监控系统设计论文范文

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篇1

智能温室是现代农业的重要组成部分，早在20世纪70年代，国外就开始对智能温室环境监控技术进行研究，其中日本、荷兰、以色列、美国等发达国家智能温室监测技术发展的最快。国外智能温室最早采用模拟式的组合仪表，采集温室环境因子参数，并通过相关设备进行指示、记录和控制。随后又出现了分布式监测系统以及计算机数据采集监测系统的多因子综合监测系统。温室产业在我国农业中的比重不断增加，加快了我国现代化农业发展的速度。“组态”的概念是伴随着集散型控制系统（DistributedControlSystem，DCS）的出现，才被广大自动化技术人员所熟悉的。在监控技术的不断发展和应用过程中，组态软件因为界面直观、便于二次开发、使用方便而一直占据着非常重要的地位，因此，基于组态软件设计了一套温室监控系统。

1系统总体设计

农作物的生长受到各种不同环境因子的影响，这些环境因子对作物生长发育的影响各不相同[1]。目前，科学家分析影响植物生长的环境因子达52种，其中空气温度、空气湿度、土壤温度、土壤湿度、光照强度、二氧化碳浓度是影响植物生长最主要的几种环境因子。根据系统监测与控制需求分析，确定系统结构如图1所示。

2系统硬件设计

2.1传感器选型

要实现对温室环境因子参数的监测，必须选择适合系统的传感器[2]。为了便于电路设计，系统土壤温湿度传感器选择上海搜博公司生产的SLHT5温湿度传感器。该传感器内置SHT10器件，主要用于土壤温湿度测量。光照度传感器选用ROHM公司的BH1750传感器。该传感器是一种用于两线式串行接口的数字型光强度传感器，内部包含一个16位模数转换器，直接输出数字信号。因此，该传感器使用时不需再进行复杂计算，使用非常方便。二氧化碳传感器选用MH-Z14NDIR红外二氧化碳传感器。该传感器利用非色散红外（NDIR）原理对空气中存在的二氧化碳进行检测，是一款高分辨率、高灵敏度的传感器，无氧气依赖性，寿命长，供电电压为4～6V，提供UART、模拟电压信号、PWM波形等多种输出方式。该传感器内置温度传感器，可进行温度补偿，具有良好的线性输出能力。几种传感器外形如图2所示。

2.2主控制器设计

系统主控制器性能的好坏直接影响系统可靠性。本系统采用基于ARMCortex-M3内核的STM32系列单片机[3]。系统选用STM32F103VE作为主控芯片，主频72MHz，内部含有256K字节的FLASH和64K字节的SRAM，LQFP100封装。操作系统选用了μC/OS-Ⅱ嵌入式实时操作系统[4]。主控制器结构框图如图3所示。

3系统软件设计

软件是整个系统的灵魂，对于系统的运行来说至关重要，各个操作都是在软件的协调下进行的。系统的软件设计包括温室控制系统的软件设计、通信接口驱动程序设计、上位机管理软件的设计等。本系统上位机软件因选取组态软件，此处不再赘述。

3.1系统主程序

系统的主程序是软件设计的核心环节，对整个程序架构起关键作用。系统上电后，将进行初始化，随后进入主程序。系统可以进行模式选择，分为手动和自动两种方式。在进入相应的子程序后，将逐步完成按键的扫描和服务、控制方式设置、环境参数采集、通信接口驱动和执行处理控制等程序，主程序流程图如图4所示。

3.2CAN总线通信协议

CAN总线有其自身的特色，传送的报文没有目标地址，采取全网广播方式，每个节点通过反映数据性质的报文标识符筛选报文，能够实现即插即用，可在线上网下网，增强了数据的安全性，满足控制系统及其他较高数据要求的系统需求。CAN总线通信软件设计包括CAN总线的初始化、报文发送和报文接收3个模块[5]。本系统所使用的芯片因其有专门一整套为其设计的固件驱动程序，因而大大简化了编程过程，为开发者省去了许多时间，可以将更多的精力放在实现系统功能上。

