基于Modbus總線(xiàn)的室內通風(fēng)監控系統

摘要：針對化學(xué)、生物實(shí)驗室等易產(chǎn)生有害氣體的空間，設計了基于Modbus總線(xiàn)的室內通風(fēng)監控系統。該系統由下位機排風(fēng)控制器、補風(fēng)控制器與上位機監控中心組成，可實(shí)現對多個(gè)通風(fēng)柜集中遠程控制與監測。硬件電路以L(fǎng)PC2138為核心控制芯片，由風(fēng)速傳感器、通風(fēng)柜窗開(kāi)度位移傳感器、人體傳感器等電路組成，采用RS485模塊構建基于Modbus的通信網(wǎng)絡(luò )。試驗表明，該系統成本低，穩定性好，可實(shí)現遠程監控，具有較高的實(shí)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞：通風(fēng)監控；ARM；Modbus總線(xiàn)

0 引言
化學(xué)、生物實(shí)驗室等場(chǎng)所在運行過(guò)程中會(huì )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(shí)排除會(huì )嚴重影響室內人員的健康甚至生命安全。因此，在這些實(shí)驗室內每個(gè)實(shí)驗平臺前一般均安裝有通風(fēng)設備通風(fēng)柜。傳統的通風(fēng)柜多為單一控制模式，工作時(shí)通風(fēng)量保持固定不變，不能根據具體情況調節風(fēng)量，通風(fēng)效果不佳，也不利于節約電能；在無(wú)人監控狀況下一旦通風(fēng)柜發(fā)生故障停止運轉，會(huì )造成危險。
Modbus技術(shù)己成為一種工業(yè)標準，其通訊主要采用RS232、RS485等通訊媒介，是一種開(kāi)放、靈活和標準的通訊技術(shù)。本文設計了一種基于Modbus總線(xiàn)的室內通風(fēng)監控系統，可實(shí)現對多個(gè)通風(fēng)柜集中遠程控制(根據具體情況調節風(fēng)量)與監測。

1 監控系統的組成
整個(gè)監控系統由通風(fēng)柜控制器(下位機)、Modbus總線(xiàn)和服務(wù)端(上位機)三部分組成，通風(fēng)柜可根據實(shí)驗室房間的大小和實(shí)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)控制器和補風(fēng)控制器兩種，硬件電路上結構一致。對于諸如化學(xué)、生物實(shí)驗室等特定房間，需要對每個(gè)排風(fēng)柜進(jìn)行單獨的排風(fēng)控制，整個(gè)房間還需要一個(gè)補風(fēng)終端對房間進(jìn)行風(fēng)量的補充以免造成室內氣壓過(guò)低。排風(fēng)控制器安裝在每個(gè)通風(fēng)柜上，補風(fēng)控制器安裝在補風(fēng)終端上。每個(gè)通風(fēng)控制器都有風(fēng)量控制、監測、報警和參數設置等功能，并實(shí)時(shí)與上位機通信。
通風(fēng)控制器的控制對象是每個(gè)通風(fēng)柜以及補風(fēng)終端上安裝的文丘里閥，文丘里閥采用了數字化氣流控制技術(shù)，內部具有高速的氣流控制器，具有快速反應的自動(dòng)壓力平衡裝置，提供可靠的通風(fēng)柜集塵與室內壓力的控制，風(fēng)量的控制不受通風(fēng)系統波動(dòng)的影響。每個(gè)房間的通風(fēng)柜和補風(fēng)終端都連接著(zhù)統一的通風(fēng)管道和外部的風(fēng)機相連。
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(shí)現通風(fēng)控制器終端和上位機之間的通信。
服務(wù)端是在PC機上實(shí)現，可檢測設備實(shí)時(shí)數據、報警等信息，并可遠程設置各個(gè)控制端的參數，統計查看歷史數據曲線(xiàn)等，系統結構如圖1所示。

2 通風(fēng)控制器的設計
通風(fēng)控制器在功能上分為補風(fēng)控制器和排風(fēng)控器，兩者在硬件電路設計上一致，補風(fēng)控制器是通過(guò)Modbus總線(xiàn)獲取每個(gè)房間所有排風(fēng)控制器的風(fēng)量數據，通過(guò)運算控制補風(fēng)終端的文丘里閥門(mén)輸送相應的補風(fēng)量。
2．1 硬件電路的組成
通風(fēng)控制器的硬件設計采用了模塊化的設計，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，結構如圖2所示。

風(fēng)速傳感器、通風(fēng)柜窗開(kāi)度位移傳感器、人體傳感器檢測到的數據經(jīng)A／D采樣送入ARM處理器，與系統設定的風(fēng)量等參數進(jìn)行比較計算后輸出驅動(dòng)信號，控制文丘里閥門(mén)開(kāi)度再由風(fēng)速反饋與閥門(mén)反饋電壓回饋形成一個(gè)閉環(huán)控制系統。各種信息數據通過(guò)Modbus總線(xiàn)傳至上位機。