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關鍵詞：組態軟件；智能溫室；系統設計
智能溫室是現代農業的重要組成部分，早在20世紀70年代，國外就開始對智能溫室環境監控技術進行研究，其中日本、荷蘭、以色列、美國等發達國家智能溫室監測技術發展的最快。國外智能溫室最早采用模擬式的組合儀表，采集溫室環境因子參數，并通過相關設備進行指示、記錄和控制。隨后又出現了分布式監測系統以及計算機數據采集監測系統的多因子綜合監測系統。溫室產業在我國農業中的比重不斷增加，加快了我國現代化農業發展的速度?！敖M態”的概念是伴隨著集散型控制系統（DistributedControlSystem，DCS）的出現，才被廣大自動化技術人員所熟悉的。在監控技術的不斷發展和應用過程中，組態軟件因為界面直觀、便于二次開發、使用方便而一直占據著非常重要的地位，因此，基于組態軟件設計了一套溫室監控系統。
1系統總體設計
農作物的生長受到各種不同環境因子的影響，這些環境因子對作物生長發育的影響各不相同[1]。目前，科學家分析影響植物生長的環境因子達52種，其中空氣溫度、空氣濕度、土壤溫度、土壤濕度、光照強度、二氧化碳濃度是影響植物生長最主要的幾種環境因子。根據系統監測與控制需求分析，確定系統結構如圖1所示。
2系統硬件設計
2.1傳感器選型
要實現對溫室環境因子參數的監測，必須選擇適合系統的傳感器[2]。為了便于電路設計，系統土壤溫濕度傳感器選擇上海搜博公司生產的SLHT5溫濕度傳感器。該傳感器內置SHT10器件，主要用于土壤溫濕度測量。光照度傳感器選用ROHM公司的BH1750傳感器。該傳感器是一種用于兩線式串行接口的數字型光強度傳感器，內部包含一個16位模數轉換器，直接輸出數字信號。因此，該傳感器使用時不需再進行復雜計算，使用非常方便。二氧化碳傳感器選用MH-Z14NDIR紅外二氧化碳傳感器。該傳感器利用非色散紅外（NDIR）原理對空氣中存在的二氧化碳進行檢測，是一款高分辨率、高靈敏度的傳感器，無氧氣依賴性，壽命長，供電電壓為4～6V，提供UART、模擬電壓信號、PWM波形等多種輸出方式。該傳感器內置溫度傳感器，可進行溫度補償，具有良好的線性輸出能力。幾種傳感器外形如圖2所示。
2.2主控制器設計
系統主控制器性能的好壞直接影響系統可靠性。本系統采用基于ARMCortex-M3內核的STM32系列單片機[3]。系統選用STM32F103VE作為主控芯片，主頻72MHz，內部含有256K字節的FLASH和64K字節的SRAM，LQFP100封裝。操作系統選用了μC/OS-Ⅱ嵌入式實時操作系統[4]。主控制器結構框圖如圖3所示。
3系統軟件設計
軟件是整個系統的靈魂，對于系統的運行來說至關重要，各個操作都是在軟件的協調下進行的。系統的軟件設計包括溫室控制系統的軟件設計、通信接口驅動程序設計、上位機管理軟件的設計等。本系統上位機軟件因選取組態軟件，此處不再贅述。
3.1系統主程序
系統的主程序是軟件設計的核心環節，對整個程序架構起關鍵作用。系統上電后，將進行初始化，隨后進入主程序。系統可以進行模式選擇，分為手動和自動兩種方式。在進入相應的子程序后，將逐步完成按鍵的掃描和服務、控制方式設置、環境參數采集、通信接口驅動和執行處理控制等程序，主程序流程圖如圖4所示。
3.2CAN總線通信協議
CAN總線有其自身的特色，傳送的報文沒有目標地址，采取全網廣播方式，每個節點通過反映數據性質的報文標識符篩選報文，能夠實現即插即用，可在線上網下網，增強了數據的安全性，滿足控制系統及其他較高數據要求的系統需求。CAN總線通信軟件設計包括CAN總線的初始化、報文發送和報文接收3個模塊[5]。本系統所使用的芯片因其有專門一整套為其設計的固件驅動程序，因而大大簡化了編程過程，為開發者省去了許多時間，可以將更多的精力放在實現系統功能上。
4組態監控系統設計
本系統上位機軟件選用組態王組態軟件。組態王（Kingview）是由北京亞控自動化軟件有限公司開發的一款具有易用性、開放性和集成能力的通用組態軟件。使用組態王的基本流程為：設計圖形界面、構造數據庫、建立動畫連接、運行和調試。上位機是系統與用戶直接對話的窗口。組態王提供了豐富的系統界面設計資源。本系統分別設計了登錄界面、溫室狀態與控制界面、參數修改界面、實時與歷史曲線界面、報警與事件界面，實現了系統相關功能[6]。
5結語
系統完成設計后，配合硬件試驗資源，在楊凌農業示范園進行了實地測試，系統測試運行界面如圖5所示。測試結果表明，基于組態軟件的溫室智能監控系統能夠實現系統預期功能，操作簡單、使用方便，系統運行情況良好。
作者:馮春衛 閔衛鋒 單位:楊凌職業技術學院
參考文獻
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[4]朱琳,郭永.基于STM32的工業通用控制器的研究和實現[J].化工自動化及儀表,2012:224-227.
