文章来源：《自动化仪表》2018年 第4期
作者：徐悦 张阳 吴健 张辉
摘要：对于保存文物的博物馆展柜，需要监控多种物理量。每种物理量均由专门设备负责监控。通常，一台设备就是一个对外通 信节点。单台展柜节点数量较多，对上位机的运行造成较大负荷。为了减少单台展柜的通信节点数量、统一展柜对外的通信协议及 通信接口、降低上位机的运行压力，设计了一种展柜微环境通信系统，以实现监控设备和上位机之间的数据传输，完成双向通信。系 统以MC9S12XS128为微控制器进行嵌入式软硬件设计，与上位机通过WiFi进行通信、与监控设备进行RS485通信，实现了数据汇集、存储整合、远程通信等功能。对系统进行了持续168h(7天)的通信测试，证明系统与上位机及监控设备整体通信测试通过率大于99%,满足文保行业要求。该系统实现了对展柜微环境的分布式监控，使得每个展柜微环境能够独立、灵活、高效地调控，加快了博物馆管理从人工监控到电子信息化的过渡。系统能够辅助实现文物微环境的实时监测、控制和记录，这些数据对文物的科学研究和保护工作具有重要参考价值。
关键词：文物保护；微环境；嵌入式系统；通信系统；-485;Wii
0 引言
博物馆作为国家文化的一种象征，其展品的防护问题一直是博物馆管理工作的重中之重。当展出时，文物放置于展柜中，故展柜必须为文物提供物理防护和环境控制的双重保护[1]。展柜内的展陈环境又称为文物的展柜微环境。展柜微环境控制涉及温度、相对湿度、光照强度、空气质量等物理量。这些物理量的监测和控制通常由不同的设备来实现[2-4]。
文物的特性差异会导致其所需的微环境存在差别，温度、相对湿度、照明、空气质量等监控量的重要程度也不同。例如，青铜器文物对相对湿度的敏感程度明显高于对光照强度的敏感程度，所以营造适宜的湿度环境对青铜器更加重要。出于资源优化考虑，对次要监控量的控制程序可以放宽，甚至不进行特殊控制。但这样的做法容易造成不同展柜内监控设备种类及数量不一致的问题，并且不同种类的监控设备来源于不同厂商，对外接口往往不统一。对于有远程监控需求的展厅，一台监控设备就是一个节点，单台展柜的查询节点数过多且数量种类不一致，将造成上位机负载过重，可能影响通信的稳定性。
本文设计了一套展柜微环境通信系统，用于统每台展柜内的监控设备与外界的通信接口、协议及指令形式，减少每台展柜的对外通信节点数量，使展柜监控设备与博物馆内上位机实现高效通信连接。同时本系统具有友好的人机交互功能，方便用户实时掌握当前展柜微环境通信情况，并对其进行灵活操作。
1 展柜微环境通信系统介绍
博物馆展柜微环境工作结构如图1所示。
图1 展柜微环境工作结构图
Fig.1 Working structure of showcase microenvironment
展柜微环境通信系统在工作时，放置于所属展柜底部，与展柜外部的上位机进行WiFi通信，并与展柜内的温湿度监控设备、照明监控设备、空气质量监控设备、展柜开启设备等进行RS-485有线通信[5-6]。监控设备的种类根据展柜中文物的需求进行组合，每一组合最多不超过4类设备。本系统获取文物展柜微环境温度、相对湿度、光照强度、空气质量等物理量监测数据，并对相关物理量进行调控；然后按相应通信协议完成数据处理存储及重组打包；最后，数据上传至上位机，实现展柜与上位机的信息交换[7]，营造文物适宜的展陈环境。
2 系统硬件设计
2.1 系统的组成
展柜通信系统主要由微控制器( microcontroller，MCU )、电源模块、人机交互模块、通信模块和储存模块5部分组成 。展柜微环境通信硬件框图如图2 所示。
图2 系统硬件框图
Fig.2 Block diagram of system hardware
系统微控制器的选取取决于其功能。本系统使 用的微控制器需要2路串口，13路以上通用输入/输出( general purpose input output,GP) 接口。选取MCU时，需要兼顾该款芯片的稳定性、开发难度、经济成本等因素。本文最终选定飞思卡尔半导体的MC9S12XS128型号芯片。该芯片是一个16位器件，包括2个全双工串行通信接口( serial communication interface,SCI),91个独立I/O口；同时，其具备很多其他的片上资源，完全能够满足系统的开发需求。
