利用虛擬儀器設計的網(wǎng)絡(luò )化溫室測控

1 引言
隨著(zhù)計算機技術(shù)的不斷提高，現代測控系統正向儀器的自動(dòng)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(jiǎn)稱(chēng)VI)的出現給現代測控技術(shù)帶來(lái)了一場(chǎng)革命，它利用計算機系統的強大功能結合相應的軟件，大大突破了傳統儀器在數據處理、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，使虛擬儀器系統更加突破了傳統的測量理念，使測量數據得到了真正意義上的共享，使遠程測量得以實(shí)現。傳統的溫室測控系統往往在現場(chǎng)操作，對溫室監測受到地域的限制，為此我們利用虛擬儀器技術(shù)設計了網(wǎng)絡(luò )化溫室測控系統，使遠程客戶(hù)端通過(guò)局域網(wǎng)或Internet也能對溫室進(jìn)行監測和控制，從而實(shí)現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(chēng)為虛擬儀器網(wǎng)絡(luò )化[1]，其一般特征是指將虛擬儀器、昂貴的外部設備、被測試點(diǎn)以及數據庫等資源納入網(wǎng)絡(luò )，實(shí)現資源共享，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據。網(wǎng)絡(luò )化的虛擬儀器也適合異地或遠程監測、數據采集、故障檢測、報警等。
網(wǎng)絡(luò )化虛擬儀器將傳統儀器由單臺計算機實(shí)現的三大功能：數據采集、數據分析以及圖形化顯示分開(kāi)處理，分別使用獨立的硬件模塊實(shí)現傳統儀器的三大功能，以網(wǎng)線(xiàn)相連接，測試網(wǎng)絡(luò )的功能將遠遠大于系統中各部分的獨立功能。根據具體的工程實(shí)踐需要，可以構成各種樣式的網(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、虛擬儀器(有網(wǎng)絡(luò )測試功能)、分散的I/O系統模塊、數據采集卡和控制器。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)習復雜的TCP/IP傳輸協(xié)議。隨著(zhù)測試系統越來(lái)越龐大，測試節點(diǎn)或PC機的分布廣泛，需要分散的I/O系統模塊。此類(lèi)系統模塊提供3種類(lèi)型的元件：I/O模塊、接線(xiàn)座、網(wǎng)絡(luò )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(hù)可以通過(guò)以太網(wǎng)將這些模塊集成到已有的虛擬儀器系統中或與RS-232, RS-485等串行設備通信連接。網(wǎng)絡(luò )測試中的數據采集卡( DAQ)必須帶有遠端數據設備訪(fǎng)問(wèn)的驅動(dòng)軟件(RDA)，這樣才能實(shí)現在網(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 系統構成
3.1系統的硬件配置
網(wǎng)絡(luò )化溫室測控系統硬件由溫度傳感器、濕度傳感器、光照傳感器、數據采集板、集線(xiàn)器、Datasocket服務(wù)器和遠程計算機等構成。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，數據采集板選擇了美國NI公司生產(chǎn)的插入式數據采集板PCI6024E。

　　圖1 系統硬件結構圖

　　本系統用溫度傳感器、濕度傳感器和光照傳感器對溫室內的實(shí)時(shí)數據進(jìn)行采集并傳送給PCI6024E數據采集板，并由其將采集的電信號數據轉換為計算機可以識別的數字信號，進(jìn)入預先編制好的實(shí)時(shí)數據分析處理程序，實(shí)現數據的采集、顯示、實(shí)時(shí)傳送和分析，同時(shí)利用以太網(wǎng)接口，通過(guò)通訊和數據發(fā)布模塊，實(shí)現與其他分析系統或網(wǎng)絡(luò )的互聯(lián)。
3.2系統的軟件設計
虛擬儀器的提出和實(shí)現帶來(lái)測控技術(shù)的一次革命，人們開(kāi)始接受這一全新的儀器概念。LabVIEW作為適時(shí)推出的一個(gè)優(yōu)秀測控軟件開(kāi)發(fā)平臺和虛擬儀器構建環(huán)境，得到了廣泛的推廣和應用。
LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench，實(shí)驗室虛擬儀器工程平臺)是由美國國家儀器公司(National Instruments，簡(jiǎn)稱(chēng)NI)研制的基于圖形化編程語(yǔ)言G的開(kāi)發(fā)環(huán)境。它結合了簡(jiǎn)單易用的圖形式開(kāi)發(fā)環(huán)境與靈活強大的編程語(yǔ)言，提供了一個(gè)直覺(jué)式的環(huán)境，與測量硬件緊密結合，能讓用戶(hù)迅速開(kāi)發(fā)出滿(mǎn)足用戶(hù)需求的各種虛擬儀器系統。使用LabVIEW進(jìn)行原理研究、設計、測試并實(shí)現儀器系統，可以縮短系統的開(kāi)發(fā)時(shí)間，大大地提高了生產(chǎn)效率[2]。因此，本系統的應用軟件均是基于LabVIEW平臺來(lái)開(kāi)發(fā)和實(shí)現的。系統的軟件結構如圖2所示。