系統由分布在育苗架中的多個傳感器節點、數據采集單元、設備控制單元和存放在嵌入式ARM設備中的監控軟件4部分組成，如圖1所示。育苗架由鋼制材料構成，共有4層。每一層上面都布有4個溫度傳感器和加熱、加濕裝置，苗架內布有1個濕度傳感器。苗架工作時處于完全密封狀態，苗體生長所需的溫濕度環境均由外部智能控制。數據采集單元負責向傳感器節點發送指令，進行溫濕度數據采集，并通過處理、打包過程，將數據通過RS－485總線接口發送到嵌入式設備上的智能監控軟件中，數據傳輸所使用的協議為Modbus［3］。智能監控軟件收到采集單元發來的數據之后，進行解包、分析、處理等過程，然后顯示到用戶界面上，同時軟件具有記錄歷史數據的功能。用戶在監控軟件上可以設定期望達到的溫度、濕度值，軟件會發送包含這些期望值的指令給數據采集單元。數據采集單元收到這些指令之后，會判斷當前是否符合條件。當條件符合后，數據處理單元會自動調用設備控制單元對育苗架進行相應的加熱、加濕操作［4］。
2系統硬件設計
2．1嵌入式平臺
嵌入式平臺CPU型號為博通公司的BCM2835，采用ARM11微架構，主頻為700MHz，同時平臺配有512MBDDRRAM和8GBNandFlash，提供高效、穩定的運行和存儲環境。平臺配有HDMI高清視頻接口，用來外接顯示器，可以直觀地顯示系統操作界面。配有RJ－45網絡接口和多個USB接口，用來連接網絡、鍵盤鼠標和USB轉RS－285數據線。平臺搭載開源的嵌入式Linux操作系統，該操作系統穩定性好并且具有豐富的擴展功能，適合作為嵌入式監控平臺［5］。
2．2傳感器節點和設備控制單元
溫度傳感器采用Pt100。Pt100溫度傳感器是一種將溫度變量轉換為可傳送的標準化輸出信號(4～20mA)的儀表，其本質是鉑熱電阻，阻值會隨著溫度的變化而改變，主要用于溫度參數的測量和控制，測量量程為－200℃～+200℃，精度為0．1℃。濕度傳感器采用NWSF－1AT，它是一種集傳感、變送為一體的濕度傳感器，適于室內環境的濕度測量。其測量量程為0～100%RH，精度為±5%RH，響應時間小于15s，是一種兩線制的標準化輸出信號(4～20mA)傳感器。設備控制單元采用繼電器控制。加熱裝置分布在育苗架的每一層，且可以獨立工作，加熱裝置的核心是碳纖維加熱毯，它使用碳纖維作為加熱介質。碳纖維(carbonfiber，簡稱CF)，是一種含碳量在95%以上的高強度、高模量纖維的新型纖維材料。它是由片狀石墨微晶等有機纖維沿纖維軸向方向堆砌而成，經碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料。碳纖維的導熱性能好，熱膨脹系數小且具有各向異性。因此，碳纖維加熱毯的功耗低、加熱速度快，適合在農業上使用。加濕裝置分布在育苗架的每一層，核心是雙向高壓噴頭，可以均勻覆蓋待加濕區域。本單元既可以接收由數據采集單元發來的指令，打開或者關閉加熱、加濕裝置;也可以設定一個閾值，自動地打開或者關閉加熱、加濕裝置。
3系統軟件設計
系統軟件設計由通信協議和上位機程序兩部分組成。其中，通信協議采用Modbus、上位機程序使用Qt開發。
3．1通信協議
Modbus協議是應用于電子控制器上的一種通用語言。通過此協議，控制器相互之間、控制器經由網絡(例如以太網)和其它設備之間可以通信。它已經成為一通用工業標準。此協議定義了一個控制器能認識使用的消息結構，而不管它們是經過何種網絡進行通信的。它描述了一種控制器請求訪問其它設備的過程，制定了消息域格局和內容的公共格式。Modbus協議規定，在進行通信時，每個控制器需要設定唯一的設備地址，交換消息時根據設備地址進行響應，確保一條指令對應的設備是唯一的。Modbus協議查詢指令數據示例如表1所示。其中，數據均為16進制，CRC錯誤校驗位高位在前、低位在后。
3．2上位機程序
本系統上位機程序采用Qt開發，它是一款開源的界面設計庫，使用C++類編寫。其最大特點是跨平臺，支持市面上所有主流平臺，如Windows、桌面Linux、嵌入式Linux、MacOS、Android等。用戶只需要編寫一次代碼，就可以在不同平臺上進行編譯、運行，可移植性較好。在正式編寫Qt代碼之前，需要在目標平臺上搭建相應的開發環境，即本系統需要搭建適用于嵌入式Linux的Qt開發環境，Qt版本為4．8．5。首先將Qt源代碼解壓，在其根目錄下執行．/configure命令，對源碼進行配置;然后執行make和makeinstall命令編譯源碼，并安裝編譯好的庫文件到lib文件夾下;最后將這些庫文件拷貝到嵌入式平臺根目錄下的lib文件夾中，并為其增加export變量路徑:exportQTDIR=/usr/local/Trolltech/Qt－4．