4组态监控系统设计

本系统上位机软件选用组态王组态软件。组态王（Kingview）是由北京亚控自动化软件有限公司开发的一款具有易用性、开放性和集成能力的通用组态软件。使用组态王的基本流程为：设计图形界面、构造数据库、建立动画连接、运行和调试。上位机是系统与用户直接对话的窗口。组态王提供了丰富的系统界面设计资源。本系统分别设计了登录界面、温室状态与控制界面、参数修改界面、实时与历史曲线界面、报警与事件界面，实现了系统相关功能[6]。

5结语

系统完成设计后，配合硬件试验资源，在杨凌农业示范园进行了实地测试，系统测试运行界面如图5所示。测试结果表明，基于组态软件的温室智能监控系统能够实现系统预期功能，操作简单、使用方便，系统运行情况良好。

作者:冯春卫 闵卫锋 单位:杨凌职业技术学院

参考文献

[1]肖乾虎.基于ZigBee/GPRS的作物生长环境因子远程监测系统研究[D].海口:海南大学,2014.

[2]杨少春.传感器原理及应用[M].北京:电子工业出版社,2010.

[3]丹,宗振海,陈慧珊,等.基于STM32的智能温室远程控制系统的设计[J].浙江农业学报,2014,26（3）791-796.

篇2

1）具有远程控制休眠、唤醒地震仪功能。地震仪在放炮之前唤醒，在停止施工期间休眠，地震仪可有选择的进行采集工作，这样大大节省了数据存储空间，降低了采集系统的功耗，延长了仪器的待机时间。

2）可查询如CF卡剩余空间，内置电池电量，位置经纬度，采集站状态等信息。对剩余空间、电池电量不足，采集站状态错误且不能远程修复的采集站及时安排工作人员更换。提高野外勘探作业的工作效率和灵活性，增强采集系统数据的可靠性。对读取回来的地震仪经纬度信息在上位机端进一步处理，可用于研发地震仪排列位置监测及远程防盗系统，保障野外勘探仪器的安全性。

3）远程控制地震仪自检功能，并能回收自检数据。地震仪系统自检内容包括检波器内阻、噪声、隔离度测试等，一次完整的自检过程通常需要2-5分钟，因此无缆存储式地震数据采集系统一般只在开机时自检一次，之后则无自检过程，因此采集站的部分工作状态，如检波器连接状态等仅仅反映了系统开机时的状态，不能作为现场质量监控的标准。法国UNITE系统由于没有远程监控功能，在自存储模式下通常是定时自检，自检时间为5分钟，在系统自检期间，地震仪停止其它一切工作，这样就减弱了地震仪野外勘探作业工作的灵活性。

4）有一定的远程修复及设置功能。如配置系统采样率、增益，系统复位等，出工前对地震仪的工作参数进行统一配置，布设到野外后，根据自检结果对有问题的地震仪进行参数设置和系统复位等操作，远程修复和解决问题，节省人力物力，提高无缆地震仪智能化控制程度。

1.2无线通信技术的选择

目前成熟的无线通信技术较多，如Wi-Fi、Zigbee、Bluetooth、GPRS、3G等，这些通信技术被广泛应用到生活及工业生产中，北斗短报文是近几年才发展起来的一种远距离通信技术，表1列出了应用以上几种通信技术典型模块的最大数据传输速率、传输距离、通信频带的参数值。

