基于LabVIEW的实验室远程监控系统设计与实现.docx
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基于LabVIEW的实验室远程监控系统设计与实现
基于LabVIEW的实验室远程监控系统设计与实现
基于LabVIEW的实验室远程监控系统设计与实现(毕业设计)
名目
基于LabVIEW的实验室远程监控系统设计与实现
摘要
虚拟仪器本质上是以软件取代部分硬件功能,充分利用运算机的软硬件资源,来完成各种测试、测量和自动化应用的集成系统。
远程虚拟仪器是虚拟仪器在网络领域的拓展,它能从与Internet相连的远端获得动态数据或将操纵信号传送到远端,使在本地PC机上监控远端成为可能,通过远程虚拟仪器技术使信号采集、传输和处理实现了一体化。
如何实现基于Web的远程可视化测控并将之应用于远程实验教学正是本文讨论的重点。
本文详细介绍了一个远程传感器实验室监控系统的整体方案和软硬件系统设计。
针对传感器实验室的教学特点,本系统要紧分为两部分:
1.实验室环境的可视化远程监控,包括环境温度、湿度量实时显示和消防、红外、门状态等报警器状态的监控,照明与空调开关操纵,以及实验室图像的远程实时显示;2.远程可视化实验项目开发,包括:
自动称重系统仿真实验、转子台转速测控等多个传感器相关实验。
本系统软件部分采纳美国国家仪器(NI)公司的LabVIEW图形化编辑语言开发完成,重点解决了基于Datasocket技术的数据远程传输、图像压缩传输、远程用户数据库治理等技术问题。
硬件部分则使用NI公司的PCI-6251数据采集卡,实现对实验室现场实时数据的采集和处理。
目前,该网络虚拟实验室系统已能在校园网内运行,实现了差不多功能,为师生提供了一个基于网络的实验教学、技术交流以及共同学习研究的平台,从而使实验室中的硬件仪器得以共享。
随着其功能的进一步完善,它必将在今后的远程实验教学中发挥更大的作用。
同时系统软件采纳生产者-消费者的结构设计实现了多线程运行,基于队列的状态机和事件结构也保证了用户需求的实时响应,实验项目的模块化设计保证了代码的可重用性和系统功能的可扩展性强,因此在远程实验教学方面具有宽敞的应用前景和推广价值。
同时对工业现场的可视化远程监控也具有一定的借鉴作用。
关键词:
虚拟仪器;远程监控;远程实验;可视化;LabVIEW
Abstract
TheVirtualInstrumentisessentiallyreplacingsomeofthehardwaremodulesbysoftware.Itisanintegratedsystemwhichmakesfulluseofcomputerhardwareandsoftwareresourcetocompletevarioustests,measurementsandautomaticapplications.TheRemoteVirtualInstrumentsisthevirtualinstrumentexpansioninthefieldofnetwork.ItenablesdynamicdataandcontrolsignalstransmissionfromaremoteterminalwhichconnectstotheInternetandmakeitpossibletomonitoraremoteterminalfromalocalPC.BasedonRemotevirtualinstrumenttechnology,signalacquisition,transmissionandprocessingcanbeintegratedtoonesystem.HowtoimplementaremoteWeb-based,visualizedmonitoringandcontrollingsystemandhowtoapplyittoremoteexperimentalteachingarethemajorpointsofthispaper.
Thispaperdescribesindetailsabouttheoverallscheme,hardwareandsoftwaresystemdesignofaremotesensormonitoringsystem.Accordingtothefeaturesoftheteachingsensorlaboratory,thesystemisdividedintotwoparts:
1.Laboratoryvisualizedmonitoringforremoteenvironment,includingthereal-timedisplayoftemperatureandhumidity,monitoringthestatusofthealarmforfire,infrared,doorstatus,thecontrollingtheswitchesoflightsandairconditionersandthereal-timedisplayforremotelaboratoryimages.2.Remotevisualizedexperimentalprojectdevelopment,including:
automaticweighingsystemsimulation,multisensorsexperimentfortherotorspeedmeasurementandcontrol.
