基于CMOS 微处理器的实验室监控智能控制系统设计

戴美玲

（南京审计大学实验中心， 南京 211815）

0 引 言

在科技迅速发展的时代背景下，实验室的基础建设规模不断扩大［1］。 高校实验室扩大了招生规模，科研实验室也拓宽了工业技术开发范围，为科技的进步提供了条件。 实验室环境的好坏，直接决定着科研结果的优劣［2］。 在高校实验室中，学生通过科研实验，与理论知识相结合，进一步提高自身的专业能力；在科研实验室中，通过工业技术的开发与研究，不断推动工业领域的可持续发展［3］。 因此，本文设计基于CMOS 微处理器的实验室监控智能控制系统，最大限度地提高实验室监控智能控制效果。

1 硬件设计

1.1 CMOS 微处理器

本文设计的CMOS 微处理器工作主频可以达到688 MHz，能够支持系统对实验室监控视频的多种编码，除了H.264／H.263、Mpeg4 之外，还存在USB外扩展接口，用于处理监控视频信息。 CMOS 微处理器存在多个TTL 串口，标准DB9 串口、LCD 接口、USB Host1.1、Mini USB2.0 等接口。 在监控数据处理与控制的过程中，主要通过ZigBee 协议完成，系统远程控制通过以太网完成。 CMOS 微处理器接口情况如图1 所示。

图1 CMOS 微处理器接口示意图Fig. 1 Schematic diagram of the CMOS microprocessor interface

由图1 可知，本文设计的CMOS 微处理器通过以太网、ZigBee 协议、报警串口、网卡、LCD 显示、存储模块等接口，对实验室监控视频数据进行采集并处理，使视频内容更加清晰。 并将视频信息存储在存储模块中，使系统能够精准把控实验室监控数据。

1.2 HS1101 湿度传感器

本文设计的HS1101 湿度传感器是一种独特工艺设计的电容元件，对于实验室湿度控制、空气质量控制具有重要作用。 HS1101 湿度传感器能够与实验室环境中的空气进行互换，在标准环境下无需校正，能够快速脱除湿气，使实验室内的环境更佳，科研人员能够更加快速地进入研究中［4］。 HS1101 湿度传感器的技术设计指标见表1。

表1 HS1101 湿度传感器的技术设计指标Tab. 1 Technical design index of HS1101 humidity sensor

由表1 可知，本文设计的HS1101 湿度传感器尺寸较小，在系统中以低功耗环境运行，提高系统对湿度—电容控制效果。 HS1101 湿度传感器在运行过程中，相对湿度在0%RH～100%RH 范围内，电容在145 pF～200 pF 的范围内变化，湿度控制误差≤±0.02%RH，响应时间在0.5 ms 左右，能够快速有效地控制实验室湿度环境。

2 软件设计

本文设计的系统软件架构，是以CMOS 微处理器与HS1101 湿度传感器等硬件基础上构建而成。本文将软件架构分为3 个部分，分别为应用中心、监控中心、控制中心。 软件结构如图2 所示。

图2 软件总体结构图Fig. 2 Overall structure diagram of the software

本文在应用中心以监控管理终端为主，监控中心主要为温湿度监控、煤气浓度、烟雾浓度、电气控制、警报响应等；控制中心主要为实验室监控数据、监控管理数据、数据应用服务、执行控制指令等。 其中，监控中心作为实验室监控智能控制系统的传感网络，能够将实验室相关数据传达到控制中心中，为系统提供更加稳定的运行条件。

2.1 监控目标控制算法

本文在构建的软件整体架构基础上，设计监控目标运动控制算法。 实验室监控以视频为主，在电脑终端上，将视频中的运动目标与背景分开，并对监控目标进行跟踪与控制。 处理监控视频数据流程为：提取监控视频第n帧与n －1 帧，进行差分图像处理与阈值处理，进而得出监控目标的运动控制数据。 差分图像处理公式具体如下：

其中，sn为差分图像的第n帧；sn－1为差分图像的第n －1 帧；sn（x，y） 为第n帧监控目标的运动轨迹；sn－1（x，y）为第n－1 帧监控目标的运动轨迹；t为常数；T（x，y） 为实验室监控视频图像的监控目标；F（x，y） 为监控目标的最终运行控制轨迹；V为运动控制阈值。 当F（x，y）＝1 时，F（x，y） 为监控目标点，T（x，y）为运动背景点；当F（x，y）＝0 时，T（x，y）为监控目标点，F（x，y） 为运动背景点。 最终的智能控制效果则由F（x，y） 的结果而定。 该算法流程如图3 所示。