1.2.1Wi-Fi

Wi-Fi是IEEE802.11系列标准的统称，其传输速率快、安全性高，可集成到已有的宽带网络中，配合路由器组建有线、无线混合网络快捷方便。地震勘探仪器中Wi-Fi常用的组网模式有两种，即AP（无线访问接入点）模式和AdHoc（点对点）模式，在野外我们可以用架设AP基站的方式来拓扑无线局域网络的覆盖面积[3]，而AP之间可以通过网桥设备连接，从而完成更大面积的网络覆盖范围，然而在实际勘探应用中AP基站和网桥设备架设困难，尤其应用于大道距的二维或者三维勘探工作中，需要更多的基站与网桥，较大的影响了施工进度。AdHoc是一种无中心、自组织、多跳移动通信网络，结点间通过分层的网络协议和分布式算法相互协调，实现了网络的自动组织和数据的相互交换，这种模式下地震仪可将其采集数据及工作状态信息接力式的传输回控制中心，美国WirelessSeismic公司的RT2无线遥测系统就是应用了这种多跳的数据传输方式，两个节点间通信距离的范围约为25~70m，然而这种工作模式会导致越靠近中央记录系统的节点积累的数据量越大，且在线性的网络拓扑结构中，数据传输的稳定性受通信距离与地形环境影响较大，数据通信的质量和速率难以得到有效的保证。

1.2.2GPRS、3G移动网络通信技术

移动网络通信技术已经成为人们工作生活中不可或缺的重要组成部分。该技术具有抗干扰能力强、传输速率高、网络覆盖面广、接入时间短、建设成本低等特点[10]，在地震勘探中可被应用于移动网络信号覆盖范围内的地震台网远程监控，它提高了远程仪器维护的工作效率[11]。然而在地震勘探大道距（道距大于1km）地震深反射、折射探测作业中，由于其基站的信号覆盖范围有限，对于远程监控地震采集站工作存在一定的局限性。

1.2.3北斗短报文通信技术

北斗卫星作为北斗通信技术的中继，转发来自地面用户端的定位及通信请求，地面中心站控制端接收到请求后，解析消息后将解算出的位置信息传回用户端或将接收到的接收信息通过北斗卫星转发至另一地面用户端，达到卫星定位及通信的目的。北斗短报文通信技术在应用时具有信号覆盖范围广、安全、可靠性高和控制简单等特点，用户一次最大可以传送120个汉字的报文信息，而民用信息发送的频度通常为30-60s，接收信息则没有频度的要求，对于地震仪基本的控制命令收发及状态信息的传送，北斗短报文通信技术可以满足无缆地震仪基本状态监控数据传送的要求。

1.3系统结构设计

基于北斗的无缆存储式地震仪远程监控系统工作，系统由主控中心、北斗卫星、采集单元三部分组成，主控中心通过北斗指挥机完成对采集单元远程的控制及状态数据的回收工作，并对接收到的数据进行管理和存储。采集单元完成地震数据采集的同时，通过北斗通信模块可接收来自主控中心端的控制命令，并反馈执行结果信息。北斗卫星是控制命令及反馈信息传递的媒介。

2采集站单元设计

2.1硬件设计

地震检波器将地面振动信号转化为模拟电信号传输到FPGA数据采集单元，由FPGA完成数据的采集、缓存，并提供必要的测试、控制功能。AT91RM9200作为中央处理器，读取FPGA中存储的数据，并转存到CF存储卡中；通过SPI接口与Wi-Fi模块连接，实现近距离的无线数据传输功能；通过UART与GPS、北斗模块连接，为采集站提供高精度的授时、定位、远程通信功能，完成数据同步采集、位置信息获取、工作质量远程监控。采集站也可通过以太网接口与电脑终端连接，完成数据的回收及参数设置、检查工作。采集站在野外应用时采用太阳能和内置锂电池两种供电模式，电源智能管理系统会根据采集站当前工作的天气条件转换供电模式，保证仪器可靠、稳定的工作[12]。

2.2软件设计

采集单元的主控制器ARM9运行嵌入式Linux内核版本为2.6.31的操作系统，北斗通信进程完成对北斗模块接收信息的解析与执行，及执行结果的反馈。北斗短报文通信系统包括指挥机与用户机，指挥机是北斗短报文通信系统的中央控制器，它相当于一个服务器，负责接收来自多个用户机的报文，并可以控制多台用户机来完成相应的指令。用户机是北斗短报文通信系统的子节点，相当于一个客户端，负责将节点工作信息上传到指挥机，和接收来自指挥机的命令。北斗用户机在接收到指挥机传来的信息时，用户机会通过UART将信息内容上传给下位机系统，下位机会根据其数据传输的格式将信息进行解析，并根据信息包含的指令内容来执行相应的任务。