8．2exportPATH=/usr/local/Trolltech/Qt－4．8．2/bin:$PATHexportMANPATH=$QTDIR/man:$MANPATHexportLD_LIBRARY_PATH=$QTDIR/lib:$LD_LIBRARY_PATH至此，Qt環境搭建完畢。嵌入式平臺用戶界面如圖2所示。上位機程序由查詢指令發送模塊、查詢指令接受模塊、控制指令發送模塊、歷史記錄生成模塊和通信控制模塊組成。對各模塊進行獨立開發，最后在主界面中采用多線程機制進行結合，將各模塊分別放置在單獨線程中執行，既確保了各模塊的獨立性，又提高了程序的安全性和總體的運行效率。系統總體的軟件流程如圖3所示。系統啟動后，會首先初始化硬件(內部寄存器、串口等)和傳感器節點［6］。采集單元通過RS－485串行通信口與嵌入式設備進行通信。本系統可以選擇手動查詢模式或自動查詢模式。安裝在ARM設備上的上位機程序能夠給數據采集單元發送查詢或控制指令。當發送查詢指令之后，采集單元會根據指令中包含的設備地址信息，匹配相應的傳感器節點，并采集數據;將采集到的數據進行壓縮、打包，然后傳回上位機程序;上位機程序接收到數據之后，進行分析、解包、處理，最終顯示到用戶界面上，同時自動存儲歷史數據。當上位機發送控制指令之后，采集單元會把待設定的參數傳遞給控制單元，使其可以根據需求對加熱、加濕裝置進行控制［7］。
4實驗及結果
為了驗證系統的性能，將育苗架放置在室內環境中，分多個時間點記錄育苗架周邊環境的溫度、濕度數據。給育苗架分別設定一個溫度目標值和濕度目標值，每10min記錄一次育苗架內的溫濕度情況。為保證精度，周邊環境的溫濕度數據由小型氣象站采集。育苗架內部的傳感器放置如下:每層分成4個區域，每個區域的中心放置1個溫度傳感器，傳感器距離每層頂部距離為20cm，用來采集溫度數據;在育苗架內同時放置1個濕度傳感器，用來采集濕度數據。育苗架內部的加熱、加濕裝置放置如下:加熱裝置鋪在每層底部，使該層各部分可以均勻受熱，且加熱裝置下再鋪一層隔熱層，避免每層熱量相互串擾;加濕裝置安裝在每層的頂部，距離頂部5cm，采用360°雙向設計，保證可以對該層各部分進行加濕。數據采集單元放置在苗架的外面，并且對苗架內的連線進行密封處理［8］。
4．1溫度控制實驗
將苗架溫度目標值設定為25℃，濕度不設定，連續采集6h并記錄數據，作出變化曲線圖。圖4為育苗架內溫度曲線圖，圖中虛線為苗架外環境溫度變化曲線。
4．2濕度控制實驗
將苗架濕度目標值設定為40%Rh，溫度不設定，連續采集6h并記錄數據，做出變化曲線圖。圖5為濕度曲線圖，圖中虛線為苗架外濕度變化曲線。由兩次實驗可知，在系統剛開始工作的時候，不論苗架內外的溫度還是濕度情況基本一致，各點的溫度情況處于混沌狀態，苗架內的溫度和濕度都不等于設定值。隨著時間的推移，苗架內各點的溫度均趨向于設定值(25℃)，濕度能維持在設定值(40%Rh)左右，且可以穩定保持。
5結論
1.1缺乏日常維護
電網設備就好比日常生活中常用到的家用電器，一樣需要使用者定期地進行維護或者保養。尤其是對于長距離電網線路這種高頻率使用的線路而言，日常的維護以及保養就更顯得有必要了。很多的操作人員往往忽略了這一重要步驟，使得電網送電的工作效率以及質量得不到有效的保障，給工業生產帶來了影響，甚至是經濟上的損失。
1.2工作環境不穩定
電網設備用于工業生產部門中，可以切實保證工業產品的生產質量，有效提高企業的生產效益。然而，值得注意的是，長距離線路輸電過程中，對于其工作環境也是有著一定要求。例如外界的溫度、濕度，所含的雜質，甚至是噪音都成為導致電網長距離輸電電流過大的因素。部分工作人員沒能認識到規范設備的工作環境的必要性，而導致電網長距離線路長期處于非正常工作環境，極容易造成安全事故，以及人員的傷亡等。
1.3變電站運行故障
變電站變電運行故障主要是包括PT保險熔斷故障、諧振故障及線路斷線故障等。這些故障都是比較常見的，我們必須找出排除故障的方法，只有這樣才能在故障發生時，找到合理的解決方法。通常情況下，在不直接和經消弧線圈小電流接地系統中，如果發生上述幾種故障，中央信號將會發出“10kV系統接地”光字牌或者是發出報文。產生這種現象主要是因為小電流的接地系統母線的PT輔助線圈開口三角處連接著電壓繼電器，我們可以通過這個現象，來判斷故障的發生。
2長距離供電大電流監控系統設計的具體措施
2.1實時監控主變低壓側向開關跳閘
