Ω的匹配电阻。

本实用新型中的控制器通过JTAG调试端口连接有JTAG调试模块。JTAG调试模块主要用于开发过程中的程序的下载和硬件的调试，加快开发进度，可以方便的进行调试，也可以采用swd模式进行调试，出错率更小。

远程监控终端采用上位机。本实用新型所采用的显示屏为HMI串口屏。串口屏开发使用比较快捷、高效，通过串口通信就能够将发送的信息进行显示，该模块有自带的上位机设计软件，可以用配套的软件进行界面的设计，设计完成后一键下载到模块中去，其内部有flash存储，然后就可以与单片机等微控制器连接使用了，只要按照指定的相关的通讯协议进行串口数据的传送，即可实现数据的显示，实现串口设备的参数信息的显示以及控制状态的显示。

工作过程：MCU采集的数据通过串口传至服务器，服务器端通过显示屏进行显示，经过调试，显示屏上显示的参数与单片机采集的数据一致，证明数据采集与传输过程中没有产生传输错误。

服务器接收到数据后将数据发送至上位机，上位机通过获取信息，查看获取的信息是否与串口上传的一致，经过调试，网络数据信息获取的传感器参数与采集的一致，说明整个过程中数据的传输是正常的，没有产生丢包等信息的错误传输。

上位机采用udp查询IP等相关信息时，点击查询按钮，即可获取实验室的相关参数信息，说明上位机能够成功进行广播，并得到数据返回。在数据获取页面，可以获取到传感器的参数信息，同时根据传感器的参数信息，绘制了简单的波形，便于系统调试，在传感器参数信息变化时，波形会出现抖动，说明传输过程中没有出现传输错误。

服务器也可以将来自上位机的指令或数据通过串口传输给实验室，同时实验室可以将设备信息通过串口发往服务器，最后在上位机上显示，实现数据的透传，可以方便快捷的嵌入到某个系统中实现数据透传。另外设计开发上位机软件可以实现硬件的参数配置以及数据通信，同时定义固定的通信协议，可以方便用户开发。

当上位机下发控制指令等数据帧时，服务器通过网口获取到相关TCP/IP信息后，对数据进行转换，转换为串口格式的数据帧，从而以串口通信的方式控制接入服务器的实验室数据采集终端。当实验室数据采集终端上传相关信息时，服务器通过获取串口信息后，对数据进行转换，转换为TCP/IP格式的数据帧，通过网口传输至上位机，从而实现网络通信。当网口接收到网络信息后，需要对数据包进行解包，协议栈中对数据包的格式进行了严格的定义，对于开发而言，我们只需从定义好的结构体中获取IP、端口以及数据缓冲区中传输的数据信息，无需过多关注或对其他数据进行更改或处理，然后将缓冲区中传输的数据信息填入配置好的串口发送缓冲区，从而实现以太网数据帧到串口数据帧的转换。同理可实现串口数据帧串口数据帧到以太网数据帧的转换。实验室数据采集终端接入服务器后，为其增加了网络接口，可以快速高效的进行IP化管理串口设备，进行网络通信，实现了232或485传统工业设备接入网络，用户可以在网络上访问相关页面，可以访问嵌入式Web设备，从而可以获取相关传统串口设备的参数信息，或者实现远距离控制，实现了232或485传统的网络的接入以及远程管理。同时配有上位机软件也可以实现硬件的参数配置和B/S架构的数据通信。定义相应的网络或串口协议，可以方便用户开发适合自己的控制软件。用户可以快速将设备嵌入到系统中进行应用，实现网络数据帧的交互，实验室快速实现以太网数据帧与串口数据帧的相互转换。

