射氣運(yùn)移機(jī)制實(shí)測環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)控

Real Time Monitoring of Actual Measurement Environment of Emanation Migration Mechanism

蔡思靜

(福建工程學(xué)院信息科學(xué)與工程學(xué)院,福建 福州　350118)

射氣運(yùn)移機(jī)制實(shí)測環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)控

Real Time Monitoring of Actual Measurement Environment of Emanation Migration Mechanism

蔡思靜

(福建工程學(xué)院信息科學(xué)與工程學(xué)院,福建 福州350118)

摘要：針對(duì)射氣應(yīng)用研究及理論模型優(yōu)化的智能需求，設(shè)計(jì)了結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的射氣分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)在原有的射氣模擬系統(tǒng)基礎(chǔ)上，結(jié)合射頻和傳感技術(shù)，完成物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的射氣智能分析系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。采用結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)完成了上位機(jī)的射氣智能分析平臺(tái)開發(fā)，利用射頻及有線通信完成射氣智能分析平臺(tái)的實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊設(shè)計(jì)。經(jīng)測試，實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊達(dá)到了零誤差傳輸，從而證明了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引入射氣研究領(lǐng)域的可行性，為射氣的應(yīng)用研究提供了廣闊平臺(tái)。

關(guān)鍵詞：射氣物聯(lián)網(wǎng)(IOT)實(shí)時(shí)監(jiān)控智能監(jiān)測RS-232VS.NET

Abstract：In accordance with the intelligence needs of the application study and theoretical model optimization for emanation, the emanation analytical system combining with IOT technology is designed. On the basis of the existing emanation emulated system, and combining with radio frequency and sensing technologies, the hardware design of emanation intelligent analysis system under IOT environment is accomplished. The development of the host computer emanation intelligent analysis platform is achieved by using modular design; and the design of the real time monitoring module of the emanation intelligent analysis platform is completed by using radio frequency and wire communication. The tests show that the real time monitoring module reaches zero error transmission. Thus the feasibility of introducing IOT technology into the research area of emanation is proved; this provides an broad platform for the application research of emanation.

Keywords：EmanationInternet of things(IOT)Real time monitoringIntelligent monitoringRS-232VS.NET

0引言

隨著人們對(duì)醫(yī)療服務(wù)、生活環(huán)境的日益關(guān)注，針對(duì)射氣的應(yīng)用研究變得更為深入和廣泛。揭示射氣內(nèi)在運(yùn)移機(jī)制是射氣應(yīng)用研究的重要領(lǐng)域，現(xiàn)階段針對(duì)射氣內(nèi)在機(jī)制的研究多基于理想狀態(tài)(無溫度差、無濕度差和無壓力差的環(huán)境)下的實(shí)驗(yàn)分析[1]。為了達(dá)到理想的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，課題設(shè)計(jì)了具備智能射頻感知功能的恒溫水循環(huán)系統(tǒng)。射氣的內(nèi)在運(yùn)移機(jī)制研究模型將采用現(xiàn)階段流行的團(tuán)簇理論[2]。在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中存在的溫度、濕度和壓力差都將反映在修正系數(shù)中，以往的處理方式采用反復(fù)擬合、盲目匹配的辦法。該設(shè)計(jì)將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引入射氣理論模型，通過實(shí)測監(jiān)控系統(tǒng)得到精確差值，避免了修正系數(shù)的盲目匹配，為射氣理論模型的完善提供了技術(shù)支持。與此同時(shí)，實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊可以精確地測量每一個(gè)測定點(diǎn)的溫濕度值，并且將研究人員從具備危險(xiǎn)性的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中解脫出來，實(shí)現(xiàn)了溫濕度測量的無人作業(yè)，降低了實(shí)驗(yàn)成本。通過該課題的研究，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與射氣研究緊密結(jié)合，針對(duì)射氣的應(yīng)用研究又邁出了堅(jiān)實(shí)的一步。