對于主變低壓側向開關跳閘的排除方法來說，如果變電運行中因主變低壓側向而造成過流保護動作時，就需要對電網設備進行仔細的檢查，然后再對現象進行判斷。我們在進行檢查時，不僅僅要檢查主變保護，同時也要也要檢查線路保護。最后利用對輸入端設備的檢驗工作，對過流保護的故障進行處理。因此為了更好地開展故障維修這一系統工作，應該建立一個有效的信息處理平臺，作為計算機中心，實行對電網設備維修控制以及管理的有效場所。此外，還應該完善相應的環節，例如信息的傳遞中心、機電設備的診斷及檢查中心等，通過完善每個信息步驟進行有效的執行?，F在是一個信息化時代，電網設備常常和計算機技術結合使用，大大方便了工業生產，提高了對于長距離供電的效率。然而，在電網設備的具體應用中，常會出現種種不良狀況以致于影響了其正常作業，給企業生產帶來了不同程度的損失。所以我們必須要找出合理的解決方法，來進一步促進電網的合理發展。
2.2建立主變三側開關跳閘應急處理方案
主變三側開關跳閘的處理方法為:應利用檢驗保護掉牌及輸入端設備來進行判定。假如出現瓦斯保護的情況，則可判定其故障為變壓器內部或二次回路的故障，可以通過對壓力釋放閥門及呼吸器進行檢查、查找二次回路的接地情況、變壓器自身的形變情況，并進行處理。我們知道，機電設備用于工業生產部門中，可以切實保證工業產品的生產質量，有效提高企業的生產效益。如果出現差動保護的現象，應對輸入端設備的主變壓三側差動區進行檢查。例如外界的溫度、濕度，所含的雜質，甚至是噪音都成為影響電網設備正常工作的因素。由于差動保護對主變線圈的相間及短路情況進行反應，所以，當發現這種狀況時，應先認真對主變進行檢查，包含其油色、油位、繼電器等。如果繼電器內有氣體，則要對氣體進行提取，由氣體的顏色及可燃性能對其故障性質進行判定。然而，值得注意的是，機電設備在作業過程中，對于其工作環境也是有著一定的要求。
2.3積極引入交流小型電網來分擔電網壓力
交流小型電網是指系統中含有交流母線，通過母線將小型電網系統中的能源存儲設備、DG以及電網負載等裝置通過電子轉換進行傳遞，最終將信號傳遞給電網中樞控制系統，通過對公共聯結點處開關的控制，實現交流電網孤單運行模式以及并網模式的來回切換。因此，交流小型電網可以實現對不同電壓的交流電與直流電的切換以及對交流負載提供電能補充，DG以及電網負載的電能流失可以通過電能補償器來進行補償。交流小型電網能夠對現有的電器進行直接負載，不需要附加電流轉換器就可以實現電器的正常使用。同時，由于交流小型電網自帶過流保護器，能夠在漏電偵測、過流保護及觸電防護等放方面很容易實現監控。此外，交流小型電網能夠實現孤島運行模式和并網運行模式的自由切換，且與外部電網的銜接程度較好，不需要附加轉換器就可以直接并入外部的電網系統。小型交流電網組建與安全運行能夠將現有的各種分布式發電系統進行供電系統的合理改造以及優化，實現各類資源的合理配給，實現提高電網的運營能力以及負荷能力。
3結語
監控系統的硬件是系統運行的保障。在本設計中，底層數據采集層采用了各種溫度、濕度及電壓電流傳感器來采集數據，為了將所采集的數據及時地傳送至現場數據匯總節點，采用了基于ZigBee技術的無線傳感網技術。傳統監控系統的底層數據傳輸大多采用類似于CAN的總線結構，這種方式可靠性強且速度快，但是不太適用于經常有所變化的場合。而無線傳感網可以很好地解決這一問題。圖2所示是每一個監控節點的結構，主要由傳感器單元、處理器單元、無線通信單元來組成，每個電源模塊的數據采集后，首先在這里進行簡單的處理，然后傳至匯節點。在每一個數據采集現場，都會設置一個數據處理中心，這個數據處理中心由嵌入式系統來擔任。本設計選擇了Atmel公司的AT91SAM9G45處理器，該處理器頻率可達400MHz，結合了通常需要用到的用戶界面功能與高速數據傳輸接口，包括一個7寸LCD顯示屏和一個觸摸屏、攝像頭接口、音頻、10/100M以太網以及高速USB以及SDIO，擁有極高的性能以及網絡帶寬，足以滿足系統的應用。操作系統選用嵌入式Linux。該處理器接受來自于底層數據采集模塊的數據，對數據進行相應的處理并上傳至控制中心，而同時接受來自于控制中心的命令，對現場電源模塊的運行進行控制。系統通過CGI(commongatewayinterface)接口完成WEB客戶端與WEB服務器的連接，從而使操作人員可以從任何一個瀏覽器上實現系統數據的查詢與控制命令的下達。CGI接口原理圖如圖3所示，Web服務器把接收到的有關信息放入環境變量，然后再去啟動所指定的CGI腳本以完成特定的工作，CGI腳本從環境變量中獲取相關信息來運行，最后以HTML格式輸出相應的執行結果返回給瀏覽器端。由于用戶能傳遞不同的參數給CGI腳本，所以CGI技術使瀏覽器和服務器之間具有良好的交互性[2]。