ThesoftwareofsystemusesthegraphicaleditinglanguageprovidedbyNationalInstruments(NI)'sLabVIEW.BasedontheDatasockettechnology,thefocusofthissystemistosolvetheremotedatatransmission,imagecompressionandtransmission,remoteuserdatabasemanagementandothertechnicalissues.Toachievethegoal,auniversalserialportmulti-functiondataacquisitioncardisdesignedfromthepointofhardware.ThehardwareofsystemusesPCI-6251DAQcardbyNationalInstrumentstoachievereal-timedataacquisitionandprocessingonthelaboratorysite.Currently,theVirtualLaboratorysystemhasbeenabletooperatewithinthecampusnetwork.Thebasicfunctionsareachievedtoprovidetheteachersandstudentsaweb-basedteaching,researchandtechnologicalexchangesandjointlearningplatformsothatthelaboratoryhardwaredevicescanbeshared.Withthefurtherimprovementofitsfunction,itwillplayagreaterroleintheremoteexperimentalteachingareainthefuture.
Thesoftwareofthesystemadoptsaproducer-consumerdesignstructureandimplementsamulti-threadsrunmechanism.Therunstatemachinebasedonqueueandeventstructureensurestheuserreal-timeresponserequirements.Themodulardesignofthetestingprojectalsoensuresthecodereusabilityandmakesthesystemveryextendable.Therefore,thissystemhasbroadprospectsandpromotionalvalueintheremoteexperimentteaching.Meanwhile,thissystemalsohassomereferenceforthevisualremotemonitoringatindustrialfields.
Keywords:
VirtualInstrument;RemoteMonitoring;RemoteExperiment;Visualization;LabVIEW
第1章绪论
1.1课题的来源和意义
本课题来源于常州信息职业技术学院国家示范院校建设项目传感器实验室改造及网络课程建设项目。
其目的是基于虚拟仪器技术以及Internet技术构建实验室远程监控系统。
虚拟仪器技术的显现,专门是其基于Web的远程网络技术的进展为解决上述问题,提供了新的途径。
所谓虚拟仪器,确实是用户在通用运算机平台上,依照需求定义和设计仪器的测试功能,使得使用者在操作这台虚拟仪器时,就像是在操作一台他自己设计的测试仪器一样。
LabVIEW(LaboratoryVirtualinstrumentEngineeringWorkbench)是当今世界应用最广泛的图形化虚拟仪器开发环境,被视为一个标准的数据采集和仪器操纵软件。
LabVIEW集成了与满足GPIB、VXI、RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。
