虛擬儀器+網絡實現溫室測控系統(tǒng)

1 引言

　虛擬儀器技術與網絡技術的融合，使虛擬儀器系統(tǒng)更加突破了傳統(tǒng)的測量理念，使測量數據得到了真正意義上的共享，使遠程測量得以實現。傳統(tǒng)的溫室測控系統(tǒng)往往在現場操作，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設計了網絡化溫室測控系統(tǒng)，使遠程客戶端通過局域網或Internet也能對溫室進行監(jiān)測和控制，從而實現了真正意義上的虛擬儀器。

　　2 網絡化虛擬儀器技術

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

　　網絡化虛擬儀器將傳統(tǒng)儀器由單臺計算機實現的三大功能：數據采集、數據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傳統(tǒng)儀器的三大功能，以網線相連接，測試網絡的功能將遠遠大于系統(tǒng)中各部分的獨立功能。根據具體的工程實踐需要，可以構成各種樣式的網絡化虛擬儀器。

　　網絡化虛擬儀器由以下幾部分組成：網絡操作系統(tǒng)、虛擬儀器(有網絡測試功能)、分散的I/O系統(tǒng)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絡方面的功能，這樣使得建立網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、網絡模塊，為工業(yè)檢測和控制應用提供了最經濟的解決策略。用戶可以通過以太網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。網絡測試中的數據采集卡( DAQ)必須帶有遠端數據設備訪問的驅動軟件(RDA)，這樣才能實現在網絡上的資源共享。網絡測試中所使用的儀器必須是帶有網絡功能的控制器，即GPIB-ENET。

　　3 系統(tǒng)構成

　　3.1系統(tǒng)的硬件配置

　　網絡化溫室測控系統(tǒng)硬件由溫度傳感器、濕度傳感器、光照傳感器、數據采集板、集線器、Datasocket服務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中心生產的ZD-VB照度變送器，數據采集板選擇了美國NI公司生產的插入式數據采集板PCI6024E。

　　圖1 系統(tǒng)硬件結構圖

　　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的實時數據進行采集并傳送給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，進入預先編制好的實時數據分析處理程序，實現數據的采集、顯示、實時傳送和分析，同時利用以太網接口，通過通訊和數據發(fā)布模塊，實現與其他分析系統(tǒng)或網絡的互聯。3.2系統(tǒng)的軟件設計

　　虛擬儀器的提出和實現帶來測控技術的一次革命，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)和實現的。系統(tǒng)的軟件結構如圖2所示。

　　圖2系統(tǒng)軟件模塊構成

　　系統(tǒng)的各個軟件模塊都是在LabVIEW7.1環(huán)境下開發(fā)的。利用虛擬儀器技術的網絡化溫室測控系統(tǒng)由以下幾個模塊組成：(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(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端能實現對溫室的監(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內容

　　3.3 網絡化測控

　　LabVIEW強大的網絡通信功能使得用戶可以很容易地實現遠程測控，本系統(tǒng)選用DataSocket技術來實現遠程測控。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可以訪問本地文件以及HTTP和FTP服務器上的數據，DataSocket為低層通訊協(xié)議提供了一致的API(應用編程接口)，編程者無需為不同的數據格式和通訊協(xié)議編寫具體的程序代碼，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型來交換儀器類型的數據，這種數據類型包括數據特性(如采樣率、操作者姓名、時間及采樣精度等)和實際測試數據。DataSocket用類似于Web中的統(tǒng)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)則說明數據來自DataSocket服務器的實時數據[3,4]。

　　利用DataSocket技術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只能傳遞控件的數據(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據和控件狀態(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絡化測控的目的。

　　4 結束語

　　將網絡技術引入測控領域，不僅是虛擬儀器發(fā)展的必然，也是很多測控任務的要求。通過網絡化虛擬儀器，人們不僅可以共享測量數據，而且可以構建網絡化測控系統(tǒng)，從而可以在更大范圍內提高人們的測控效率。