2監控系統軟件系統設計
監控系統的軟件部分采用模塊化開發方式。整個系統共分為初始化、數據采集管理、控制與維護、人機界面、通信、系統維護等六個模塊。在這六個模塊中，數據采集管理模塊及控制維護模塊是整個監控系統的核心模塊。數據采集模塊可以分為模擬量采集與處理模塊、數字量采集與處理模塊、報警處理模塊三個部分，分別負責系統模擬量和數字量的采集、匯總、處理、存儲、轉發等工作，同時在分析數據的基礎上對系統的運行狀態進行分析和判斷，如果系統運行狀態存在發生故障的可能性，就相應發出報警信號。系統的控制和維護模塊的主要功能是接收來自于數據采集模塊的數據及初判結果，并根據結果進行電源運行狀態的管理，其中包括對系統的自檢、故障自診斷、程序復位、系統安全等方面的功能。除此之處，還要完成對其他模塊的調度。
3總結
關鍵詞:低壓配電監控系統;電力系統;計算機;監控
配電監控系統是將智能配電設備更加數字化的信息進行采集，從而實現了配電站的成本縮減。為了滿足用戶的實際需求，筆者結合某機場建設來分析常見低壓配電系統元件的選擇、監控系統現場通信協議及總線的應用。
1監控構成與原理
配電監控系統，主要是由三個部分的工作站而組成的。這三個部分分別為打印機管理員工作站，工程師工作站以及最后的智能化開關柜。而如果想要工控機進行正常的通訊，這就需要我們結合之前所提到的三個部分中的電力儀表，由此而進行開關柜的通訊系統，以及開關系統。同時，我們還應該安裝幾個分屏，比如說功率因數補償屏以及過橋屏模塊和另外的其他分屏。
2監控系統構成
2．1服務器
如果進行監控網絡的設計，要重新配置底層配電源元件，且需要進行通信網絡的設計和施工。傳統配電系統不具備通信電纜的條件，為了保證通信的基礎，加入無線通信也是配電監控系統的發展趨勢，其可以透明地把配電系統串口信號進行雙向無線傳輸，還能使用工頻段，不需要進行申請。會隨著上網的普及，轉換器運用也會在逐步增加，對于這些產品提供標準的通信接口，還要提供雙向透明數據，讓大家不用知道復雜的通信原理協議下，不用麻煩的更改原有程序，就能讓工業串口設備的串口通信轉換為無線網絡通信，目前已經很多國內系統廠商都在實行提出了無線組網的方案。
2．2光纖交換機
該監控系統之中的光纖交換機，是由一個網絡體系而組成的，這一網絡系統的主用功能就是為了儲存。其中這一系統之中的通訊功能，都是由這一設備在網絡之中進行的。因此，光纖交換機這一設備不僅僅可以幫助我們儲存資料，而且還可以幫助我們進行大部分情況之下的監控任務。同時，可以提高了數據備份速度，更增加了對存儲系統的冗余連接，并且我們還可以通過使用循環嵌套來使得我們的光纖交換機減少用電量。作為程序中存放所采集到的電量參數的地址，我們需要使用到DB數據塊。如果要從技術上來講，連接設備、設備接口和通信控制協議，可以構成一個SAN系統。
3監控軟件系統設計
監控軟件系統的設計，主要作用是為了能夠幫助我們進行遠處信息的采集，這一系統的設計采用了獨立的運行系統以及數據庫，它的工程師工作站用的是運行Windows2000。專業網絡版組態軟件是基于組態軟件TelePower為基礎，而開發使用的監控系統。這一監控系統可以有效的降低電壓的使用度數，同時增加軟件的畫面效果。由此而使得我們所看到的，呈現出來的畫面是高配置的模擬畫面。該監控系統的主要功能是為了能夠的將登錄，以及各種表格，和各種數據，乃至于操作記錄等，其中，甚至是較為困難的，難以解決的任務，都可以使用這一監控系統。因此，這一監控系統不僅僅可以做到較為高難度的監控要求，還可以確保一定的安全;可通過網絡狀態檢測、綜合判斷等，進而提高整個配電系統的可靠性。
3．1PLC設計
筆者所在的某國際機場低壓配電監控系統所使用的軟件，其特點主要就是能依據循環嵌套的這一種模式，從而實現了這一控制系統在使用的時候能夠盡可能的較少電壓的使用。而在另外一種形態的時候，這一軟件又可以DB數據塊作為程序中存放所采集到的電量參數的地址:(1)功能塊FC31(Measurement)主要實現通過移動定義的變量P，實現開關遠程分合;(2)功能塊FC32(Commstatesum)這一功能塊的主要目的就是為了能夠更好的采取一一對應的方式，由此而進行數量的采集。
3．2人機操作界面
