利用虛擬儀器設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)化溫室測控系統(tǒng)

1  引言

　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷提高，現(xiàn)代測控系統(tǒng)正向儀器的自動化、智能化、小型化和網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。虛擬儀器(Virtual Instrument簡稱VI)的出現(xiàn)給現(xiàn)代測控技術(shù)帶來了一場革命，它利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的強(qiáng)大功能結(jié)合相應(yīng)的軟件，大大突破了傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)處理、顯示、傳送、存儲方面的限制。虛擬儀器技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的融合，使虛擬儀器系統(tǒng)更加突破了傳統(tǒng)的測量理念，使測量數(shù)據(jù)得到了真正意義上的共享，使遠(yuǎn)程測量得以實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)的溫室測控系統(tǒng)往往在現(xiàn)場操作，對溫室監(jiān)測受到地域的限制，為此我們利用虛擬儀器技術(shù)設(shè)計(jì)了網(wǎng)絡(luò)化溫室測控系統(tǒng)，使遠(yuǎn)程客戶端通過局域網(wǎng)或Internet也能對溫室進(jìn)行監(jiān)測和控制，從而實(shí)現(xiàn)了真正意義上的虛擬儀器。

　　2  網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器技術(shù)

    網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器也稱為虛擬儀器網(wǎng)絡(luò)化[1]，其一般特征是指將虛擬儀器、昂貴的外部設(shè)備、被測試點(diǎn)以及數(shù)據(jù)庫等資源納入網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)資源共享，共同完成測試任務(wù)。使用網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器，人們可以在任何地點(diǎn)、任何時(shí)間獲得測量信息或數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)化的虛擬儀器也適合異地或遠(yuǎn)程監(jiān)測、數(shù)據(jù)采集、故障檢測、報(bào)警等。

    網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器將傳統(tǒng)儀器由單臺計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的三大功能：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析以及圖形化顯示分開處理，分別使用獨(dú)立的硬件模塊實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)儀器的三大功能，以網(wǎng)線相連接，測試網(wǎng)絡(luò)的功能將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于系統(tǒng)中各部分的獨(dú)立功能。根據(jù)具體的工程實(shí)踐需要，可以構(gòu)成各種樣式的網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器。

    網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器由以下幾部分組成：網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)、虛擬儀器(有網(wǎng)絡(luò)測試功能)、分散的I/O系統(tǒng)模塊、數(shù)據(jù)采集卡和控制器。目前通用的虛擬儀器平臺通常具有很多網(wǎng)絡(luò)方面的功能，這樣使得建立網(wǎng)絡(luò)虛擬儀器更加容易和方便，而不必去學(xué)習(xí)復(fù)雜的TCP/IP傳輸協(xié)議。隨著測試系統(tǒng)越來越龐大，測試節(jié)點(diǎn)或PC機(jī)的分布廣泛，需要分散的I/O系統(tǒng)模塊。此類系統(tǒng)模塊提供3種類型的元件：I/O模塊、接線座、網(wǎng)絡(luò)模塊，為工業(yè)檢測和控制應(yīng)用提供了最經(jīng)濟(jì)的解決策略。用戶可以通過以太網(wǎng)將這些模塊集成到已有的虛擬儀器系統(tǒng)中或與RS-232, RS-485等串行設(shè)備通信連接。網(wǎng)絡(luò)測試中的數(shù)據(jù)采集卡( DAQ)必須帶有遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)設(shè)備訪問的驅(qū)動軟件(RDA)，這樣才能實(shí)現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)上的資源共享。網(wǎng)絡(luò)測試中所使用的儀器必須是帶有網(wǎng)絡(luò)功能的控制器，即GPIB-ENET。

　　3  系統(tǒng)構(gòu)成

　　3.1系統(tǒng)的硬件配置

    網(wǎng)絡(luò)化溫室測控系統(tǒng)硬件由溫度傳感器、濕度傳感器、光照傳感器、數(shù)據(jù)采集板、集線器、Datasocket服務(wù)器和遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)等構(gòu)成。如圖1所示。其中溫度傳感器選用 JWSL溫度變送器，濕度傳感器為JWSL濕度變送器，光照傳感器選用北京昆侖海岸傳感技術(shù)中心生產(chǎn)的ZD-VB照度變送器，數(shù)據(jù)采集板選擇了美國NI公司生產(chǎn)的插入式數(shù)據(jù)采集板PCI6024E。

　　圖1  系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖
 
　　本系統(tǒng)用溫度傳感器、濕度傳感器和光照傳感器對溫室內(nèi)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并傳送給PCI6024E數(shù)據(jù)采集板，并由其將采集的電信號數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可以識別的數(shù)字信號，進(jìn)入預(yù)先編制好的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析處理程序，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、顯示、實(shí)時(shí)傳送和分析，同時(shí)利用以太網(wǎng)接口，通過通訊和數(shù)據(jù)發(fā)布模塊，實(shí)現(xiàn)與其他分析系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)。

　　3.2系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

　　虛擬儀器的提出和實(shí)現(xiàn)帶來測控技術(shù)的一次革命，人們開始接受這一全新的儀器概念。LabVIEW作為適時(shí)推出的一個優(yōu)秀測控軟件開發(fā)平臺和虛擬儀器構(gòu)建環(huán)境，得到了廣泛的推廣和應(yīng)用。