实施例2

参见图3，本实施例中的远程监控终端包括PC等网络终端，网络终端上设有浏览器模块或telnet应用模块。本实施例的通讯总线采用CAN总线。CAN是Controller AreaNetwork的缩写，是多用于汽车等行业的通迅协议，在汽车产业中，为了满足生产厂家以及使用客户的各种要求，必须开发出相关的较为复杂的系统，而这些控制系统大多数是电子相关的，因此，市场上开发出了不同的电子控制系统。但是对于不同的控制系统，可能采用不同的微控制器，其采用的数据类型也可能不同，数据传输的可靠性也都不完全一样，在大多数情况下，其通迅过程一般比较复杂，不仅仅有一条或几条总线，而且总显得条数可能比较多。为了高速并且可以传输大量的数据，同时设计中电气线路的数量，CAN通信协议被开发出来。此后，CAN逐渐的进行了协议的标准化，被广泛应用到汽车等工业领域。

CAN总线的高性能是广泛被开发者认知的，其传输可靠性也较高，被广泛地应用于自动控制、工业设备等方面。CAN协议具有一下特点：

(1)多主控制；

(2)系统的柔软性；

(3)通信速度较快，通信距离远；

(4)具有错误检测、通知和恢复等功能；

(5)故障封闭功能；

(6)连接节点多。它可以同时连接一个或连接多个CAN设备。在理论上来讲，可连接的CAN设备数没有是限制的。

CAN总线采用TJA1050芯片，其总线波特率范围为40kbps-1Mkbps，对于两个CAN设备进行通信时，两设备必须同时并入120Ω电阻进行匹配。控制器内部带有CAN通道，对通道进行初始化后，即可对芯片进行操作，CAN芯片可以设置为回环模式、正常模式(收发模式)等，回环模式用于测试硬件初始化等问题，与CAN收发仪进行通信测试，调试是否实现CAN通信。需要注意的是，芯片必须是5v供电，采用3.3v供电容易导致测试失败。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本实用新型作了详尽的描述，但在本实用新型基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本实用新型精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本实用新型要求保护的范围。

Claims (8)

1.一种实验室远程监控系统，其特征在于：所述的控制系统包括实验室数据采集终端、服务器和远程监控终端，实验室数据采集终端通过服务器连接实现与远程监控终端的网络连接；

实验室数据采集终端包括MCU、数据采集传感器和报警器，数据采集传感器和报警器分别连接至MCU，所述的数据采集传感器包括湿温度传感器、气体传感器和火焰传感器；

服务器包括控制器、网络接口芯片、显示屏和Flash存储器，控制器内嵌入LwIP协议栈，控制器连接并驱动网络接口芯片，Flash存储器通过SPI总线与控制器连接，显示屏固定在实验室外侧并与控制器连接；网络接口芯片通过网口与远程监控终端网络连接；服务器上设有IIC、CAN、SPI、ADC输入端口以及JTAG调试端口，所述控制器通过JTAG调试端口连接有JTAG调试模块；

所述MCU通过通讯总线连接控制器。

2.根据权利要求1所述的实验室远程监控系统，其特征在于：所述的控制器的型号为STM32F103，网络接口芯片的型号为ENC28J60，网络接口芯片通过以太网变压器连接RJ45接口。

3.根据权利要求1所述的实验室远程监控系统，其特征在于：所述的通讯总线为RS485总线，RS485总线的两端接入120Ω的电阻，实验室数据采集终端和服务器内对应接入120Ω的匹配电阻。

4.根据权利要求1所述的实验室远程监控系统，其特征在于：所述的通讯总线为CAN总线，CAN总线的芯片型号为TJA1050，TJA1050连接5V电源。

5.根据权利要求1所述的实验室远程监控系统，其特征在于：所述的气体传感器包括固定在实验室内的室内气体传感器和固定在实验室外的室外气体传感器。

6.根据权利要求1所述的实验室远程监控系统，其特征在于：所述的Flash存储器的型号为W25Q64。

7.根据权利要求1所述的实验室远程监控系统，其特征在于：所述的远程监控终端包括上位机和/或网络终端，网络终端上设有浏览器模块或telnet应用模块。

8.根据权利要求1所述的实验室远程监控系统，其特征在于：所述的显示屏为HMI串口屏。