國際機場低壓配電監控系統是西門子的專業軟件作為使用的平臺，然后以WINDOWM7作為這一人機操作界面的操作系統的一部分，同時另外使用不同的服務器作為這一操作系統的另一部分，由此而組成的人機操作界面。(1)用戶管理及操作權限。這是需要工程師級別的用戶才可以使用的操作權限，對于一般的操作人員，是不具有這一操作權利的。這一做法的主要目的就是為了使得人機操作界面，能夠處于一個較為安全的環境之中。而這一操作權限的控制，主要原理為低電壓的配置。(2)圖形化系統。圖形化系統不僅僅可以實現傳統的監視任務，更加值得稱贊的是圖形化系統還可以實現復雜化的監控任務。這都是通過圖形化設計器這一機型，從而使得圖形化系統能夠在運行的時候，做到這一成果。在圖形化系統在進行運行的時候，可以依靠圖形化設計器呈現出現場的實時監控，這就很大程度上的保證了機場之中的安全。(3)數據的采集與處理。人機操作界面之中的數據，主要采集來源是數據庫儲存。對于數據的采集以及處理來說，正是因為配備了低電壓的系統來進行數據采集設備的開關，因此重要的信息都會被采集進數據庫之中。并且，這一設備同時配合以多功能的電力系統開關，就可以直接采集到監控系統的信息。(4)報表管理。報表管理主要使用的是電能報表，這一管理可以自動的運行關于報表的各個方面的內容，其中包括了報表的歷史，報表的操作記錄，報表的查詢以及等等其他的各個方面的報表數值。這些報表數值不僅僅可以給我們呈現出關于電能費率的相關數據的表格，還可以讓我們方便的查詢在這些數值形成過程之中的具體細節。(5)事件記錄和故障報警。事件紀錄以及故障報警，是可以詳細給我們呈現出事件發生時候的所存在的所有內容。甚至于，這一內容之中還包括了值班人員的信息等等，并且還可以自動對運行設備發送控制指令。(6)打印。對于給需要打印的作業進行打印，在這一機器進行運行的時候，需要有動態內容的設定，并且同時還需要設置打印作業的時候所需要的相對應的數據，這樣才可以在低壓的情況之下，進行打印。
4結語
由以上的實踐研究，我們可以清楚的知道，這一電子監控系統具有很高的可實用性。這一監控系統，不僅僅可以很好的做到了安全簡單這一基礎要求，同時也可以更好的提高了工作人員們的工作效率。使得工作人們能夠在遠程就可以進行這一監控系統的操作使用，并且這一設備也很好的實現了數據儲存這一要求。因此，這一電子監控設備不僅僅達到了我們所需要的設計目的，同時這一監控設備在實際的運用之中，發揮了更好的使用效果。
作者:唐瀾劍 單位:成都雙流國際機場股份有限公司
參考文獻
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1.1遠程監控需求分析
1）具有遠程控制休眠、喚醒地震儀功能。地震儀在放炮之前喚醒，在停止施工期間休眠，地震儀可有選擇的進行采集工作，這樣大大節省了數據存儲空間，降低了采集系統的功耗，延長了儀器的待機時間。
2）可查詢如CF卡剩余空間，內置電池電量，位置經緯度，采集站狀態等信息。對剩余空間、電池電量不足，采集站狀態錯誤且不能遠程修復的采集站及時安排工作人員更換。提高野外勘探作業的工作效率和靈活性，增強采集系統數據的可靠性。對讀取回來的地震儀經緯度信息在上位機端進一步處理，可用于研發地震儀排列位置監測及遠程防盜系統，保障野外勘探儀器的安全性。
3）遠程控制地震儀自檢功能，并能回收自檢數據。地震儀系統自檢內容包括檢波器內阻、噪聲、隔離度測試等，一次完整的自檢過程通常需要2-5分鐘，因此無纜存儲式地震數據采集系統一般只在開機時自檢一次，之后則無自檢過程，因此采集站的部分工作狀態，如檢波器連接狀態等僅僅反映了系統開機時的狀態，不能作為現場質量監控的標準。法國UNITE系統由于沒有遠程監控功能，在自存儲模式下通常是定時自檢，自檢時間為5分鐘，在系統自檢期間，地震儀停止其它一切工作，這樣就減弱了地震儀野外勘探作業工作的靈活性。
4）有一定的遠程修復及設置功能。如配置系統采樣率、增益，系統復位等，出工前對地震儀的工作參數進行統一配置，布設到野外后，根據自檢結果對有問題的地震儀進行參數設置和系統復位等操作，遠程修復和解決問題，節省人力物力，提高無纜地震儀智能化控制程度。
1.2無線通信技術的選擇
目前成熟的無線通信技術較多，如Wi-Fi、Zigbee、Bluetooth、GPRS、3G等，這些通信技術被廣泛應用到生活及工業生產中，北斗短報文是近幾年才發展起來的一種遠距離通信技術，表1列出了應用以上幾種通信技術典型模塊的最大數據傳輸速率、傳輸距離、通信頻帶的參數值。
1.2.1Wi-Fi