　　LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench，實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工程平臺)是由美國國家儀器公司(National Instruments，簡稱NI)研制的基于圖形化編程語言G的開發(fā)環(huán)境。它結(jié)合了簡單易用的圖形式開發(fā)環(huán)境與靈活強(qiáng)大的編程語言，提供了一個直覺式的環(huán)境，與測量硬件緊密結(jié)合，能讓用戶迅速開發(fā)出滿足用戶需求的各種虛擬儀器系統(tǒng)。使用LabVIEW進(jìn)行原理研究、設(shè)計(jì)、測試并實(shí)現(xiàn)儀器系統(tǒng)，可以縮短系統(tǒng)的開發(fā)時(shí)間，大大地提高了生產(chǎn)效率[2]。因此，本系統(tǒng)的應(yīng)用軟件均是基于LabVIEW平臺來開發(fā)和實(shí)現(xiàn)的。系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　圖2系統(tǒng)軟件模塊構(gòu)成

　　系統(tǒng)的各個軟件模塊都是在LabVIEW7.1環(huán)境下開發(fā)的。利用虛擬儀器技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化溫室測控系統(tǒng)由以下幾個模塊組成：(1)參數(shù)設(shè)置模塊；(2)數(shù)據(jù)采集模塊；(3)數(shù)據(jù)處理模塊；(4)遠(yuǎn)程控制模塊；(5)系統(tǒng)幫助模塊。各個模塊之間是相互獨(dú)立的。這對于軟件的設(shè)計(jì)和日后升級改進(jìn)都很有用處，保證了各個模塊開發(fā)的獨(dú)立性。參數(shù)設(shè)置模塊負(fù)責(zé)待測參數(shù)、采集通道號、采樣間隔、報(bào)警和溫室內(nèi)控制設(shè)備等參數(shù)的設(shè)定，數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)對溫度、濕度和光照信號的收集；數(shù)據(jù)處理模塊負(fù)責(zé)對被測信號的數(shù)字濾波、異常信號剔除和數(shù)值轉(zhuǎn)換；遠(yuǎn)程控制模塊負(fù)責(zé)遠(yuǎn)程客戶端能實(shí)現(xiàn)對溫室的監(jiān)測和控制；系統(tǒng)幫助模塊給操作者提供系統(tǒng)的功能及如何操作等相關(guān)內(nèi)容

　　3.3 網(wǎng)絡(luò)化測控

　　LabVIEW強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通信功能使得用戶可以很容易地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程測控，本系統(tǒng)選用DataSocket技術(shù)來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程測控。DataSocket 就是NI提供的一種編程工具，借助它可以在不同的應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)源之間傳遞數(shù)據(jù)。DataSocket可以訪問本地文件以及HTTP和FTP服務(wù)器上的數(shù)據(jù)，DataSocket為低層通訊協(xié)議提供了一致的API(應(yīng)用編程接口)，編程者無需為不同的數(shù)據(jù)格式和通訊協(xié)議編寫具體的程序代碼，而且這些數(shù)據(jù)源可以分布在不同的計(jì)算機(jī)上。

　　DataSocket使用一種增強(qiáng)數(shù)據(jù)類型來交換儀器類型的數(shù)據(jù)，這種數(shù)據(jù)類型包括數(shù)據(jù)特性(如采樣率、操作者姓名、時(shí)間及采樣精度等)和實(shí)際測試數(shù)據(jù)。DataSocket用類似于Web中的統(tǒng)一資源定位器(URL)定位數(shù)據(jù)源，URL不同的前綴表示了不同的數(shù)據(jù)類型，file表示本地文件， http為超文本傳輸資源，ftp為文件傳輸協(xié)議，OPC (OLE for Process Control)表示訪問的資源是OPC服務(wù)器，dstp(DataSocket Transfer Protocol)則說明數(shù)據(jù)來自DataSocket服務(wù)器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)[3,4]。

　　利用DataSocket技術(shù)分別編寫服務(wù)器端與客戶端軟件，具體步驟如下：先將服務(wù)器前面板的各控件的DataSocket連接屬性進(jìn)行設(shè)置，編好服務(wù)器程序；然后將將服務(wù)器端前面板的所有控件復(fù)制到一個新的VI中，即客戶端前面板與服務(wù)器端前面板完全相同；由于DataSocket只能傳遞控件的數(shù)據(jù)(控件對應(yīng)變量的值)，而不能傳遞控件的屬性，因此客戶端根據(jù)控件值的變化而引起的控件屬性的變化的特點(diǎn)來編好客戶端程序。這樣就可以實(shí)現(xiàn)客戶端與服務(wù)器端的前面板運(yùn)行變化完全相同，即客戶端不僅可以顯示出服務(wù)器端前面板顯示的溫室的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和控件狀態(tài)，而且可以控制服務(wù)器端面板上的控件動作，從而達(dá)到對溫室進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化測控的目的。

　　4  結(jié)束語

　　將網(wǎng)絡(luò)技術(shù)引入測控領(lǐng)域，不僅是虛擬儀器發(fā)展的必然，也是很多測控任務(wù)的要求。通過網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器，人們不僅可以共享測量數(shù)據(jù)，而且可以構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)化測控系統(tǒng)，從而可以在更大范圍內(nèi)提高人們的測控效率。實(shí)踐證明，LabVIEW7.1開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)化溫室遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)利用虛擬儀器、網(wǎng)絡(luò)把現(xiàn)有的軟、硬件資源和網(wǎng)絡(luò)帶來的各種好處充分利用起來，實(shí)現(xiàn)各種資源最有效、最合理的配置，適應(yīng)了網(wǎng)絡(luò)化的需要，具有廣闊的應(yīng)用前景。