虛擬儀器+網(wǎng)絡實現(xiàn)溫室測控系統(tǒng)

1 引言

　虛擬儀器技術(shù)與網(wǎng)絡技術(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，使遠程測量得以實現(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)設計了網(wǎng)絡化溫室測控系統(tǒng)，使遠程客戶端通過局域網(wǎng)或Internet也能對溫室進行監(jiān)測和控制，從而實現(xiàn)了真正意義上的虛擬儀器。

　　2 網(wǎng)絡化虛擬儀器技術(shù)

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

　　網(wǎng)絡化虛擬儀器將傳統(tǒng)儀器由單臺計算機實現(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，分別使用獨立的硬件模塊實現(xiàn)傳統(tǒng)儀器的三大功能，以網(wǎng)線相連接，測試網(wǎng)絡的功能將遠遠大于系統(tǒng)中各部分的獨立功能。根據(jù)具體的工程實踐需要，可以構(gòu)成各種樣式的網(wǎng)絡化虛擬儀器。

　　網(wǎng)絡化虛擬儀器由以下幾部分組成：網(wǎng)絡操作系統(tǒng)、虛擬儀器(有網(wǎng)絡測試功能)、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)絡方面的功能，這樣使得建立網(wǎng)絡虛擬儀器更加容易和方便，而不必去學習復雜的TCP/IP傳輸協(xié)議。隨著測試系統(tǒng)越來越龐大，測試節(jié)點或PC機的分布廣泛，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)絡模塊，為工業(yè)檢測和控制應用提供了最經(jīng)濟的解決策略。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等串行設備通信連接。網(wǎng)絡測試中的數(shù)據(jù)采集卡( DAQ)必須帶有遠端數(shù)據(jù)設備訪問的驅(qū)動軟件(RDA)，這樣才能實現(xiàn)在網(wǎng)絡上的資源共享。網(wǎng)絡測試中所使用的儀器必須是帶有網(wǎng)絡功能的控制器，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服務器和遠程計算機等構(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)的實時數(shù)據(jù)進行采集并傳送給PCI6024E數(shù)據(jù)采集板，并由其將采集的電信號數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為計算機可以識別的數(shù)字信號，進入預先編制好的實時數(shù)據(jù)分析處理程序，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、顯示、實時傳送和分析，同時利用以太網(wǎng)接口，通過通訊和數(shù)據(jù)發(fā)布模塊，實現(xiàn)與其他分析系統(tǒng)或網(wǎng)絡的互聯(lián)。3.2系統(tǒng)的軟件設計

　　虛擬儀器的提出和實現(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用。

　　LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench，實驗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進行原理研究、設計、測試并實現(xiàn)儀器系統(tǒng)，可以縮短系統(tǒng)的開發(fā)時間，大大地提高了生產(chǎn)效率[2]。因此，本系統(tǒng)的應用軟件均是基于LabVIEW平臺來開發(fā)和實現(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)絡化溫室測控系統(tǒng)由以下幾個模塊組成：(1)參數(shù)設置模塊;(2)數(shù)據(jù)采集模塊;(3)數(shù)據(jù)處理模塊;(4)遠程控制模塊;(5)系統(tǒng)幫助模塊。各個模塊之間是相互獨立的。這對于軟件的設計和日后升級改進都很有用處，保證了各個模塊開發(fā)的獨立性。參數(shù)設置模塊負責待測參數(shù)、采集通道號、采樣間隔、報警和溫室內(nèi)控制設備等參數(shù)的設定，數(shù)據(jù)采集模塊負責對溫度、濕度和光照信號的收集;數(shù)據(jù)處理模塊負責對被測信號的數(shù)字濾波、異常信號剔除和數(shù)值轉(zhuǎn)換;遠程控制模塊負責遠程客戶端能實現(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)絡化測控

　　LabVIEW強大的網(wǎng)絡通信功能使得用戶可以很容易地實現(xiàn)遠程測控，本系統(tǒng)選用DataSocket技術(shù)來實現(xiàn)遠程測控。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服務器上的數(shù)據(jù)，DataSocket為低層通訊協(xié)議提供了一致的API(應用編程接口)，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算機上。

　　DataSocket使用一種增強數(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、時間及采樣精度等)和實際測試數(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服務器，dstp(DataSocket Transfer Protocol)則說明數(shù)據(jù)來自DataSocket服務器的實時數(shù)據(jù)[3,4]。

　　利用DataSocket技術(shù)分別編寫服務器端與客戶端軟件，具體步驟如下：先將服務器前面板的各控件的DataSocket連接屬性進行設置，編好服務器程序;然后將將服務器端前面板的所有控件復制到一個新的VI中，即客戶端前面板與服務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來編好客戶端程序。這樣就可以實現(xiàn)客戶端與服務器端的前面板運行變化完全相同，即客戶端不僅可以顯示出服務器端前面板顯示的溫室的實時數(shù)據(jù)和控件狀態(tài)，而且可以控制服務器端面板上的控件動作，從而達到對溫室進行網(wǎng)絡化測控的目的。

　　4 結(jié)束語

　　將網(wǎng)絡技術(shù)引入測控領(lǐng)域，不僅是虛擬儀器發(fā)展的必然，也是很多測控任務的要求。通過網(wǎng)絡化虛擬儀器，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。