Wi-Fi是IEEE802.11系列標準的統稱，其傳輸速率快、安全性高，可集成到已有的寬帶網絡中，配合路由器組建有線、無線混合網絡快捷方便。地震勘探儀器中Wi-Fi常用的組網模式有兩種，即AP（無線訪問接入點）模式和AdHoc（點對點）模式，在野外我們可以用架設AP基站的方式來拓撲無線局域網絡的覆蓋面積[3]，而AP之間可以通過網橋設備連接，從而完成更大面積的網絡覆蓋范圍，然而在實際勘探應用中AP基站和網橋設備架設困難，尤其應用于大道距的二維或者三維勘探工作中，需要更多的基站與網橋，較大的影響了施工進度。AdHoc是一種無中心、自組織、多跳移動通信網絡，結點間通過分層的網絡協議和分布式算法相互協調，實現了網絡的自動組織和數據的相互交換，這種模式下地震儀可將其采集數據及工作狀態信息接力式的傳輸回控制中心，美國WirelessSeismic公司的RT2無線遙測系統就是應用了這種多跳的數據傳輸方式，兩個節點間通信距離的范圍約為25~70m，然而這種工作模式會導致越靠近中央記錄系統的節點積累的數據量越大，且在線性的網絡拓撲結構中，數據傳輸的穩定性受通信距離與地形環境影響較大，數據通信的質量和速率難以得到有效的保證。
1.2.2GPRS、3G移動網絡通信技術
移動網絡通信技術已經成為人們工作生活中不可或缺的重要組成部分。該技術具有抗干擾能力強、傳輸速率高、網絡覆蓋面廣、接入時間短、建設成本低等特點[10]，在地震勘探中可被應用于移動網絡信號覆蓋范圍內的地震臺網遠程監控，它提高了遠程儀器維護的工作效率[11]。然而在地震勘探大道距（道距大于1km）地震深反射、折射探測作業中，由于其基站的信號覆蓋范圍有限，對于遠程監控地震采集站工作存在一定的局限性。
1.2.3北斗短報文通信技術
北斗衛星作為北斗通信技術的中繼，轉發來自地面用戶端的定位及通信請求，地面中心站控制端接收到請求后，解析消息后將解算出的位置信息傳回用戶端或將接收到的接收信息通過北斗衛星轉發至另一地面用戶端，達到衛星定位及通信的目的。北斗短報文通信技術在應用時具有信號覆蓋范圍廣、安全、可靠性高和控制簡單等特點，用戶一次最大可以傳送120個漢字的報文信息，而民用信息發送的頻度通常為30-60s，接收信息則沒有頻度的要求，對于地震儀基本的控制命令收發及狀態信息的傳送，北斗短報文通信技術可以滿足無纜地震儀基本狀態監控數據傳送的要求。
1.3系統結構設計
基于北斗的無纜存儲式地震儀遠程監控系統工作，系統由主控中心、北斗衛星、采集單元三部分組成，主控中心通過北斗指揮機完成對采集單元遠程的控制及狀態數據的回收工作，并對接收到的數據進行管理和存儲。采集單元完成地震數據采集的同時，通過北斗通信模塊可接收來自主控中心端的控制命令，并反饋執行結果信息。北斗衛星是控制命令及反饋信息傳遞的媒介。
2采集站單元設計
2.1硬件設計
地震檢波器將地面振動信號轉化為模擬電信號傳輸到FPGA數據采集單元，由FPGA完成數據的采集、緩存，并提供必要的測試、控制功能。AT91RM9200作為中央處理器，讀取FPGA中存儲的數據，并轉存到CF存儲卡中；通過SPI接口與Wi-Fi模塊連接，實現近距離的無線數據傳輸功能；通過UART與GPS、北斗模塊連接，為采集站提供高精度的授時、定位、遠程通信功能，完成數據同步采集、位置信息獲取、工作質量遠程監控。采集站也可通過以太網接口與電腦終端連接，完成數據的回收及參數設置、檢查工作。采集站在野外應用時采用太陽能和內置鋰電池兩種供電模式，電源智能管理系統會根據采集站當前工作的天氣條件轉換供電模式，保證儀器可靠、穩定的工作[12]。
2.2軟件設計
采集單元的主控制器ARM9運行嵌入式Linux內核版本為2.6.31的操作系統，北斗通信進程完成對北斗模塊接收信息的解析與執行，及執行結果的反饋。北斗短報文通信系統包括指揮機與用戶機，指揮機是北斗短報文通信系統的中央控制器，它相當于一個服務器，負責接收來自多個用戶機的報文，并可以控制多臺用戶機來完成相應的指令。用戶機是北斗短報文通信系統的子節點，相當于一個客戶端，負責將節點工作信息上傳到指揮機，和接收來自指揮機的命令。北斗用戶機在接收到指揮機傳來的信息時，用戶機會通過UART將信息內容上傳給下位機系統，下位機會根據其數據傳輸的格式將信息進行解析，并根據信息包含的指令內容來執行相應的任務。
3上位機服務器軟件設計及測試