3上位机服务器软件设计及测试

主控中心由上位机、打印机、存储器、发电设备、北斗指挥机组成。上位机与北斗指挥机完成命令的选择与打包发送，及对采集站反馈信息的接收、显示、存储和打印处理。发电设备输出220V的交流电压，为上位机及其外设供电。此外上位机服务器软件通过对GoogleEarthAPI接口的调用，实现了对野外采集站排列位置的远程监测，为微动勘探实验中按两个嵌套式三角形方式排列的采集站传回的GPS位置信息在GoogleEarth中的显示。操作人员可根据地图显示软件中采集站的排列位置了解施工进度，获取采集站排列班报，完成布站人员调度等工作。为了了解远程监控系统的性能及数据传输丢包、误码情况，设计如下测试实验：将7台内置有北斗通信模块的采集站接好检波器放置在室外采集，由主控中心完成与各个采集站间的数据包收发，采用60s一次通讯频度，数据包长度为200字节，从500个样本数据中任选7个，分别用于七个站的通讯测试，主控中心将样本数据依次发给各个子站，并重复500次，子站收到数据包后向主控中心返回相同的样本数据。主控中心计算从开始发包到收包完成的时间间隔作为通信的延时，主控中心与采集站分别记录通信时丢包数，并根据与标准样本数据对比的结果记录错包数。

篇3

1前言

建设较完善的智能交通系统(ITS)是当下人们研究的重点。车辆导航与监控系统是ITS的重要组成部分，它借助于电子地图为驾驶员实时提供车辆位置、速度、方向以及周围地理环境等信息，以指导驾驶员快速、安全、准确的到达目的地。本人及小组成员根据项目要求，设计并实现了基于GPS/GIS以及借助于计算机网络和现有的GSM网通信平台的车辆导航与监控系统。从而实现了在GSM网覆盖范围内车辆的定位导航监控及管理。

2系统总体设计

2.1设计思路及结构划分

系统的设计首先从车辆的定位着眼，进而完成对其进行监控导航等功能，因此需要结合当前应用广泛的GPS、GIS、GSM及计算机通信等方面的技术。在具体运行中设置在车辆上的终端部件将从GPS接收坐标数据，并结合速度等信息通过GSM系统以SMS方式发送到控制中心，控制中心则要结合其后台的GIS系统以图像方式表现在屏幕上，同时又要根据需要对车辆通过GSM系统以SMS方式发送控制指令。另外为了方便用户查询用户基本信息、交通信息、车辆行驶信息等，控制中心还要实时向WEBGIS服务器传送相关信息。由此，我们对该系统的设计主要分为了车载单元和监控中心两大部分。

2.2控制中心端设计

控制中心端是我们整个系统的核心部分，它既要接收来自移动端的GPS信息并结合数据库以图形方式反映在GIS平台上，同时又要根据监控信息给车辆以相应的信息反馈，以提供车辆的导航。其功能结构如图1。

（1）数据库设计。系统对数据的要求包括地理空间数据和非空间数据，非空间数据又包括基本的属性数据和GPS数据，因此建立了三个数据库分别是地理空间数据库、属性数据库和GPS消息数据库。其中地理空间数据库主要存储GIS方面的空间图形数据，此处以成都市电子交通地图为主要部分，包括道路交通网图形要素的空间位置、几何特征和拓扑关系以及其它一些附属地物，如机关单位、绿地广场、商店超市等。属性数据库主要包括车辆基本信息、用户信息、服务信息等。GPS消息数据库主要针对车辆位置信息的管理，以方便车辆导航及路径回放等。后两者均为结构化数据，采用一般的关系数据库以表、视图方式即可很好的表示。

