温泉水温智能监控系统
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摘要：为了在无需重新布线的条件下对传统的温泉的水温控制方式进行改进，文章提出了以AT89S51单片机为控制核心，并与变频器、数字温度传感器DSl8820、无线射频模块、液晶相结合的一主多从，主站与多从站采用无线双向传输的多点温度监控系统，同时，为了克服系统大惯性、时滞等的影响，从站控制采用模糊PID智能控制，表明引入模糊PID算法的水温控制系统能满足既定的控制要求，控制器响应快，超调量小，精度高，所研究的无线通信协议对从站扩展性强，传输效率高。
关键词：温度监控；无线通信；模糊PID
中图分类号：TP302 文献标识码：A 文章编号：1009-2374(2011)07-0051-02
目前我国就温泉水温控制的研究还相当少，在最近兴起的温泉疗养池中，在给定了各种功效疗养池的水温范围时，基本上是依据工作人员的个人经验，手动或是半自动地对温泉池的水温进行被动的控制，无法做出较为精确的判断，当然就无法主动创造出适宜某种疗效的最适宜水温环境，本课题主要是利用温泉泉眼热水作为热源，设计一套以单片机为核心的一主多从，主站与多从站采用无线双向传输的多点温度监控系统，实现温度自动监控，该系统从站能够将从泉眼中抽出的温度较高的地热水与冷水进行热交换，通过控制冷水的流量大小，从而自动控制温泉池的温度达到设定的值范围内，同时主站可以通过设定温度等控制指令，完成监控系统的工作。
一、系统组成及工作原理
系统的工艺过程是以江垭温泉为参考，从泉眼出来的地热水常年温度基本恒定、流量基本恒定，由于地热水不便储存这一特点，所以把从泉眼流出的热水全部引入各温泉疗养池，通过电磁阀开关控制使流入每个温泉疗养池的热水流量基本恒定，控制器根据各池设定温度与实际温度的偏差，采用智能控制方式主要调节冷水注入量，不断循环从而达到温泉疗养池水温的动态平衡。
本课题所研究的监控系统结构上可以分为两层，由主站(上位机)构成用户监控层，从站(下位机)构成分机测控层。主站与从站采用主从式分布结构，通过无线通信方式进行通信。本系统硬件设计的总体框架如图1所示，核心控制芯片采用89s51单片机，控制数字温度传感器DS18820组成温度采集网络完成数据的采集，同时通过液晶屏LED1602显示实际温度和设定温度，控制无线收发模块NRF401发送给主站接收端，主站接收端通过无线收发模块NRF401接收从站发送的温度数据并显示，主站亦可通过无线收发模块NRF401发送控制命令，各从站通过无线收发模块NRF401接收主站的控制命令修改温度设定值，同时对执行机构做相应的调整，实现多点温度的显示和控制。
二、系统软件流程设计
本监控系统主站和从站实现的功能不同，主站主要实现监视并可设置各从站温度值，从站主要实现温度采集与控制，因此在软件设计部分，主站部分和从站部分的软件程序显然不同，将分别设计。
(一)水温监控系统主站主程序
主站程序流程框图如图2所示，首先进行系统初始化，完成对外部可编程模块如无线收发模块NRF401、液晶显示模块的初始化，打开中断、打开串行中断并设置串行通信参数、打开定时中断并设置串行通信参数。没有中断的时候，系统等待并执行显示程序、当有中断需要响应的时候，单片机进入对于的中断服务子程序，向从站发送温度设定参数、等从站接收到完数据后、将主站置为接收方式、接收从站发送回来的温度数据，中断返回以后系统等待并执行显示程序直到响应新的中断。
(二)水温监控系统从站主程序
从站程序流程框图如图3所示，本系统从站主要实现温度采集与控制、同时还需将所测温度值发送给主站。从站主程序首先进行系统初始化，完成对DS18820、液晶模块LCD1602的初始化，打开中断、打开串行中断并设置串行通信参数。然后执行主要功能如读取数字温度传感器DS18820进行温度采集、计算温度偏差值对系统进行模糊PID调制，接收主站命令并将采集温度值发送给主站实时显示。
(三)无线串行通信协议
由于本监控系统采用一主多从无线双向传输通信方式，为了增加监测距离，每个从站节点增加信息的转发功能，从站转发功能的示意图如图4所示，从站节点B的温度监测数据，能够自动通过从站节点A转发，以增加主站与从站B之间的探测距离d+d1，转发功能能够自动识别完成，无需手动设置，且监控节点A、B之间可以互换位置，因此程序设计过程中必须设置合理的通信协议才能准确地实现主站与某一从机站进行数据通信。
本监控系统通信协议如下：
第一，主站向某一从站发温度设定值同时要求从站返回测量值。主站传送数据共6个字节，其数据格式为：FF AA XX SS WW kk
其中，FF AA为同步信号，从站接收到此数据后才对后续数据进行处理，否则，从站不对后续数据进行处理；xx为从站编号与该编号对应的从站进行后续数据处理，编号不对则不进行后续数据处理；ss为从站发送数据给主站和接收主站温度设定值选项，SS=0，表示从站只需把温度测量值发送给主站，无需对设定值进行修改；SS=1，表示从站需修改温度设定值(ww)，同时还需将温度测量值发送给主站；ww为主站发送给从站的温度设定值；Kk为奇偶校验位。
第二，从站向主站发送温度测量值。从站传送数据共6个数据，其数据格式为：FF AA xx ss MM LL kk。
其中，FF AA为同步信号；xx为从站编号；ss为小数点位数，SS=0表示没有小数点，1表示一位小数点；MMLL表示温度测量数据的高位和低位字节；Kk为奇偶校验位。
三、结语
通过对监控系统的模拟实验与分析，表明引入模糊PID算法的水温控制系统能满足既定的控制要求，控制器响应快，超调量小，精度高，所研究的无线通信协议对从站扩展性强，传输效率高，它不仅可以用于多点温度控制，而且可以推广到其他领域，因此具有广泛的应用前景。