基于虛擬儀器的污水在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
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1 虛擬儀器簡(jiǎn)介
虛擬儀器充分利用計(jì)算機(jī)快速運(yùn)算、方便存儲(chǔ)、形象顯示及靈活多樣的特點(diǎn),把計(jì)算機(jī)作為儀器的基本硬件平臺(tái),把傳統(tǒng)儀器的專用功能和硬件功能軟件化,使傳感器與計(jì)算機(jī)結(jié)合起來,形成新型儀器。這兩者融為一體,構(gòu)成了一臺(tái)儀器,功能與傳統(tǒng)硬件儀器相近,甚至更加強(qiáng)大,性能更加穩(wěn)定。
虛擬儀器由美國國家儀器公司提出,經(jīng)過多少年的發(fā)展,現(xiàn)在已經(jīng)相當(dāng)成熟。它除了能完成傳統(tǒng)儀器的所有功能外,還能完成更加強(qiáng)大的功能擴(kuò)展。把以前由廠家決定的儀器功能轉(zhuǎn)變?yōu)樽層脩糇约哼x擇和決定儀器功能。同時(shí)儀器使用的范圍和使用更加靈活,可以同時(shí)按用戶要求和使用環(huán)境修改。
2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)
污水的在線監(jiān)測(cè)項(xiàng)目主要包括流量、液位、溫度、pH、BOD5、COD、TOC、TOD、氨氮和總磷等。對(duì)于這些量的監(jiān)測(cè),環(huán)境比較復(fù)雜,不可能在靠近中控室附近.所以本文中應(yīng)用了無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù),把傳感器測(cè)量到的數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸,送到數(shù)據(jù)中心進(jìn)行集中處理,方便了數(shù)據(jù)綜合分析,可以靈活的安裝傳感器,不再受位置影響。
這里應(yīng)用的無線網(wǎng)絡(luò)模塊是X124L01,此無線網(wǎng)絡(luò)模塊可以支持2 M的數(shù)據(jù)量,能夠很好的解決大數(shù)據(jù)量的問題。通過無線網(wǎng)絡(luò)獲取數(shù)據(jù)后,在調(diào)理板進(jìn)行數(shù)據(jù)的調(diào)理及轉(zhuǎn)換。然后通過USB數(shù)據(jù)采集卡送到計(jì)算機(jī),如圖1所示。
3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)
3.1 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)主要具有以下6個(gè)功能:
1)基本信息管理功能管理用戶的權(quán)限內(nèi)容,以及用戶自身的個(gè)人信息,如密碼和中文名的修改,同時(shí)可以管理個(gè)人的收藏夾,對(duì)于重要的數(shù)據(jù)報(bào)表能夠生成一份自己的存檔。
2)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)功能 遠(yuǎn)程傳輸現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)場(chǎng)景,監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)儀器的運(yùn)行狀態(tài),并且保存運(yùn)行狀態(tài)記錄。
3)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、查詢、發(fā)布和統(tǒng)計(jì)功能采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)分析處理后存儲(chǔ)到本地?cái)?shù)據(jù)庫,可以實(shí)現(xiàn)全部數(shù)據(jù)查詢、按時(shí)間查詢以及按數(shù)字量查詢的查詢功能,并對(duì)數(shù)據(jù)記錄進(jìn)行添加、修改和刪除,還可生成報(bào)表。
4)超限報(bào)警功能通過設(shè)置各參數(shù)儀表量程和超標(biāo)界限能夠提供多樣化、靈活的報(bào)警功能,當(dāng)檢測(cè)到參數(shù)值超限時(shí)報(bào)警燈點(diǎn)亮,可以保障現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備安全穩(wěn)定的運(yùn)行。
5)小波濾波功能可以消除在數(shù)據(jù)采集過程中真實(shí)信號(hào)受到干擾噪聲的影響,保證數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的精度。
6)智能決策功能能夠通過對(duì)輸入的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯分析,并且與經(jīng)驗(yàn)知識(shí)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配,利用當(dāng)前的數(shù)據(jù)對(duì)未來的發(fā)展趨勢(shì)做預(yù)測(cè),這種預(yù)測(cè)是建立在對(duì)數(shù)據(jù)的綜合分析以及大量實(shí)際經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,具備一定的準(zhǔn)確度,能夠?yàn)樽罱K決策提供意義重大的指導(dǎo)作用。