（2）GPS分析管理模块。此模块主要从车辆的定位、跟踪方面进行处理，对被监控车辆接收移动端发来的位置、速度等信息以图形方式显示在地图上，并以文本方式做详细记录；依据记录的数据在需要时进行回放，回放功能的设计上包括开始、暂停、继续、结束四个状态。另外还包括基本的车辆信息查询处理功能，如车辆信息查询、驾驶员信息查询、车辆监控查询、车辆调度等。

（3）GIS分析管理模块。此模块主要在MapObject基础上集成二次开发，实现GIS的基本功能，如地图放大、缩小、漫游、查询、距离测量等。另外根据项目需要实现了路段及区域范围内车辆密度分析功能。

2.3移动端设计

移动端也就是我们的车载端系统，它包括GPS接收模块、DR传感器（DeadReckoning）、车载导航计算机、通信控制器及设备等组成，其结构如图2。

GPS接收机主要用于接收卫星信号，并解算出定位信息；DR传感器用于航位推算，它是为了解决GPS无法定位而导致导航软件无法工作的问题而特意在我们的系统中引入的；车载导航计算机用于数据采集和处理；通信控制器用于向GSM短信中心发送车辆位置等数据，并接收控制中心通过GSM网发来的监控指令等数据。其工作原理为：当GPS接收模块或DR传感器取得数据后，通过通信控制器把数据以短信息的形式传到GSM短信中心，再通过局域网或广域网把数据传到监控中心，车载终端系统以中断方式完成来自GPS模块和DR传感器的数据的接收，在硬件主程序中循环采集信号和控制其它设备。3系统关键技术与实现

3.1通信

车载设备与监控中心的通信方式采用GSM短信业务方式完成。发送端将数据加上目的地址按照通讯机协议进行编码发送给短消息服务中心，之后再由短消息服务中心发送给监控中心。监控中心收到信息后同样以相应的通讯协议进行解码后分解为可识别的车辆经纬度、状态等信息。他们之间是以RS232全双工串口来通信的，可以同时接受和发送数据。在此我们利用VC＋＋6.0下的CserialPortEx串口通行类来实现串口通信。CserialPortEx声明如下

classCSerialPortEx

{

public:

BOOLInitPort(CWnd*pPortOwner，UINTportnr=1，UINTbaud=19200，charparity=''''N''''，UINTdatabits=8，UINTstopsbits=1，DWORDdwCommEvents=EV_RXCHAR|EV_CTS，UINTnBufferSize=512)；

}

串口的配置对话框如图3。

3.2地图匹配

由于当前使用的GPS定位精度为数十米，且美国军方为限制其它国家将GPS系统用于军事领域，通过选择可用性(SA)技术，人为地在卫星信号中加入噪声干扰。另外由于城市地物特征复杂，在高密集的建筑物、隧道、立交桥等处行驶时又会受其反射和遮蔽影响，使得在某些区域内无法接收GPS信号而出现定位盲区。因此在GPS定位与航位推算的基础上要将定位点与地图道路进行匹配，这样才能真正实现车辆在地图上的实时定位。

地图匹配是通过车辆的GPS航迹与GIS地图数据库中的矢量化路段对象进行匹配，寻找车辆当前行使的实际道路，再将此定位点投影到道路上。根据车辆行驶的情况和地图匹配的需要，将匹配定位分成了3种不同状态，即道路搜索、直线行驶、转弯。针对每种状态的特点和定位要求，采取了不同的处理方法。

（1）道路搜索。当车辆启动时，道路匹配可能不正确，所以应先对起始时刻进行道路匹配，以便建立正确的投影点，这就需要先进行道路搜索。在进行道路搜索时我们将道路连通性作为考虑要素，如图4所示：p0是前一时刻匹配的位置点，p1是当前时刻的GPS定位点，L1、L2、L3是待搜索的范围内的三条道路。虚线箭头是p0时刻车辆行使方向。根据前一时刻匹配结果认为车辆在道路L1上，由于道路L1与L2是连通的，所以车辆不可能直接进入L3，只可能是在L1和L2中进行搜索。

