系统硬件由嵌入式装置、无线收发设备、UPS信息采集和图像采集设备组成,其中UPS信息采集为UPS设备自带功能,通过RS485总线将数据传输至服务器,图像采集设备为普通CMOS摄像头,通过USB接口将数据传输至服务器,所以系统的硬件设计主要是对嵌入式装置和无线收发设备的设计。

嵌入式装置包括处理器、电源管理、一组传感器、一组设备驱动电路、红外收发、键盘、LCD显示器及无线收发等模块。处理器负责对数据进行分析、存储与传输;电源管理包括反接保护、过流保护、供电电压检测、DC-DC转换、供电控制等功能;一组传感器对系统设计方案中需要的信息进行采集与转换;一组设备驱动电路对系统外围设备进行控制;红外收发用于对空调设备遥控码的学习及对空调的控制;键盘和LCD显示器用作系统设置和实时数据显示;无线收发用于嵌入式装置与服务器间的数据传输。

服务器端无线收发设备包括DC-DC、TTL-RS232、无线串口等模块。DC-DC将USB接口电压转换为系统工作所需电压;TTL-RS232存在于无线串口模块与服务器之间,进行信号转换。

系统硬件结构如图2所示。

图2

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	图2 系统硬件结构

限于篇幅,仅对部分主要硬件模块的实现进行介绍。

（1）处理器

系统选择PIC16F877单片机作为处理器,该单片机由Microchip公司生产^{[ 5]},功耗低,电压范围宽,具有两个8位和一个16位定时器,两个PWM模块,8通道10位AD转换器,功能强大,价格低廉,满足系统的设计要求。PIC16F877与晶振电路、上电复位电路共同构成处理器模块的最小电路。

（2）无线收发模块

无线收发模块选择广州汇承信息科技有限公司生产的HC-05模块^{[ 6]},该模块采用低电压3．3V供电,利用CSR BC04蓝牙芯片技术和自适应跳频技术,实现无线串口通信,体积小,误码率低,外围电路简单,成本低,功率为蓝牙Class 2功率级别,通信距离在10米左右,符合本系统的设计要求。

（3）非接触式电流检测

非接触式电流检测利用电流互感原理实现电流检测,探测头选用100mH电感,与空调供电线垂直放置,供电线中的市电交变信号会造成通过电感的磁通量发生变化,从而产生微弱的感应电流。感应电流首先通过运算放大器TL072进行信号一级放大,由于机房中有其他频率信号和谐波的干扰,需要将这些信号滤除,所以将一级放大后的信号通过50Hz带通滤波器,然后再进行信号的二次放大,经过前期处理后信号变成具有一定振幅的50Hz的近似正弦波。此时的波形还要经过一个谷值检测电路后才能转换成一个可以被PIC单片机读取的电压信号。PIC通过对电压信号的测量判断空调电流的大小。

（4）温湿度模块

温湿度模块采用DHT11传感器,它是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器,内部包括一个电阻式感湿原件和一个NTC测温原件,具有极高的可靠性和长期稳定性,该传感器体积小、功耗低、信号传输距离可达20米以上,测湿精度为±5％,测温精度为±2℃。该传感器通过单总线加一个上拉电阻与PIC单片机连接。

（5）水浸传感器

水浸传感器有线式和点式两种传感器,线式传感器测试范围较大,但布线比较麻烦,点式传感器虽然测试范围较小,但布线相对简单。本系统采用两个脚间距为2mm的不锈钢柱电极组成水浸传感器,不锈钢柱截面积宜大于10mm²,该传感器布置时两不锈钢柱紧贴在被测墙体或地表表面,当墙体或地表干燥时,电极间电阻无穷大,而当墙体渗水或地表积水时,两电极间电阻一般小于100kΩ,将电阻的变化转换为电压信号的变化送至单片机AD口,来判断漏水情况。

系统软件包括嵌入式装置软件、服务器软件及外部邻居服务器软件三部分,结构如图3所示：

图3

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	图3 系统软件结构

嵌入式装置软件采用C语言开发,实现系统数据采集、设备控制、串口数据的收发、数据解析与封装、系统设置、故障分析、智能温控及信息显示等功能。服务器软件采用两种平台开发,图像采集软件采用C＃开发,实现图像采集、存储功能;Web服务与串口通信软件采用PHP语言开发,串口通信程序不断监听串口数据,对接收到的串口数据进行处理、分析与存储,如有异常情况则存入系统日志,同时将异常情况发送至管理员邮件和管理员手机;Web服务器基于Apache、PHP与MySQL环境,实现访问者的身份认证、用户管理、数据管理、同时将访问情况存入访问日志。外部服务器软件也采用PHP语言开发,实现每10分钟访问一次监控系统登录页面,分析页面内容,如果页面内容正确则不作处理,否则表示网络出现异常,发送邮件和短信通知服务器管理员,并存入网络异常日志,该软件的开发是为了防止内部网络出现问题后,设备异常信息无法通过网络通知管理员。

嵌入式装置软件包括主程序和中断服务程序两个部分。主程序经过初始化后,进入一个周期为100ms的循环体,进行数据采集、读数据发送标志位、发送数据、读控制变量、分析异常、智能温控、控制设备等。中断服务程序主要是串口中断,接收服务器发来的数据请求和设备控制请求,然后写数据发送标志位和控制变量。