上位軟件的實(shí)現(xiàn)是系統(tǒng)的關(guān)鍵,這里應(yīng)用了LabVIEW軟件進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)。對(duì)于污水在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng),先要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。本文通過數(shù)據(jù)采集卡USB2832對(duì)所有物理量和化學(xué)量和進(jìn)行信號(hào)采集,然后再送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行各個(gè)參量的監(jiān)測(cè)及記錄。軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。
LabVIEW軟件是圖形化編程軟件,分為用戶顯示前面板和程序控制后面板兩部分。前面板用于放置結(jié)果及輸入控件,主要是完成用戶交互相當(dāng)于儀表操作面板:后面板主要進(jìn)行數(shù)據(jù)分析及處理,相當(dāng)于傳統(tǒng)儀器的控制主板。
本文先要進(jìn)行采集數(shù)據(jù)的處理,對(duì)數(shù)據(jù)處理后,分析出相關(guān)的量送到對(duì)應(yīng)的顯示控件顯示,并按用戶操作進(jìn)行相應(yīng)的處理。采集到的數(shù)據(jù)從緩存中讀取后,是存放在一維數(shù)組中。這些數(shù)據(jù)是按變量0、變量1…,變量15、變量0、變量1…這樣重復(fù)的方式保存。LabVIEW軟件有豐富的函數(shù),直接應(yīng)用現(xiàn)成的一個(gè)數(shù)組抽取函數(shù),把一維數(shù)組分解為16個(gè)一維數(shù)組,每一個(gè)數(shù)組分別表示一個(gè)變量值。同時(shí),要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行指定類型的濾波,以消除不需要的干擾。濾波使用的是中值濾波器和貝塞爾濾波器等,濾波可以除去傳感器波動(dòng)干擾和延時(shí)干擾,得到平滑穩(wěn)定曲線。采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示如圖3所示。
在系統(tǒng)中對(duì)獲取的各個(gè)參量進(jìn)行了上下限報(bào)警控制,方便系統(tǒng)在使用中能夠安全預(yù)警。報(bào)警界面中,包括正常顯示時(shí)狀態(tài)指示燈和報(bào)警狀態(tài)下的指示燈。這里指示燈以不同顏色顯示不同狀態(tài),當(dāng)在正常范圍內(nèi)顯示綠色,在發(fā)出報(bào)警時(shí)顯示紅色。這一功能的實(shí)現(xiàn)是通過指示燈控件來實(shí)現(xiàn)的,如圖4所示。
同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)進(jìn)行了預(yù)測(cè),方便在使用中對(duì)未來數(shù)據(jù)按照當(dāng)前的狀態(tài)進(jìn)行趨勢(shì)預(yù)測(cè),以提前采取手段進(jìn)行處理。還利用無線攝像頭,對(duì)污水表面進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視。這里使用了相機(jī)OCX控件進(jìn)行控制,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)時(shí)圖像顯示、拍照、相機(jī)調(diào)節(jié)等,如圖5所示。在系統(tǒng)中同時(shí)還導(dǎo)入了GIS數(shù)據(jù)庫,可以進(jìn)行指定區(qū)域的搜索與定位,方便了對(duì)不同區(qū)域水質(zhì)進(jìn)行對(duì)比監(jiān)測(cè)。
4 結(jié)論
虛擬儀器是傳感器和計(jì)算機(jī)技術(shù)快速發(fā)展的產(chǎn)物,是人們對(duì)信息快速獲取及綜合分析必須的趨勢(shì),是污水水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)高效率解決方案的最佳工具。基于LabVIEW的工業(yè)污水水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有一個(gè)非常人性化的人機(jī)界面,功能全面、操作簡(jiǎn)單方便,實(shí)現(xiàn)了工業(yè)污水水質(zhì)多參數(shù)的整合監(jiān)控與管理。經(jīng)測(cè)試,系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)良好,達(dá)到了預(yù)期效果,至此可以得出如下結(jié)論:
1)可以快速獲取遠(yuǎn)程污水的TOC、COD、BOD等各類參數(shù)信息從而進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示,利用數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)管理大量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),且有計(jì)算機(jī)硬盤作為存儲(chǔ)容器,可把相當(dāng)長時(shí)間的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)下來,方便日后查閱分析,并能夠進(jìn)行及時(shí)準(zhǔn)確的報(bào)警提示。
2)能夠結(jié)合歷史數(shù)據(jù),繪制綜合曲線圖,方便準(zhǔn)確的進(jìn)行數(shù)據(jù)的綜合分析,并能預(yù)測(cè)未來數(shù)據(jù)趨勢(shì),做到提前調(diào)節(jié)及準(zhǔn)備應(yīng)對(duì)方案等,在實(shí)際使用中效果很理想。
3)可以實(shí)時(shí)通過遠(yuǎn)程視頻監(jiān)測(cè)各類情況,也可以通過GIS信息數(shù)據(jù)庫,進(jìn)行不同區(qū)域的信息比對(duì)和綜合分析。
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