基于Modbus總線的室內(nèi)通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)

摘要：針對化學(xué)、生物實驗室等易產(chǎn)生有害氣體的空間，設(shè)計了基于Modbus總線的室內(nèi)通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)由下位機(jī)排風(fēng)控制器、補(bǔ)風(fēng)控制器與上位機(jī)監(jiān)控中心組成，可實現(xiàn)對多個通風(fēng)柜集中遠(yuǎn)程控制與監(jiān)測。硬件電路以LPC2138為核心控制芯片，由風(fēng)速傳感器、通風(fēng)柜窗開度位移傳感器、人體傳感器等電路組成，采用RS485模塊構(gòu)建基于Modbus的通信網(wǎng)絡(luò)。試驗表明，該系統(tǒng)成本低，穩(wěn)定性好，可實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，具有較高的實用價值。
關(guān)鍵詞：通風(fēng)監(jiān)控；ARM；Modbus總線

0 引言
化學(xué)、生物實驗室等場所在運行過程中會產(chǎn)生有害物質(zhì)，這些有害物質(zhì)一般由氣體、微小顆粒等懸浮物組成，不及時排除會嚴(yán)重影響室內(nèi)人員的健康甚至生命安全。因此，在這些實驗室內(nèi)每個實驗平臺前一般均安裝有通風(fēng)設(shè)備通風(fēng)柜。傳統(tǒng)的通風(fēng)柜多為單一控制模式，工作時通風(fēng)量保持固定不變，不能根據(jù)具體情況調(diào)節(jié)風(fēng)量，通風(fēng)效果不佳，也不利于節(jié)約電能；在無人監(jiān)控狀況下一旦通風(fēng)柜發(fā)生故障停止運轉(zhuǎn)，會造成危險。
Modbus技術(shù)己成為一種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，其通訊主要采用RS232、RS485等通訊媒介，是一種開放、靈活和標(biāo)準(zhǔn)的通訊技術(shù)。本文設(shè)計了一種基于Modbus總線的室內(nèi)通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)，可實現(xiàn)對多個通風(fēng)柜集中遠(yuǎn)程控制(根據(jù)具體情況調(diào)節(jié)風(fēng)量)與監(jiān)測。

1 監(jiān)控系統(tǒng)的組成
整個監(jiān)控系統(tǒng)由通風(fēng)柜控制器(下位機(jī))、Modbus總線和服務(wù)端(上位機(jī))三部分組成，通風(fēng)柜可根據(jù)實驗室房間的大小和實驗臺分布的具體情況進(jìn)行合理的布局。通風(fēng)控制器在功能上可分為排風(fēng)控制器和補(bǔ)風(fēng)控制器兩種，硬件電路上結(jié)構(gòu)一致。對于諸如化學(xué)、生物實驗室等特定房間，需要對每個排風(fēng)柜進(jìn)行單獨的排風(fēng)控制，整個房間還需要一個補(bǔ)風(fēng)終端對房間進(jìn)行風(fēng)量的補(bǔ)充以免造成室內(nèi)氣壓過低。排風(fēng)控制器安裝在每個通風(fēng)柜上，補(bǔ)風(fēng)控制器安裝在補(bǔ)風(fēng)終端上。每個通風(fēng)控制器都有風(fēng)量控制、監(jiān)測、報警和參數(shù)設(shè)置等功能，并實時與上位機(jī)通信。
通風(fēng)控制器的控制對象是每個通風(fēng)柜以及補(bǔ)風(fēng)終端上安裝的文丘里閥，文丘里閥采用了數(shù)字化氣流控制技術(shù)，內(nèi)部具有高速的氣流控制器，具有快速反應(yīng)的自動壓力平衡裝置，提供可靠的通風(fēng)柜集塵與室內(nèi)壓力的控制，風(fēng)量的控制不受通風(fēng)系統(tǒng)波動的影響。每個房間的通風(fēng)柜和補(bǔ)風(fēng)終端都連接著統(tǒng)一的通風(fēng)管道和外部的風(fēng)機(jī)相連。
通信網(wǎng)絡(luò)采用RS485網(wǎng)絡(luò)，通信協(xié)議采用Modbus協(xié)議，其作用是實現(xiàn)通風(fēng)控制器終端和上位機(jī)之間的通信。
服務(wù)端是在PC機(jī)上實現(xiàn)，可檢測設(shè)備實時數(shù)據(jù)、報警等信息，并可遠(yuǎn)程設(shè)置各個控制端的參數(shù)，統(tǒng)計查看歷史數(shù)據(jù)曲線等，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 通風(fēng)控制器的設(shè)計
通風(fēng)控制器在功能上分為補(bǔ)風(fēng)控制器和排風(fēng)控器，兩者在硬件電路設(shè)計上一致，補(bǔ)風(fēng)控制器是通過Modbus總線獲取每個房間所有排風(fēng)控制器的風(fēng)量數(shù)據(jù)，通過運算控制補(bǔ)風(fēng)終端的文丘里閥門輸送相應(yīng)的補(bǔ)風(fēng)量。
2．1 硬件電路的組成
通風(fēng)控制器的硬件設(shè)計采用了模塊化的設(shè)計，由ARM芯片LPC2138及其外圍電路、Modbus通信接口電路以及各種傳感器電路組成，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

風(fēng)速傳感器、通風(fēng)柜窗開度位移傳感器、人體傳感器檢測到的數(shù)據(jù)經(jīng)A／D采樣送入ARM處理器，與系統(tǒng)設(shè)定的風(fēng)量等參數(shù)進(jìn)行比較計算后輸出驅(qū)動信號，控制文丘里閥門開度再由風(fēng)速反饋與閥門反饋電壓回饋形成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。各種信息數(shù)據(jù)通過Modbus總線傳至上位機(jī)。