（2）直线行驶。在没有接近道路交叉点时，可以一直认为车辆是在此道路上行驶，可将定位点全部投影在此路段上，如图5。

（3）转弯。当接近交叉点时进行转弯处理。此时可认为是新一次的道路搜索，采用道路搜索的算法处理即可。

4结束语

基于GPS/GIS/GSP车辆实时监控导航管理系统涉及GPS技术、通信技术、地理信息学、数据库、软件工程等多个技术领域，系统较为复杂，本文从系统的整体结构、原理、功能、关键技术算法等方面对车辆导航监控系统做了一定分析研究。具体论述应对车辆定位、导航、监控等领域具有实用价值。

参考文献

1谭国真，赵亦林.车辆定位与导航系统[M]北京：电子工业出版社，1999.

2刘光.地理信息系统二次开发教程（组件篇）[M].北京：清华大学出版社，2003.

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鉴于危险废物监控的必要性，并综合考虑监控内容和难点，设计危险废物实时监控系统，其网络拓扑结构图如图1所示。危险废物监控系统包括产废监控子系统、处废监控子系统、数据交换服务三个部分。产废监控系统部署在产废单位，监控危险废物收集和转移；处废监控系统部署在废物处置单位，监控转入车辆并核对危险废物重量。数据交换服务部署在环保监控中心，负责前端监控系统与危险废物管理信息系统的业务数据和基础数据交换。危险废物种类和形式多样，使标记和识别存在困难。本系统采用可粘贴式RFID电子标签结合一维条码冗余设计的废物标签，粘贴在废物件包装表面标记该件。针对无法按件区分的废物，如废水处理污泥，采用整个批次一个标签标识的方式。扫描废物标签可获取当前废物的类别、净重、包装形式、贮存时间、所属批次等信息。图1危险废物监控系统网络拓扑结构

1．2系统层次结构

产废、处废监控子系统的层次结构监控一体机集成了采集设备，包括RFID读卡器、激光扫描器、红外触摸屏，通过RS－232串口连接电子地磅和电子秤，完成重量采集；监控手持机具有扫描RFID标签、条码标签、网络连接等功能，可与监控一体机通信。数据上报服务实时上报转移批次、计量信息、废物信息等业务数据到环保监控中心，同时下载转移联单、废物类别等基础数据到本

2系统功能的设计与实现

2．1产废监控系统设计

产废监控流程包括危废入库、车辆计皮、危废装车、车辆计毛、危废转出。操作人员使用监控手持机扫描粘贴在危险废物包装上的废物标签，输入危废类别、单件净重等完成废物收集。系统允许三种方式记录装车危险废物信息，包括现场贴标签装车、选择仓库废物件装车、手持机扫描标签装车。

2．2处废监控系统设计

处废监控流程包括车辆计毛、手持机点检、车辆计皮。危险废物进入处置企业，系统根据车辆毛重，计算转入危险废物重量是否在允许误差范围内。手持机扫描废物件，记录该件去向（进入处置车间或者进入仓库）。危险废物监控系统业务流程

2．3系统的实现

监控主机和监控手持机软件采用客户端和服务器（Client／server，C／S）架构，基于Qt4．8开发，在Linux和嵌入式Linux操作系统上运行。软件使用开源数据库MySQL5．0，基于开放数据库互连（OpenDatabaseConnectivity，ODBC）方式连接数据库。ODBC连接方式使软件对数据库操作不依赖于特定的数据库管理系统，保证软件的可移植性。数据交换服务基于WebService平台，通过TCP／IP协议与监控主机互联，实现环保中心危险废物管理信息系统与前端采集系统业务数据和基础数据同步。

3系统应用

危险废物实时监控系统已在某市试用医药废物转出界面。产废监控子系统部署在某制药企业，处置监控子系统部署在某废物处置中心。制药企业产生的危险废物主要有废药、过期试剂、生产废液等，通过该监控系统，环保中心能实时掌握医药废物的种类、重量、贮存时间，并可根据相关规定通知企业处置废物。运输车辆进入处置单位时，系统分析废物重量，判断运输过程是否出现非法倾倒的情况，及时向环保中心反馈信息。