本系统使用串行通信接口0扩展WiFi通信，可实现与展厅上位机的通信；串行通信接口1用于扩展RS-485总线，有线连接所属展柜内监控设备并实现通信。
人机交互模块包括1.8英寸(1英寸=25.4mm)液晶、按键及LED指示灯，完成参数和设备状态显示、参数设置以及报警[8]。
2.2 电源模块
系统的正常工作需要稳定的供电系统作为保障，通信模块对系统电源的稳定性和抗干扰性要求比较高。电源模块为微控制器、人机交互模块、通信模块、存储模块供电。
系统总功率为15W。综合考虑电源工作效率及成本等因素，选用MWS-15-5型的开关电源，稳压电源输入220V市电、输出5V/3A直流电，满足通信系统的供电要求。系统中的WiFi部分电路需要3.3V供电，功率为1.7W。对此，使用AMS1117_3.3型降压芯片，将5V电压转换成3.3V,并提供1A输出电流。
2.3 通信模块
博物馆与普通的工业现场存在较大差别。其内部展柜数量较多，且布展奉行展示性第一的原则，要求展厅现场尽可能少地出现明线线路，因此需要实现快速、稳定的远程通信。结合以上特征，本系统与上位机之间采用WiFi通信方案。该方案具有通信速度快、可靠性高、组网成本低的特点，在开放性区域通信距离可达300m以上，便于与现有的有线网络进行整合。WiFi电路基于MC9S12XS128的1路SCI进行扩展设计，实现了数据从本系统到上位机之间的传输[9]。
本系统与展柜微环境监控设备之间采用工业现场常用的高可靠RS-485有线通信。扩展的RS-485总线可以挂载多个设备。本系统为主机，挂载设备为从机。主机对从机进行控制。理论上，RS-485总线上最多可以挂载128个节点，能够满足博物馆展柜通信连接设计需求。但是在实际调试过程中，发现了很多不确定因素，导致通信系统与多台展柜微环境监控设备通信时屡出故障。经分析，发现不同厂商生产的设备不仅通信协议各异，而且通信软件的兼容性和鲁棒性也不同。本系统与某台监控设备通信时，指令通过RS-485总线广播至其他设备，部分设备接收到不属于自己的指令后，会发出干扰信号，严重时可导致RS-485总线上挂载的监控设备死机或其他后果。
RS-485 通信扩展通道如图3所示。
图3 RS-485通信扩展通道示意图
Fig.3 Schematic diagram of RS-485 extended communication channel
出于通信安全性和稳定性考虑，应对通信模块进行抗干扰保护。在RS-485信号对外接口处增加1个电子开关，使1路RS-485输出接口扩展成4路通道，每类监控设备对应一个通道；同一时刻只允许1路通道打开，从而在物理上排除多路通道相互通信干扰的隐患。此处使用美信公司的MAX14778电子开关芯片。该芯片具有1路输入通道和4路输出通道，每路通道开启和关闭时间≤2ms,可兼容RS-485、RS-232、USB1.1这3种信号，承受±25V的电压，满足系统设计需求。
2.4 人机交互模块
人机交互模块包括液晶屏、运行状态指示灯及输入按键，便于展柜微环境通信系统进行本地参数设置。 液晶屏实时显示系统当前通信状态、设备运行状态，还 可设置参数信息及时间地址信息；指示灯分别指示系统运行正常及故障2种状态。按键分别实现上翻、下翻、左翻、右翻、设置、确认这6种功能。
2.5 存储模块
展柜微环境通信系统存储功能可以用于记录系统运行数据，包括通信数据、设备运行的时间、设置参数、运行状态和系统报警信息。该模块使用的AT24C02型号存储芯片为集成电路总线( inter-integrated- circuit,I2C)器件。该器件可以实现片外存储，最大存储容量为2048字节。MCU通过使用2路I/O模拟I2C的同步数据线( synchronous data adapter,SDA)和串行时钟线( serial communication loop,SCL),实现与AT24C02通信。