1系統(tǒng)概述系統(tǒng)功能分析

射氣智能分析系統(tǒng)是在原有的“射氣仿真系統(tǒng)”的基礎(chǔ)上，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，完成集射氣模擬仿真、數(shù)據(jù)分析處理和環(huán)境監(jiān)測/控制于一體的智能分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)的主要功能包含：射氣理論模型仿真、射氣濃度測試數(shù)據(jù)傳輸/分析/保存、射氣實(shí)驗(yàn)環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測/分析/存儲(chǔ)/參數(shù)反饋等功能。

射氣理論模型仿真依據(jù)現(xiàn)階段主流理論——團(tuán)簇理論[2]。團(tuán)簇理論是建立在擴(kuò)散理論的基礎(chǔ)上，結(jié)合范德華力形成針對(duì)射氣研究的重要理論。該模型的研究環(huán)境為理想狀態(tài)下的實(shí)驗(yàn)環(huán)境(具備智能射頻感知功能的恒溫水循環(huán)系統(tǒng)[3])，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)通過水循環(huán)和PVC管壁及填充物降低濕度差，從而達(dá)到溫度差可控。設(shè)置的溫濕度傳感器將每個(gè)時(shí)刻的溫濕度量化，并反饋到系統(tǒng)模型，用于數(shù)學(xué)模型的參數(shù)修正。

射氣濃度測試數(shù)據(jù)傳輸/分析/保存模塊完成射氣濃度實(shí)測數(shù)據(jù)的上傳及保存，并以此為依據(jù)生成二維數(shù)據(jù)分布圖和三維濃度等高線分布圖。與此同時(shí)，系統(tǒng)還提供實(shí)測數(shù)據(jù)擬合功能，為團(tuán)簇理論模型分析提供依據(jù)。

射氣實(shí)驗(yàn)環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊是完成系統(tǒng)智能化設(shè)計(jì)的重要模塊。該模塊結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[4]，通過射頻傳感技術(shù)完成實(shí)驗(yàn)環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測和數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)上傳[5-6]，系統(tǒng)還將實(shí)驗(yàn)環(huán)境參數(shù)值反饋至理論模型,進(jìn)行模型參數(shù)的調(diào)整和優(yōu)化。此外，環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊還根據(jù)上位機(jī)的分析提供簡易的回傳指令，控制射頻傳感模塊正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)功能實(shí)現(xiàn)

2.1　硬件實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)由射頻傳感模塊、閱讀控制模塊和射氣智能分析平臺(tái)3部分組成，如圖1所示。

圖1系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

Fig.1Block diagram of systematic design

① 射頻傳感模塊

該模塊采用活性鋼圈內(nèi)置于內(nèi)層PVC管壁，距離可調(diào)[3]，完成射氣實(shí)驗(yàn)環(huán)境的溫濕度測量、數(shù)據(jù)射頻傳輸和回傳指令執(zhí)行等功能。采用SHT75及外圍電路完成實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫濕度測量。通過nRF24LE01提供的nRF24L01+模塊完成數(shù)據(jù)的射頻傳輸，由nRF24LE01內(nèi)置8051內(nèi)核完成模塊調(diào)用。

② 閱讀控制模塊

該模塊實(shí)現(xiàn)與射頻傳感模塊的無線通信，并通過RS-232完成與上位機(jī)的有線傳輸。電路由MSP430F449、nRF24L01+及外圍電路組成。

③ 射氣智能監(jiān)測系統(tǒng)

該模塊基于PC上位機(jī)，通過VS.NET平臺(tái)和C#語言完成系統(tǒng)功能。

2.2　軟件實(shí)現(xiàn)

射氣智能分析平臺(tái)基于上位機(jī)開發(fā)，是射氣智能分析系統(tǒng)的核心模塊，完成了實(shí)驗(yàn)及模擬數(shù)值的分析、顯示和存儲(chǔ)等功能。此外，還具備實(shí)驗(yàn)環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測和回傳控制等功能，實(shí)現(xiàn)射氣研究的智能化。射氣智能分析平臺(tái)具體功能如下。