图3 算法流程图Fig. 3 Flow chart of the algorithm

2.2 实验室监控智能控制数据库

为了实现实验室监控的精准控制，本文在监控目标运动控制算法设计的基础上，建立了实验室监控智能控制数据库。 见表2。

表2 实验室监控智能控制数据库Tab. 2 Laboratory monitoring intelligent control database

由表2 可知，本文选取了登录名称、地址、温湿度监控数据、煤气烟雾浓度、电器控制、状态响应、警报响应等数据，建立了智能控制数据库。 点击对应的数据类型，即可得出相应的数据内容，缩短系统运行时间的基础上，提高智能控制效果。

3 系统测试

为了验证本文设计的系统是否具有实用价值，本文对上述系统进行测试。 在硬件与软件均调试完成的基础上，使整体系统运行正常，即可开始系统运行测试。 最终的测试结果以传统实验室监控智能控制系统，与本文设计的基于CMOS 微处理器的实验室监控智能控制系统进行对比的形式呈现。 具体测试过程及测试结果，将展开研究论述如下。

3.1 测试方案设计

在进行系统测试之前，本文将CMOS 微处理器与HS1101 湿度传感器等硬件进行调试。 将CMOS微处理器按照说明书进行安装之后，处理器上的绿色指示灯亮起，各个接口处并未出现红色指示灯亮起的现象，可以保证CMOS 微处理器运行正常。 将HS1101 湿度传感器按照说明书安装完毕之后，系统能够将实验室内相对湿度控制在0%RH ～100%RH的范围内，电容量从145 pF 变化到200 pF。 因此，在安装好湿度传感器后，本文对系统电容量进行测试，电容量在182 pF 左右，在165 pF ～200 pF 的范围内，可见HS1101 湿度传感器运行正常。 将系统硬件调试完毕后，本文对系统软件进行调试。

3.2 测试过程

本文中，将软件调试串口设定为COM1，波特率为9 600，校验位为NONE，数据位为8，停止位为1。此时，点击软件接收区，并以自动清空的形式进行数据显示界面调试与更改。 调试结束后，点击关闭程序，即可完成软件调试。 软件调试无误后，本文将硬件与软件相连接，出现的系统登录界面如图4 所示。

图4 系统登录界面Fig. 4 Login interface of the system

由图4 可知，系统硬件与软件调试完成后，系统得以正常运行。 在登录界面中，输入正确的用户名、密码、验证码后，点击登录，进入到系统中。 点击智能控制系统中的实验室环境参数监控，得出的界面如图5 所示。

由图5 可知，进入系统后，本文对实验室环境参数进行智能控制。 将实验室温度控制在21.82 ℃左右，湿度控制在2.17%RH 左右，煤气浓度控制在0.05 ppm 左右，烟雾浓度控制在0.08 mg／m3左右。 由此保证实验室内部的基础环境稳定。

在控制实验室电器的过程中，分别对窗帘、电子锁、电源开关等电器进行智能控制。 通过系统终端，将窗帘控制在打开的状态，电子锁控制在关闭的状态，电源开关控制在打开的状态，保证实验室内的科研人员能够迅速进入研究状态。 并将电器智能控制响应时间设定为0.26 ms，最大限度地提高系统控制质量。

在实验室完成研究之后，对实验室情况进行最终检查，电子锁为关闭的状态，状态查看响应时间为0.14 ms；语音警报未触发，响应时间为0.08 ms；服务器为错误状态，亟需进行处理，警报响应时间为0.05 ms。经过实验室环境、电器、状态等控制，可以保证系统运行正常。

3.3 测试结果

在上述测试条件下，本文选取出8 种系统测试条件，每个监控内容均存在一个标准控制结果。 在其他条件均一致的情况下，本文将传统实验室监控智能控制系统的控制结果，与本文设计的基于CMOS 微处理器的实验室监控智能控制系统的控制结果进行对比。 具体测试结果见表3。

表3 测试结果Tab. 3 Test results

由表3 可知，本文选取出实验室温度、湿度、煤气浓度、烟雾浓度、电气控制响应时间、电子锁状态查看响应时间、语音警报响应时间、服务器错误警报响应时间等实验室智能监控内容作为系统测试条件，每一个测试内容均对应着标准值。 在其他条件均一致的情况下，传统实验室监控智能控制系统的控制结果，与标准控制结果相差较多，响应时间、温度、湿度、浓度等智能控制结果与标准控制结果相差得越多，系统运行能力越弱，智能控制效果随之下降。 而本文设计的基于CMOS 微处理器的实验室监控智能控制系统的控制结果，与标准控制结果相差较少，响应时间、温度、湿度、浓度等智能控制结果与标准控制结果相差较小，煤气浓度、烟雾浓度、语音警报响应时间等监控内容的智能控制结果，与标准控制结果一致，可以保证系统运行能力，智能控制水平较高，符合本文研究目的。

4 结束语

为了使实验室环境更加符合科研需求，本文设计了基于CMOS 微处理器的实验室监控智能控制系统，通过硬件设计与软件设计两方面，实现实验室监控智能控制，为科研事业的发展提供基础条件。