它还内置了便于应用TCP/IP、ActiveX等软件标准的库函数。
这是一个功能强大且灵活的软件。
利用它能够方便地将网络技术与虚拟技术结合起来,构成了网络化虚拟仪器系统。
基于LabVIEW的实验室远程监控系统的研究不仅为远程实验教学建立了平台,利用虚拟仪器技术与运算机网络相结合还能够实现对仪器设备的远程、分布式操纵,在教育、科研等领域中具有宽敞的进展空间和应用前景。
同时,本课题的研究对工业现场实现数据采集和公布的集成也有着积极意义。
1.2国内外研究现状及展望
从虚拟仪器概念提出至今,有关虚拟仪器技术的研究方兴未艾。
研究人员在虚拟仪器硬件接口、虚拟仪器软件及其设计方法等方面做了许多有意义的研究工作,并已开发了许多有用的虚拟仪器系统。
相伴着虚拟仪器技术的日益成熟,远程实验系统的研究也在国内外高校和研究机构中得到了不断的进展。
代表性的成果有:
美国斯坦福大学的远程光学实验室。
学生能够远程登陆该光学实验室做实验。
实验室向用户提供监听和操纵功能,及实验室的日程安排,参考资料和分析工具。
利用Nl-IMAQ软件工具和NIPCI-1408图像采集卡还能够植入动态图像。
美国伊利诺伊大学的Nmrscope系统。
通过Internet研究人员在任何地点都能使用伊利诺伊大学的仪器,只要向该大学递交一个样品,经授权后就能够与服务器联机,然后自行填写设置仪器参数和功能清单,点击屏幕上的按钮就能够进行实验,生成的图像会被传回到研究人员的运算机屏幕上。
美国巴尔的摩约翰霍普金斯大学的化学工程系的卡尔威教授(MichaelKarweit)在电脑网络上建立了一个“虚拟实验室”,在电脑上模拟各种实验,让工程系的学生能够通过电脑网络来做实验,尝试解决工程上遇到的各种问题。
加拿大达尔豪西大学的远程激光实验室系统工程学和自然科学学生能随时随地登录虚拟的激光实验室作十个激光实验。
德国Ruhr大学的虚拟自动化实验室是一个有关操纵工程的学习系统,它通过直观的三维试验场景视觉成效,依靠个虚拟实验设备的仿真特性,实现对虚拟实验的交互式操作。
另外还有其它典范,如西班牙大学的电子仪器虚拟工作台、卡耐基·梅隆大学的虚拟实验室、意大利帕瓦多大学的远程虚拟教育实验室、美国里海大学化学系的套色复制-分光计(GC一MS)远程虚拟实验室、瑞士联邦理工学院的增强式教学系统、德国柏林大学的试验数学实验系统、新加坡国立大学的远程示波器实验。
目前国内许多高等院校及科研机构己经开发了具有自己特色的虚拟实验室,然而这些还处于萌芽时期,同时己经建成的虚拟实验室差不多上差不多上仅限于仿真对象,实验涵盖面不广或者是单个实际对象,没有形成系统而且全面的实验体系,它们一样要紧完成本地实验的内容。
最近几年,快速可靠的运算机通信网络获得了惊人的进展,差不多承诺连到局域网或广域网上的运算机之间进行信息和命令的简单交换,如此网络服务拓展了虚拟仪器的使用范畴,给虚拟仪器技术注入了强大的活力。
目前从网上可查到的信息和各院校开发的对外服务看,清华大学利用虚拟仪器构建了汽车发动机检测系统;四川大学基于虚拟仪器的设计思路,研制了“航空电台二线综合测试仪”,将多台仪器集成于一体组成虚拟仪器系统;长沙电力学院开展了电路理论网上教学的虚拟实验室系统;华中科技大学机械学院建立了一个工程测试网上虚拟实验室,创建一个免费网上测试技术,故障诊断技术,学习交流的网站,并提供了有限的虚拟实验服务,学生能够通过联网运算机终端来进行仿真实验。
北京大学、复旦大学、北京航空航天大学、上海交通大学、哈尔滨工业大学、西安交通大学、西安电子科技大学、广州暨南大学、华南理工大学、大连理工大学、电子科技大学和浙江大学等高等院校已连续在网上设立了自己的电子教室。
同时,在军事院校虚拟实验室的建设也得到了专门大的重视,如国防科技大学、海军工程大学、空军二航院和信息工程大学等四大院校也开展了这方面的研究习,并取得了专门好的成果。
目前,虚拟实验室正朝着网络化、专业化、逼真化的方向进展。
1.3课题要紧研究内容和关键技术
1.3.1课题要紧研究内容
1.构建本地虚拟仪器实验室监控平台
完成实验室环境监控数据采集;
完成实验项目开发。
