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，需要監控多種物理量。每種物理量均由專門設備負責監控。通常，一臺設備就是一個對外通 信節點。單臺展柜節點數量較多，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點數量、統一展柜對外的通信協議及 通信接口、降低上位機的運行壓力，設計了一種展柜微環境通信系統，以實現監控設備和上位機之間的數據傳輸，完成雙向通信。系 統以MC9S12XS128為微控制器進行嵌入式軟硬件設計，與上位機通過WiFi進行通信、與監控設備進行RS485通信，實現了數據匯集、存儲整合、遠程通信等功能。對系統進行了持續168h(7天)的通信測試，證明系統與上位機及監控設備整體通信測試通過率大于99%,滿足文保行業要求。該系統實現了對展柜微環境的分布式監控，使得每個展柜微環境能夠獨立、靈活、高效地調控，加快了博物館管理從人工監控到電子信息化的過渡。系統能夠輔助實現文物微環境的實時監測、控制和記錄，這些數據對文物的科學研究和保護工作具有重要參考價值。
關鍵詞：文物保護；微環境；嵌入式系統；通信系統；-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境控制的雙重保護[1]。展柜內的展陳環境又稱為文物的展柜微環境。展柜微環境控制涉及溫度、相對濕度、光照強度、空氣質量等物理量。這些物理量的監測和控制通常由不同的設備來實現[2-4]。
文物的特性差異會導致其所需的微環境存在差別，溫度、相對濕度、照明、空氣質量等監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境對青銅器更加重要。出于資源優化考慮，對次要監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監控設備種類及數量不一致的問題，并且不同種類的監控設備來源于不同廠商，對外接口往往不統一。對于有遠程監控需求的展廳，一臺監控設備就是一個節點，單臺展柜的查詢節點數過多且數量種類不一致，將造成上位機負載過重，可能影響通信的穩定性。
本文設計了一套展柜微環境通信系統，用于統每臺展柜內的監控設備與外界的通信接口、協議及指令形式，減少每臺展柜的對外通信節點數量，使展柜監控設備與博物館內上位機實現高效通信連接。同時本系統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境通信情況，并對其進行靈活操作。
1 展柜微環境通信系統介紹
博物館展柜微環境工作結構如圖1所示。
圖1 展柜微環境工作結構圖
Fig.1 Working structure of showcase microenvironment
展柜微環境通信系統在工作時，放置于所屬展柜底部，與展柜外部的上位機進行WiFi通信，并與展柜內的溫濕度監控設備、照明監控設備、空氣質量監控設備、展柜開啟設備等進行RS-485有線通信[5-6]。監控設備的種類根據展柜中文物的需求進行組合，每一組合最多不超過4類設備。本系統獲取文物展柜微環境溫度、相對濕度、光照強度、空氣質量等物理量監測數據，并對相關物理量進行調控；然后按相應通信協議完成數據處理存儲及重組打包；最后，數據上傳至上位機，實現展柜與上位機的信息交換[7]，營造文物適宜的展陳環境。
2 系統硬件設計
2.1 系統的組成
展柜通信系統主要由微控制器( 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 。展柜微環境通信硬件框圖如圖2 所示。
圖2 系統硬件框圖
Fig.2 Block diagram of system hardware
系統微控制器的選取取決于其功能。本系統使 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定性、開發難度、經濟成本等因素。本文最終選定飛思卡爾半導體的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，完全能夠滿足系統的開發需求。
本系統使用串行通信接口0擴展WiFi通信，可實現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監控設備并實現通信。
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，完成參數和設備狀態顯示、參數設置以及報警[8]。
2.2 電源模塊
系統的正常工作需要穩定的供電系統作為保障，通信模塊對系統電源的穩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型的開關電源，穩壓電源輸入220V市電、輸出5V/3A直流電，滿足通信系統的供電要求。系統中的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現場存在較大差別。其內部展柜數量較多，且布展奉行展示性第一的原則，要求展廳現場盡可能少地出現明線線路，因此需要實現快速、穩定的遠程通信。結合以上特征，本系統與上位機之間采用WiFi通信方案。該方案具有通信速度快、可靠性高、組網成本低的特點，在開放性區域通信距離可達300m以上，便于與現有的有線網絡進行整合。WiFi電路基于MC9S12XS128的1路SCI進行擴展設計，實現了數據從本系統到上位機之間的傳輸[9]。