① 射氣理論模型仿真

根據(jù)團(tuán)簇理論及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，完成射氣模型的數(shù)學(xué)模型分析；在此基礎(chǔ)上，利用C#語言完成射氣模型的計(jì)算機(jī)描述。

② 射氣濃度分布數(shù)據(jù)的傳輸/保存

伽瑪能譜探頭探測的射氣濃度經(jīng)通用數(shù)據(jù)采集卡上傳至系統(tǒng)平臺(tái)。系統(tǒng)提供射氣濃度值的接收和保存功能。

③ 射氣濃度分布數(shù)據(jù)數(shù)值、二維、三維(等高線)顯示

該模塊的數(shù)值顯示包括：固定位置射氣隨時(shí)間變化的濃度分布、確定時(shí)間射氣隨位置變化的濃度分布；模塊的二維顯示將依據(jù)數(shù)值內(nèi)容進(jìn)行二維圖形繪制和顯示；模塊的三維顯示主要是時(shí)間變化和位置變化的等高度線繪制及顯示功能。

④ 實(shí)測數(shù)據(jù)與模型數(shù)據(jù)的分析顯示

該模塊將提供研究者實(shí)測數(shù)據(jù)與理論模型數(shù)據(jù)的直觀圖形顯示，便于研究者進(jìn)行參數(shù)修正和模型改進(jìn)。

⑤ 理論模型三維動(dòng)畫顯示

該模塊以射氣理論模型為依據(jù)，模擬射氣運(yùn)移的動(dòng)畫顯示。

⑥ 實(shí)驗(yàn)環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊

該模塊基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，提供了射氣智能監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制，實(shí)現(xiàn)了射氣研究的智能化要求。該模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測射氣實(shí)驗(yàn)環(huán)境，并上傳至上位機(jī)，同時(shí)完成上位機(jī)指令的回傳功能。

⑦ 實(shí)驗(yàn)環(huán)境數(shù)據(jù)保存及參數(shù)修正

該模塊提供實(shí)驗(yàn)環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊上傳數(shù)據(jù)的保存，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行理論模型的參數(shù)修正。

3實(shí)驗(yàn)環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊依賴于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，結(jié)合射頻傳感功能，完成數(shù)據(jù)的有線/無線傳輸；依賴該數(shù)據(jù)完成智能分析和模型優(yōu)化，并提供上位機(jī)指令回傳監(jiān)控功能。該功能模塊的實(shí)現(xiàn)，將大大推進(jìn)射氣研究的智能化進(jìn)程。因此，實(shí)驗(yàn)環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊設(shè)計(jì)是射氣智能檢測系統(tǒng)的核心模塊，其數(shù)據(jù)傳輸包括了無線傳輸和有線傳輸。射頻傳感模塊與閱讀控制模塊之間采用無線射頻通信，閱讀控制模塊與上位機(jī)之間采用有線通信。

3.1　無線通信模塊設(shè)計(jì)

射頻傳感模塊與閱讀控制模塊之間通過射頻技術(shù)完成實(shí)驗(yàn)環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊的無線通信。射頻傳感模塊的射頻收發(fā)模塊采用nRF24L01+的增強(qiáng)型ShockBurst模式，閱讀控制器的射頻收發(fā)模式采用了和標(biāo)簽一樣的nRF24L01+芯片[7-8]。系統(tǒng)通過模塊復(fù)用完成射頻傳感模塊與閱讀控制模塊的射頻通信功能開發(fā)。具體實(shí)現(xiàn)已經(jīng)在參考文獻(xiàn)[3]中詳述。

3.2　有線通信模塊設(shè)計(jì)

閱讀控制模塊與上位機(jī)之間通過RS-232連接，通過有線通信模塊完成閱讀控制模塊的數(shù)據(jù)上傳及上位機(jī)指令回傳等功能。

3.2.1模塊模型設(shè)計(jì)