主控中心由上位機、打印機、存儲器、發電設備、北斗指揮機組成。上位機與北斗指揮機完成命令的選擇與打包發送，及對采集站反饋信息的接收、顯示、存儲和打印處理。發電設備輸出220V的交流電壓，為上位機及其外設供電。此外上位機服務器軟件通過對GoogleEarthAPI接口的調用，實現了對野外采集站排列位置的遠程監測，為微動勘探實驗中按兩個嵌套式三角形方式排列的采集站傳回的GPS位置信息在GoogleEarth中的顯示。操作人員可根據地圖顯示軟件中采集站的排列位置了解施工進度，獲取采集站排列班報，完成布站人員調度等工作。為了了解遠程監控系統的性能及數據傳輸丟包、誤碼情況，設計如下測試實驗：將7臺內置有北斗通信模塊的采集站接好檢波器放置在室外采集，由主控中心完成與各個采集站間的數據包收發，采用60s一次通訊頻度，數據包長度為200字節，從500個樣本數據中任選7個，分別用于七個站的通訊測試，主控中心將樣本數據依次發給各個子站，并重復500次，子站收到數據包后向主控中心返回相同的樣本數據。主控中心計算從開始發包到收包完成的時間間隔作為通信的延時，主控中心與采集站分別記錄通信時丟包數，并根據與標準樣本數據對比的結果記錄錯包數。
4結論
為了全面提高煤礦企業安全生產水平,國務院《關于進一步加強企業安全生產工作的通知》,強制推行先進適用的技術裝備。目前,國內的各煤礦基本安裝了煤礦安全監控系統,煤礦安全監控系統主要功能是保證安全監管部門能及時了解煤礦井下的實時信息,發現各種異常情況及報警信息,督促煤礦能及時處理,以減少事故的發生。而現有的煤礦安全監控網絡這門課程的實訓平臺必須依賴于真實的安全監控分站和傳感器,而一套最簡單的安全監控系統至少需要5,6萬元,若單獨為每位實訓的學生配置一套安全監控系統不切實際,因此迫切需要一套虛擬實訓平臺能真是模擬整個安全監控系統的安裝及配置過程,并且具備驗證系統參數設置正確性的功能,能讓每位學生都能獨立的完成所有參數設置。
2需求分析
按照網絡化教育系統的任務、特點,將該門課程的虛擬實訓平臺各功能模塊設計下:(1)配置文件正確性驗證。具備系統安裝正確性驗證功能,如果配置文件參數設置錯誤,會根據錯誤情況提示用戶進行相關參數的修改。(2)產生測點信息。虛擬平臺能隨機產生需要定義的測點以及該測點的各種虛擬參數,由于在系統配置完畢后需要驗證整套系統是否能有效的實現風電瓦斯閉鎖,因此該虛擬數據還應支持用戶自行修改。(3)測點定義。結合系統給出的各類測點,用戶能對測點的詳細參數進行設置。包含模擬量傳感器的報警值、斷電值、浮點值、預警值的設置以及控制口的關聯;開關量傳感器的斷線、正常狀態、非正常狀態的設置以及控制口關聯;控制量的常開與常閉狀態的設置;交叉斷電等。(4)報警信息提示及查詢。對于虛擬平臺產生的報警、斷電等異常信息,系統能通過語音等方式及時提醒用戶,并具備對于歷史信息提供查詢的功能。(5)統計報表管理。虛擬平臺能夠對模擬量及開關量的數據,分站的運行狀態統計形成報表,并提供打印、導出功能。
3總體設計
煤礦安全監控虛擬實訓平臺采用B/S結構,應用Web服務器、JSP動態網頁設計及網絡模擬器等技術,構建虛擬實訓環境。網絡模擬器包可以安裝在網絡互聯實訓室的服務器上,也可以安裝在校園網的服務器上。學生只要在瀏覽器頁面中輸入服務器的IP地址,即可登錄到虛擬實訓平臺對各項參數進行配置和調試。整個虛擬實訓平臺的核心是測點定義以及正確性驗證這部分功能,而用戶的測點定義必須遵循《煤礦安全規程》、《AQ1029-2007》以及其他相關規程規范的要求,并結合平臺提供的虛擬數據詳細設置傳感器的報警值、斷電值、復電值等參數。
4詳細設計
(1)傳感器的設置。在采煤工作面上隅角設置瓦斯傳感器1個;在工作面回風巷距工作面10米處設置瓦斯傳感器1個;在工作面回風巷末端10-15米的范圍內設置瓦斯傳感器1個、風速傳感器1個,若是自然礦井還應增加一氧化碳傳感器1個、溫度傳感器1個;在工作面進風順槽工作面移變處設置饋電傳感器、開停傳感器若干,用于檢測工作面主要設備的開停和饋電狀態;工作面回風巷長度若超過1000米,則還應在中部增設瓦斯傳感器1個;煤與瓦斯突出礦井,在工作面進風順槽處設置瓦斯傳感器1個;采用串聯通風的采煤工作面,被串工作面的進風巷10-15米處設置瓦斯傳感器1個;有專用排瓦斯巷道的工作面,必須在專用排瓦斯靠近回風巷10-15米處設置瓦斯傳感器。以上為虛擬實訓平臺自帶的已定義好的虛擬測點,考慮到系統擴展性,支持自定義各類模擬量和開關量傳感器的定義。修改數據庫中的表t_point即可實現。其中tpointNo為定義測點編號,fzID為定義分站號,lxID為定義傳感器測點類型,dwID為定義傳感器量產單位,Val為虛擬數據初始值,Wave為虛擬數據波動比例。(2)測點定義正確性驗證。當用戶對已有的測點定義完畢,需要虛擬實訓平臺對其正確性進行驗證,而驗證其正確性的依據是《AQ1029-2007》。如:工作面及上隅角瓦斯傳感器報警值應≥1%,斷電值應≥1.5%,復電值應<1%;回風巷的瓦斯傳感器報警值應≥1%,斷電值應≥1%,復電值應<1%等。
5結語