2.构建远程实验室监控系统
完成远程监控系统程序开发;
完成系统远程可视化功能开发。
3.完成用户数据库治理系统开发
实现用户登陆身份认证功能;
实现用户数据库在线治理;
实现用户双层权限治理。
1.3.2关键技术研究
本课题为结合实验室现有设备开发的教学辅助应用性项目,要紧需解决以下关键技术:
1.监控数据传输的实时性和安全性研究;
2.Web公布技术的研究,实现基于Internet和IE扫瞄器的远程监控;
3.远程图像的采集、压缩和传输技术;
4.用户数据库治理。
第2章系统总体方案设计
作为一个远程可视化实验室监控系统涉及运算机软硬件、网络通信、数据采集等多方面知识,本章从系统需求动身着重介绍了系统的总体网络架构、功能模块划分和通信协议设计。
2.1系统需求分析
该系统不仅要求对实验室环境进行远程监控,还要能同时将多功能转子台实验装置作为实验对象进行远程实验操作。
作为远程客户端通过运算机面板既可实时观看实验室的温湿度情形、各报警器和门状态,还能够操纵空调和照明开关。
另外作为实验装置的转子台上有多个远程实验项目能够供选择。
同时在运行过程中可通过一般摄像头实时观看现场图像。
做为实验系统要求操作方便,扩展性强,对用户操作能及时响应。
因此要求系统具有良好的可扩展性和可移植性。
从系统安全性考虑还应当对登陆用户进行身份认证和权限治理。
如:
部分操纵功能只对治理员开发。
2.2系统网络架构
可视化远程监控系统使用的网络是以太网,它能够方便的接入到学校的校园网中,但由于校园网本身是一个专门复杂的网络,且网络上各种服务器、主机专门多,假如直截了当接入会有两个问题。
第一个是网络带宽问题,由于有视频数据的传输,数据量较大,会带来专门大的网络负荷,网络专门拥挤后,所有主机发数都会变得专门慢,当它超时后,不断的反馈重发,使的网络更加拥挤,最后结果是整个网络瘫痪。
第二个是安全性问题,监控系统有一定的安全性要求,不是网络上的每一个用户都能够访问,本系统不仅在软件上设计了用户访问权限,在网络上也设计了访问权限,使得没有权限的网络用户不能访问监控服务器所在网络,从全然上解决了安全性问题。
本系统使用了VPN(VirtualPrivateNetworking)技术,通过使用VPN的隧道和加密技术,实现了数据通过Internet在虚拟企业网络中安全和便利的传播。
1.VPN简介
VPN(VirtualPrivateNetwork,虚拟专用网)是指一些节点通过一个公用网络,如公共分组交换网、帧中继网、ISDN或Internet等建立的一个临时的、安全的连接,形成逻辑上的专用网络,从而达到在共享或者公共网络(一样是指Internet)上安全地传输私有数据的目的。
[8]VPN提供如下功能:
●信息隐秘性:
确保通过公网传输的信息以加密的方式传送,即使被他人截获也可不能泄露信息完整性,保证信息的完整性。
●用户身份认证:
能对用户身份进行认证,确定该用户的访问权限。
●访问操纵机制:
用户只能读/写被授予了访问权限的信息。
●针对用户的带宽操纵机制。
VPN采纳的不同的技术
2.可视化远程监控系统的VPN实现
监控系统的网络拓扑图见图2-1所示。
图2-1网络拓扑图
监控系统将经常需要访问的机器放在一个子网里,再通过路由器接入到校园网中,如此能够有效的减少监控数据对整个校园网络的负荷,校园网中其它的主机也能通过用户授权访问监控服务器。
远程客户机想要访问监控服务器,能够通过宽带联上Internet网,客户机安装好RSA协议,连接上VPN服务器通过用户身份认证后,就能够接入到校园网,用户访问感受就象在一个内部局域网一样访问监控服务器。
如此能够大大增加了远程访问的安全性。
2.3系统功能模块划分
本系统基于校内真实的传感器实验室和一个转子台对象进行了远程可视化环境监控和实验操作设计。
当用户进行远程登陆后,第一要进行身份认证,超过3次输入错误将被拒绝进入。
针对不同对象需求系统设计了两种登陆身份:
治理员和测试员,治理员除观看实验室环境监控参数和进行实验操作外还可进入用户治理系统进行用户增减、修改密码等操作。
并可对实验室照明、空调进行开关操纵。
测试员则只承诺修改自身密码和完成相关实验项目操作、观看监控画面。