　　圖2系統軟件模塊構成

系統的各個(gè)軟件模塊都是在LabVIEW7.1環(huán)境下開(kāi)發(fā)的。利用虛擬儀器技術(shù)的網(wǎng)絡(luò )化溫室測控系統由以下幾個(gè)模塊組成：(1)參數設置模塊；(2)數據采集模塊；(3)數據處理模塊；(4)遠程控制模塊；(5)系統幫助模塊。各個(gè)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(jìn)都很有用處，保證了各個(gè)模塊開(kāi)發(fā)的獨立性。參數設置模塊負責待測參數、采集通道號、采樣間隔、報警和溫室內控制設備等參數的設定，數據采集模塊負責對溫度、濕度和光照信號的收集；數據處理模塊負責對被測信號的數字濾波、異常信號剔除和數值轉換；遠程控制模塊負責遠程客戶(hù)端能實(shí)現對溫室的監測和控制；系統幫助模塊給操作者提供系統的功能及如何操作等相關(guān)內容
3.3 網(wǎng)絡(luò )化測控
LabVIEW強大的網(wǎng)絡(luò )通信功能使得用戶(hù)可以很容易地實(shí)現遠程測控，本系統選用DataSocket技術(shù)來(lái)實(shí)現遠程測控。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據源之間傳遞數據。DataSocket可以訪(fǎng)問(wèn)本地文件以及HTTP和FTP服務(wù)器上的數據，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(wú)需為不同的數據格式和通訊協(xié)議編寫(xiě)具體的程序代碼，而且這些數據源可以分布在不同的計算機上。
DataSocket使用一種增強數據類(lèi)型來(lái)交換儀器類(lèi)型的數據，這種數據類(lèi)型包括數據特性(如采樣率、操作者姓名、時(shí)間及采樣精度等)和實(shí)際測試數據。DataSocket用類(lèi)似于Web中的統一資源定位器(URL)定位數據源，URL不同的前綴表示了不同的數據類(lèi)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(fǎng)問(wèn)的資源是OPC服務(wù)器，dstp(DataSocket Transfer Protocol)則說(shuō)明數據來(lái)自DataSocket服務(wù)器的實(shí)時(shí)數據[3,4]。
利用DataSocket技術(shù)分別編寫(xiě)服務(wù)器端與客戶(hù)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制到一個(gè)新的VI中，即客戶(hù)端前面板與服務(wù)器端前面板完全相同；由于DataSocket只能傳遞控件的數據(控件對應變量的值)，而不能傳遞控件的屬性，因此客戶(hù)端根據控件值的變化而引起的控件屬性的變化的特點(diǎn)來(lái)編好客戶(hù)端程序。這樣就可以實(shí)現客戶(hù)端與服務(wù)器端的前面板運行變化完全相同，即客戶(hù)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)數據和控件狀態(tài)，而且可以控制服務(wù)器端面板上的控件動(dòng)作，從而達到對溫室進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )化測控的目的。
4 結束語(yǔ)
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(guò)網(wǎng)絡(luò )化虛擬儀器，人們不僅可以共享測量數據，而且可以構建網(wǎng)絡(luò )化測控系統，從而可以在更大范圍內提高人們的測控效率。實(shí)踐證明，LabVIEW7.1開(kāi)發(fā)的網(wǎng)絡(luò )化溫室遠程測控系統利用虛擬儀器、網(wǎng)絡(luò )把現有的軟、硬件資源和網(wǎng)絡(luò )帶來(lái)的各種好處充分利用起來(lái)，實(shí)現各種資源最有效、最合理的配置，適應了網(wǎng)絡(luò )化的需要，具有廣闊的應用前景。

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