模塊設(shè)計(jì)采用面向?qū)ο蟮能洏?gòu)建設(shè)計(jì)形式，細(xì)化各個(gè)功能模塊，通過模塊端口實(shí)現(xiàn)調(diào)用。模塊的主要功能類如圖2所示。

圖2　實(shí)驗(yàn)環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊UML類模型

在模塊設(shè)計(jì)中，串口通信初始化ComPortClass、握手信號(hào)收發(fā)SayHellow()、返回串口的接收數(shù)據(jù)GetData()、向串口寫數(shù)據(jù)SetData()、校正Calibrate()、重置Reset()等操作集中在ComPortClass類中。發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行格式打包的功能集中在UsartCmd類中，通過重載UsartCmd類中的UsartCmd()函數(shù)，實(shí)現(xiàn)握手信號(hào)、數(shù)據(jù)收發(fā)信號(hào)、結(jié)束信號(hào)的格式打包。信號(hào)標(biāo)志位放在CmdType類中。此外，鑒于系統(tǒng)的兼容性和移植性要求，模塊還提供了用戶設(shè)定窗口，用戶可以根據(jù)芯片型號(hào)自行設(shè)定信號(hào)標(biāo)志位。將芯片對(duì)應(yīng)的標(biāo)志位保存在ADDR_1和ADDR_2中，鑒于數(shù)據(jù)量較大，在圖2中沒有顯示。進(jìn)制轉(zhuǎn)換、數(shù)組與字符間的轉(zhuǎn)換等集中在StringHelper中。運(yùn)行狀態(tài)枚舉集中在RunStatus類中。此外，一些調(diào)用的常規(guī)特性與操作均集中在Program類中。

3.2.2模塊功能實(shí)現(xiàn)

基于結(jié)構(gòu)化的模塊設(shè)計(jì)，在避免程序二次開發(fā)的同時(shí)，為模塊提供了很好的冗余性。設(shè)計(jì)過程中只需要通過類對(duì)象調(diào)用不同的屬性及方法，完成不同的功能要求。如串口連接操作，其設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

部分代碼如下。

private void button1_Click(object sender, EventArgs e)

{ if (!ComState)

{ comPort = comboBox_serialport.SelectedItem.ToString();

try

{Program.comp = new ComPortClass(comPort, 57600);

ini_answer = Program.comp.SayHellow();

ComState = ini_answer.Contains

("Hellow!");

if (ComState)

{ ConnStartTime = DateTime.Now;

黨的十九大報(bào)告提出，要推進(jìn)反腐敗國家立法，建設(shè)覆蓋紀(jì)檢監(jiān)察系統(tǒng)的檢舉舉報(bào)平臺(tái)。[4]“大老虎”竊國，禍國殃民；“小蒼蠅”竊銖，為患鄉(xiāng)里。二者均對(duì)社會(huì)造成嚴(yán)重危害。打“老虎”、拍“蒼蠅”，對(duì)重拾民心、弘揚(yáng)正氣、穩(wěn)定社會(huì)具有同等功效，且后者更能堅(jiān)定基層民眾建設(shè)小康社會(huì)的信心。在中上層反腐取得巨大成效的前提下，嚴(yán)刑峻法打擊基層腐敗及與其沆瀣一氣的鄉(xiāng)村黑惡勢力，更顯尤為迫切。

IniSetForm();}

else

{ MessageBox.Show("串口連接失??！");

Program.comp.CloseCom();}

}

catch

{ MessageBox.Show("打開失敗！");

ini_answer = "";

return; }

}

}

else

{ Program.comp.CloseCom();

ComState = false;