嵌入式装置与服务器的通信需要定义严格的通信过程和通信协议。系统通信过程包括以下三种：

（1）自动发送：当嵌入式装置检测到数据异常,则自动发送异常数据至服务器,服务器收到异常数据后发送回复指令。

（2）请求发送：服务器发送请求指令给嵌入式装置,嵌入式装置根据请求类型发送数据,服务器收到数据后发送回复指令。

（3）心跳信号发送：嵌入式装置以每秒1次的频率向服务器发送两个字节信号,服务器对该信号不回复,用于服务器判断下位机是否故障或是否连接。

系统通信协议包括两种格式：

（1）单字节格式：请求指令和回复指令属于单字节格式,由服务器发送给嵌入式装置。

（2）双字节格式：数据和心跳信号属于双字节格式,由嵌入式装置发送给服务器,每个字节的最高位代表字节序号,其余14位代表数据,其中4位表示数据类型,10位表示数据值。

由于图书馆机房温度有严格的标准,温度波动必须控制在23±2℃（夏季）或20±2℃（冬季）之内,温度变化率<5℃/h^{[ 7]},所以必须加强对机房温度的精确控制,温度控制通过空调控制来实现,嵌入式装置软件中包含了对本馆两台普通民用空调的温度控制与故障分析算法,部分代码如下：

Air_Mode_Set（air_a,Ref）;Air_Mode_Set（air_a,Off）; //空调开机自启动

．．．

if（time_hour==change_time） //双空调定时切换

{if（air_status_a）{Air_Mode_Set（air_a,OFF）;}

else{Air_Mode_Set（air_a,Ref）;}

if（air_status_b）{Air_Mode_Set（air_b,OFF）;}

else{Air_Mode_Set（air_b,Ref）;}}

．．．

if（environment_temperature>limit_high_tem） //下调设定温度

{air_set_temperature--;Air_Tem_Set（Con_Num,air_set_temperature）;}

else if（environment_temperature< limit_low_tem） //上调设定温度

{air_set_temperature++;Air_Tem_Set（Con_Num,air_set_temperature）;}

if（（abs（air_temperature-air_set_temperature）>=limit_range_tem）＆＆（air_current<=dead_current））{Air_Status_Set（Con_Num,Wrong）;} //空调故障判断

服务器软件包括图像采集软件、数据处理与存储软件、Web服务器软件、外部邻居服务器页面采集分析软件。

（1）图像采集调用avicap32．dll动态链接库所提供的API,avicap32．dll是Windows API应用程序接口相关模块,用于对摄像头和其他视频硬件进行AVI视频和图像的截取。主要函数如下：

this．OpenCapture（）; //打开摄像头

CameraForm．SendMessage（this．hHwnd, 0x41e, 0, 0）; //复制当前图像

image1．Save（＂C：//PHPnow-1．5．6/htdocs/test2/＂ + SaveFileDialog1．FileName + ＂．jpeg＂, ImageFormat．Jpeg）; //存储图像到指定位置

CameraForm．SendMessage（this．hHwnd, 0x40b, 0, 0）; //断开摄像头采集

CameraForm．DestroyWindow（this．hHwnd）; //注销窗口

（2）数据处理与存储软件是Web服务器应用程序与底层硬件的桥梁,定时发送串口指令给嵌入式装置请求数据,并分析得到的数据;同时监听串口数据,如果嵌入式装置自动发送数据,则分析处理数据。数据处理与存储软件流程如图4所示：

图4

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	图4 数据处理与存储流程图

其中,报警有两种方式：短信报警和邮件报警,短信报警采用移动飞信方式发送短信,用PHP发送HTTP请求模拟登录WAP版本的飞信,并模拟发送飞信,部分代码如下：

require ′C：/PHPnow-1．5．6/htdocs/feixin/PHPFetion．php′; //发送库函数

﹩fetion = new PHPFetion（﹩tnum, ﹩password）; //飞信登录

﹩fetion->send（﹩tnum, ﹩content）; //信息发送

（3）Web服务器软件实现用户通过浏览器访问和管理数据的功能,主要包含用户身份认证设计、图像及数据页面设计、数据分析页面设计、数据管理页面设计和用户管理页面设计等。Web服务器软件部分主要函数如下：

function CheckUser（﹩username, ﹩password, ﹩imagecode）;

//用户身份认证

function EncodePassword（﹩password）; //密码加密

function DecodePassword（﹩password）; //密码解密

function query（﹩mysql）; //SQL查询

function addUser（﹩username, ﹩password, ﹩role）; //增加用户

（4）外部邻居服务器软件实现对页面的抓取、分析与网络异常处理,部分代码如下：

﹩url = ＂http：//211．70．105．23/jfjk/admin/＂; //监控登录页地址

﹩html_buf = file_get_contents（﹩url）; //抓取页面内容

if（strstr（﹩html_buf,′< title >登录< /title >′）==FALSE） //是否包含特定字符

{write_log（）; //写日志

send_message（）;} //发送消息