本系統與展柜微環境監控設備之間采用工業現場常用的高可靠RS-485有線通信。擴展的RS-485總線可以掛載多個設備。本系統為主機，掛載設備為從機。主機對從機進行控制。理論上，RS-485總線上最多可以掛載128個節點，能夠滿足博物館展柜通信連接設計需求。但是在實際調試過程中，發現了很多不確定因素，導致通信系統與多臺展柜微環境監控設備通信時屢出故障。經分析，發現不同廠商生產的設備不僅通信協議各異，而且通信軟件的兼容性和魯棒性也不同。本系統與某臺監控設備通信時，指令通過RS-485總線廣播至其他設備，部分設備接收到不屬于自己的指令后，會發出干擾信號，嚴重時可導致RS-485總線上掛載的監控設備死機或其他后果。
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定性考慮，應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，使1路RS-485輸出接口擴展成4路通道，每類監控設備對應一個通道；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，滿足系統設計需求。
2.4 人機交互模塊
人機交互模塊包括液晶屏、運行狀態指示燈及輸入按鍵，便于展柜微環境通信系統進行本地參數設置。 液晶屏實時顯示系統當前通信狀態、設備運行狀態，還 可設置參數信息及時間地址信息；指示燈分別指示系統運行正常及故障2種狀態。按鍵分別實現上翻、下翻、左翻、右翻、設置、確認這6種功能。
2.5 存儲模塊
展柜微環境通信系統存儲功能可以用于記錄系統運行數據，包括通信數據、設備運行的時間、設置參數、運行狀態和系統報警信息。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。該器件可以實現片外存儲，最大存儲容量為2048字節。MCU通過使用2路I/O模擬I2C的同步數據線( synchronous data adapter,SDA)和串行時鐘線( serial communication loop,SCL),實現與AT24C02通信。
3 系統軟件設計
3.1 系統軟件框架設計
系統軟件功能包括通信、設備狀態自檢、人機交互、數據處理。其中，通信功能包括與上位機的上位通信和與監控設備的下位通信2方面。通信系統主程序流程如圖4所示。
圖4 主程序流程圖
Fig.4 Flowchart of main program
3.2 系統通信軟件設計
在博物館無線監控網絡中，展柜微環境監控設備被放置在展柜最底端的設備層。每臺設備作為一個測控節點，負責展柜內監測數據的采集及相關控制，并通過RS-485通信將數據送往展柜微環境通信系統。系統統一處理后，將數據送往上位機。該方式能有效降低通信運行負載，適用于多個節點同時采集數據的情況。監控設備需要測量的數據包括溫度、相對濕度、光照強度、空氣質量等。這些數據如果直接傳送至上位機，會增加網絡的運行成本。而通信系統將數據進行匯集、初步處理、整合、打包傳送，使數據的使用率上升并同時降低網絡的負荷和成本，保證了數據傳輸的通暢[10]
博物館無線監控網絡的通信指令分為3大類：
①讀取各展柜監測數據；
②下達控制參數至某臺展柜內的某臺監控設備；
③獲取當前展柜設備控制參數。
以讀取監控設備監測數據指令為例，本系統的通信實現過程如圖5所示。
圖5通信實現過程示意圖
Fig.5 Process of communication implementation
系統主程序初始化結束后，系統軟件打開中斷。如果上位機發起通信請求，通信系統進入中斷服務接收程序并設置相應的標志位，中斷服務程序流程如圖6所示。
主程序查詢到相應標志位后，判斷上位機指令類型，再根據判斷結果依次與展柜微環境監控設備通信。待本系統收到監控設備相應反饋后，進行初步處理及存儲數據，并打包回復上位機。
為保障系統的正常運行，在通信環節設計了超時和重試機制。經實際測試，每個通信過程時間不超過500ms,因此每次通信環節設置500ms等待時間。若逾時仍未收到相應回復則認為本次通信故障，并再次發起通信指令。若通信環節已經連續3次出現通信故障，則認為本系統與該節點通信失敗，不再發起對該節點的通信指令。
圖6 中斷服務程序流程圖
Fig.6 Flowchart of interrupting service routine
4 系統測試
系統測試過程參考《館藏文物預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所示的展柜微環境工作結構搭建通信測試平臺。
測試主機模擬上位機運行測試軟件，執行上位機和展柜微環境通信系統的通信功能指令。按照測試標準規定生成并發送相應的通信報文，根據接收到的通信報文來判斷被測通信系統行為是否正確，并生成測試日志。
被測通信系統接收測試主機發出的通信報文并向現場4臺設備發出相應通信報文，接收監控設備響應后，進行信息解析并重組，按照協議規定向測試主機回復響應內容。現場監控設備包括溫濕度監控設備、照明監控設備、空氣質量監控設備及展柜開啟設備。測試過程參考實際通信過程，使用3類通信報文：①讀取監控設備測量及狀態數據；②下達監控設備控制參數；③獲取監控設備當前控制參數。從2017年5月14日9:00到2017年5月21日9:00的測試數據如表1所示。
表1 測試數據
Tab.1 Test data
整個測試環節持續進行168h,每60s通信一次。通信系統與現場設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%,達到文保行業通信可靠性不低于98%的要求，證明了本系統能夠滿足文保行業實際應用要求。
5 結束語
本文介紹了博物館展柜微環境通信系統的設計過程，包括軟、硬件設計及測試結果。本系統應用于博物館文物保護領域，為博物館內上位機和每個展柜內文物微環境監控設備建立了通信聯系，實現了監測數據獲取、控制參數的下達與獲取功能。系統實際通信測試通過率大于99%,可滿足博物館文物管理設備的通信要求。系統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）