进入远程监控系统后,能够选择环境监控或转子台监控,其中环境监控部分包括温湿度检测、消防报警、红外报警、空调及照明操纵;转子台监控包括转速测量、振动检测、远程视频监控等。
系统总体设计框图如图2-2所示:
图2-2系统总体设计框图
第3章可视化远程监控采集系统设计
3.1系统硬件构成
系统硬件结构如图所示:
图3-1采集系统硬件结构图
本系统的数据采集设备选用了美国NI公司PCI-6251板卡,如图3-2所示。
图3-2PCI-6251板卡及接线端
PCI-6251是一款高速M系列多功能DAQ板卡,在高采样率下也能保持高精度。
该设备采纳18位模数转换器,使辨论率提高了4倍。
PCI-6251的要紧参数如下:
PCI总线;单端16路模拟输入通道,2路模拟输出通道,最高采样频率2OOKHz,辨论率为12位,输入输出量程±1OV;8位或24位并行输入输出线及两路24位20MHz定时器与计数器。
PCI-6251模拟输入输出及数字I/O通道参数如表3-1所示。
表3-1PCI-6251通道参数
模拟输入
模拟输出
数字I/O
通道数
16SE/8DI
通道数
2
通道数
24DIO
采样率
1.25MS/s
更新率
2.86MS/s
定时
硬件,软件
辨论率
16bits
辨论率
16bits
最大时钟速率
10MHz
最大电压范畴
-10..10V
最大电压范畴
-10..10V
逻辑电平
TTL
精度范畴
1920µV
精度范畴
2080µV
最大输入范畴
0..5V
敏锐度范畴
112µV
最小电压范畴
-5..5V
最大输出范畴
0..5V
最小电压范畴
-100..100mV
精度范畴
1045µV
输入电流
源电流,漏电流
精度范畴
52µV
电流驱动(通道/总计)
5mA
可编程输入滤波器
是
敏锐度范畴
6µV
电流驱动(通道/总计)
24mA/448mA
量程数
7
看门狗定时器
否
板上储备量
4095样本
支持可编程上电状态
是
3.2传感器的选型
1.温度、湿度信号检测
采纳Honeywell公司的CHT3W2TLD温湿度传感器,该传感器能同时采集温度和湿度,且线性较好,输出电压范畴为0∼5V(三线制)。
传感器技术指标见下表3-2:
表3-2温湿度传感器特性参数表
相对湿度
温度
湿度传感器:
HIH3610(烧结滤网爱护)
温度传感器:
Pt1000IEC751classB
测量范畴:
0∼100%RH
测量范畴:
-20°C∼+85°C
精度:
±3%RH(@20°C,20~80%RH)
精度:
±0.3°C(@25°C)
总精度:
±5%RH
总精度:
±0.5°C(0∼40°C)
长期稳固性:
±1%RH/年
长期稳固性:
±0.25°C/年
供电电源:
10∼30VDC(标称12VDC)
负载电阻:
100-500Ω(4~20mA),>=100kΩ(0~5V)
消耗电流:
最大40mA
图3-3温湿度传感器输出特性图
图3-4温湿度传感器外形及接线图
由于传感器完全线性:
温度电压关系为0~5V对应-20~85℃,因此程序中可用下式运算温度:
(3.1)
湿度电压关系为0~5V对应0~100%RH,因此程序中可用下式运算湿度:
(3.2)
2.消防报警探头
采纳了JTY-GD-G3智能光电感烟探测器,该探测器是采纳红外线散射的原理探测火灾。
在无烟状态下,只接收专门弱的红外光,当有烟尘进入时,由于散射的作用,使接收光信号增强;当烟尘达到一定浓度时,可输出报警信号。
(1)技术参数
工作电压:
信号总线电压:
总线24V,承诺范畴:
16V~28V
工作电流:
监视电流≤0.8mA;报警电流≤2.0mA
灵敏度(响应阈值):
可设定3个灵敏度级别,探测器出厂灵敏度级别为2级。
当现场环境需要在少量烟雾情形下快速报警时,能够将灵敏度级别设定为1级;当现场环境灰尘较多时或者风沙较多的情形下,能够将灵敏度级别设定为3级。
响应阈值:
0.11dB/m~0.27dB/m
报警确认灯:
红色,巡检时闪耀,报警经常亮
编码方式:
电子编码(编码范畴为1~242)
线制
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