IniSetForm();}

}

圖3　串口連接流程圖

4測試

射頻通信采用Enhanced ShockBurstTM收發(fā)模式，32字節(jié)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)載荷[3]，有線通信通過RS-232串口與PC機(jī)相連，波特率采用19 200 bit/s。通過反復(fù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，由于管子較長，在PVC管的一頭出水、一頭進(jìn)口的設(shè)計(jì)[1]會(huì)產(chǎn)生較大的溫度差影響。因此進(jìn)行了改進(jìn)，將進(jìn)水口改置于PVC管的中間，出水口移至兩頭。

取其中的一組數(shù)據(jù)(40.125、40.125、41.125、42.375、42.375、42.5、43.562 5、43.562 5、42.5、41.562 5、41.562 5、41.125、41.125、40.5、40.125)(單位：℃)為例進(jìn)行分析，溫度平均值為：

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)已經(jīng)做了修正。溫度標(biāo)準(zhǔn)差值為：

經(jīng)測試分析，上位機(jī)正確接收閱讀控制器的數(shù)據(jù)包，溫度平均值為36.620 8 ℃，溫度標(biāo)準(zhǔn)差值約為1.104 5K，溫度分辨率低于±1.5K。通過測試,實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊可以準(zhǔn)確完成數(shù)據(jù)的傳輸。

5結(jié)束語

本文進(jìn)行了物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的射氣智能分析系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)將實(shí)驗(yàn)環(huán)境數(shù)據(jù)代入射氣理論模型分析，根據(jù)溫濕度差修正運(yùn)移參量，射氣理論模型得到優(yōu)化。同時(shí)，論證了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引入射氣研究的可行性，體現(xiàn)出強(qiáng)大的開發(fā)能力。在開發(fā)過程中，面向?qū)ο蟮哪K化設(shè)計(jì)在射氣應(yīng)用研究中的優(yōu)越性也得到充分體現(xiàn)。本設(shè)計(jì)可以輕松實(shí)現(xiàn)模塊的移植和升級(jí)等功能。

本研究還處于初級(jí)階段，下一階段的研究工作體現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)環(huán)境的濕度差實(shí)現(xiàn)可控及完成FPGA技術(shù)的引入。

參考文獻(xiàn)

[1] 馬文榮，趙桂芝，丘壽康.淺析溫濕度對(duì)靜電收集法測氡儀收集效率影響的作用機(jī)理[J].核電子學(xué)與探測技術(shù),2012,32(4):482-484.

[2] 曾兵，張金釗，王青.理想情況下氡及其子體在大氣中運(yùn)動(dòng)的探討[J].核電子學(xué)與探測技術(shù),2010,30(5):673-675,711.

[3] 蔡思靜.物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下Rn運(yùn)移機(jī)制實(shí)驗(yàn)裝置的智能射頻感知系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2014,36(7):84-88.

[4] 黃學(xué)飛,李兆飛.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在自動(dòng)化立體倉庫的應(yīng)用研究[J].自動(dòng)化儀表,2013,34(7):66-68.

[5] 張安然.一種低功耗有源標(biāo)簽的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].自動(dòng)化儀表,2014,35(7)：56-59.

[6] 肖林榮,應(yīng)時(shí)彥,馬躍坤，等.2.4 GHz射頻收發(fā)芯片nRF24LE1及其應(yīng)用[J].信息技術(shù),2009(12)：13-16,20.

[7] Yan Bo，Huang Guangwen.Supply chain information transmission based on RFID and Internet of things[C]//ISECS International Colloquium on Computing，Communication,Control,and Management,Sanya,2009:166-169.

[8] 藍(lán)會(huì)立，羅功坤，廖鳳依,等.基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的煙葉發(fā)酵溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)研制[J].計(jì)算機(jī)測量與控制,2013,21(4):910-912.

中圖分類號(hào)：TH84;TN914+.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201508015

福建省教育廳科技基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：JA12232);

福建省科技重大專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：2013HZ0001-4)。

修改稿收到日期：2015-01-14。

作者蔡思靜(1983-)，女，2008年畢業(yè)于福建師范大學(xué)光學(xué)工程專業(yè)，獲碩士學(xué)位，講師；主要從事物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用方面的研究。