3 系统软件设计
3.1 系统软件框架设计
系统软件功能包括通信、设备状态自检、人机交互、数据处理。其中，通信功能包括与上位机的上位通信和与监控设备的下位通信2方面。通信系统主程序流程如图4所示。
图4 主程序流程图
Fig.4 Flowchart of main program
3.2 系统通信软件设计
在博物馆无线监控网络中，展柜微环境监控设备被放置在展柜最底端的设备层。每台设备作为一个测控节点，负责展柜内监测数据的采集及相关控制，并通过RS-485通信将数据送往展柜微环境通信系统。系统统一处理后，将数据送往上位机。该方式能有效降低通信运行负载，适用于多个节点同时采集数据的情况。监控设备需要测量的数据包括温度、相对湿度、光照强度、空气质量等。这些数据如果直接传送至上位机，会增加网络的运行成本。而通信系统将数据进行汇集、初步处理、整合、打包传送，使数据的使用率上升并同时降低网络的负荷和成本，保证了数据传输的通畅[10]
博物馆无线监控网络的通信指令分为3大类：
①读取各展柜监测数据；
②下达控制参数至某台展柜内的某台监控设备；
③获取当前展柜设备控制参数。
以读取监控设备监测数据指令为例，本系统的通信实现过程如图5所示。
图5通信实现过程示意图
Fig.5 Process of communication implementation
系统主程序初始化结束后，系统软件打开中断。如果上位机发起通信请求，通信系统进入中断服务接收程序并设置相应的标志位，中断服务程序流程如图6所示。
主程序查询到相应标志位后，判断上位机指令类型，再根据判断结果依次与展柜微环境监控设备通信。待本系统收到监控设备相应反馈后，进行初步处理及存储数据，并打包回复上位机。
为保障系统的正常运行，在通信环节设计了超时和重试机制。经实际测试，每个通信过程时间不超过500ms,因此每次通信环节设置500ms等待时间。若逾时仍未收到相应回复则认为本次通信故障，并再次发起通信指令。若通信环节已经连续3次出现通信故障，则认为本系统与该节点通信失败，不再发起对该节点的通信指令。
图6 中断服务程序流程图
Fig.6 Flowchart of interrupting service routine
4 系统测试
系统测试过程参考《馆藏文物预防性保护装备通信一致性测试方法》,进行通信一致性测试。参考图1所示的展柜微环境工作结构搭建通信测试平台。
测试主机模拟上位机运行测试软件，执行上位机和展柜微环境通信系统的通信功能指令。按照测试标准规定生成并发送相应的通信报文，根据接收到的通信报文来判断被测通信系统行为是否正确，并生成测试日志。
被测通信系统接收测试主机发出的通信报文并向现场4台设备发出相应通信报文，接收监控设备响应后，进行信息解析并重组，按照协议规定向测试主机回复响应内容。现场监控设备包括温湿度监控设备、照明监控设备、空气质量监控设备及展柜开启设备。测试过程参考实际通信过程，使用3类通信报文：①读取监控设备测量及状态数据；②下达监控设备控制参数；③获取监控设备当前控制参数。从2017年5月14日9:00到2017年5月21日9:00的测试数据如表1所示。
表1 测试数据
Tab.1 Test data
整个测试环节持续进行168h,每60s通信一次。通信系统与现场设备单机通信成功率达99.85%以上，整体测试的通信成功率达99.76%,达到文保行业通信可靠性不低于98%的要求，证明了本系统能够满足文保行业实际应用要求。
5 结束语
本文介绍了博物馆展柜微环境通信系统的设计过程，包括软、硬件设计及测试结果。本系统应用于博物馆文物保护领域，为博物馆内上位机和每个展柜内文物微环境监控设备建立了通信联系，实现了监测数据获取、控制参数的下达与获取功能。系统实际通信测试通过率大于99%,可满足博物馆文物管理设备的通信要求。系统的广泛使用有利于加快博物馆文物电子化信息化进程，减轻工作人员负担。
参考文献：（略）
