射气运移机制实测环境的实时监控

Real Time Monitoring of Actual Measurement Environment of Emanation Migration Mechanism

蔡思静

(福建工程学院信息科学与工程学院,福建 福州　350118)

射气运移机制实测环境的实时监控

Real Time Monitoring of Actual Measurement Environment of Emanation Migration Mechanism

蔡思静

(福建工程学院信息科学与工程学院,福建 福州350118)

摘要：针对射气应用研究及理论模型优化的智能需求，设计了结合物联网技术的射气分析系统。该系统在原有的射气模拟系统基础上，结合射频和传感技术，完成物联网环境下的射气智能分析系统的硬件设计。采用结构化设计完成了上位机的射气智能分析平台开发，利用射频及有线通信完成射气智能分析平台的实时监控模块设计。经测试，实时监控模块达到了零误差传输，从而证明了物联网技术引入射气研究领域的可行性，为射气的应用研究提供了广阔平台。

关键词：射气物联网(IOT)实时监控智能监测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

随着人们对医疗服务、生活环境的日益关注，针对射气的应用研究变得更为深入和广泛。揭示射气内在运移机制是射气应用研究的重要领域，现阶段针对射气内在机制的研究多基于理想状态(无温度差、无湿度差和无压力差的环境)下的实验分析[1]。为了达到理想的实验环境，课题设计了具备智能射频感知功能的恒温水循环系统。射气的内在运移机制研究模型将采用现阶段流行的团簇理论[2]。在实验环境中存在的温度、湿度和压力差都将反映在修正系数中，以往的处理方式采用反复拟合、盲目匹配的办法。该设计将物联网技术引入射气理论模型，通过实测监控系统得到精确差值，避免了修正系数的盲目匹配，为射气理论模型的完善提供了技术支持。与此同时，实时监控模块可以精确地测量每一个测定点的温湿度值，并且将研究人员从具备危险性的实验环境中解脱出来，实现了温湿度测量的无人作业，降低了实验成本。通过该课题的研究，将物联网技术与射气研究紧密结合，针对射气的应用研究又迈出了坚实的一步。

1系统概述系统功能分析

射气智能分析系统是在原有的“射气仿真系统”的基础上，结合物联网技术，完成集射气模拟仿真、数据分析处理和环境监测/控制于一体的智能分析系统。该系统的主要功能包含：射气理论模型仿真、射气浓度测试数据传输/分析/保存、射气实验环境实时监测/分析/存储/参数反馈等功能。

射气理论模型仿真依据现阶段主流理论——团簇理论[2]。团簇理论是建立在扩散理论的基础上，结合范德华力形成针对射气研究的重要理论。该模型的研究环境为理想状态下的实验环境(具备智能射频感知功能的恒温水循环系统[3])，实验系统通过水循环和PVC管壁及填充物降低湿度差，从而达到温度差可控。设置的温湿度传感器将每个时刻的温湿度量化，并反馈到系统模型，用于数学模型的参数修正。

射气浓度测试数据传输/分析/保存模块完成射气浓度实测数据的上传及保存，并以此为依据生成二维数据分布图和三维浓度等高线分布图。与此同时，系统还提供实测数据拟合功能，为团簇理论模型分析提供依据。

射气实验环境实时监控模块是完成系统智能化设计的重要模块。该模块结合物联网技术[4]，通过射频传感技术完成实验环境的实时监测和数据的实时上传[5-6]，系统还将实验环境参数值反馈至理论模型,进行模型参数的调整和优化。此外，环境实时监控模块还根据上位机的分析提供简易的回传指令，控制射频传感模块正常运转。

2系统硬件设计功能实现

2.1　硬件实现

系统由射频传感模块、阅读控制模块和射气智能分析平台3部分组成，如图1所示。

图1系统设计框图

Fig.1Block diagram of systematic design

① 射频传感模块

该模块采用活性钢圈内置于内层PVC管壁，距离可调[3]，完成射气实验环境的温湿度测量、数据射频传输和回传指令执行等功能。采用SHT75及外围电路完成实验环境温湿度测量。通过nRF24LE01提供的nRF24L01+模块完成数据的射频传输，由nRF24LE01内置8051内核完成模块调用。

② 阅读控制模块

该模块实现与射频传感模块的无线通信，并通过RS-232完成与上位机的有线传输。电路由MSP430F449、nRF24L01+及外围电路组成。

③ 射气智能监测系统

该模块基于PC上位机，通过VS.NET平台和C#语言完成系统功能。

2.2　软件实现

射气智能分析平台基于上位机开发，是射气智能分析系统的核心模块，完成了实验及模拟数值的分析、显示和存储等功能。此外，还具备实验环境的实时监测和回传控制等功能，实现射气研究的智能化。射气智能分析平台具体功能如下。

① 射气理论模型仿真

根据团簇理论及实验数据，完成射气模型的数学模型分析；在此基础上，利用C#语言完成射气模型的计算机描述。

② 射气浓度分布数据的传输/保存

伽玛能谱探头探测的射气浓度经通用数据采集卡上传至系统平台。系统提供射气浓度值的接收和保存功能。

③ 射气浓度分布数据数值、二维、三维(等高线)显示

该模块的数值显示包括：固定位置射气随时间变化的浓度分布、确定时间射气随位置变化的浓度分布；模块的二维显示将依据数值内容进行二维图形绘制和显示；模块的三维显示主要是时间变化和位置变化的等高度线绘制及显示功能。

④ 实测数据与模型数据的分析显示

该模块将提供研究者实测数据与理论模型数据的直观图形显示，便于研究者进行参数修正和模型改进。

⑤ 理论模型三维动画显示

该模块以射气理论模型为依据，模拟射气运移的动画显示。

⑥ 实验环境实时监控模块

该模块基于物联网技术，提供了射气智能监测系统的实时控制，实现了射气研究的智能化要求。该模块实时监测射气实验环境，并上传至上位机，同时完成上位机指令的回传功能。

⑦ 实验环境数据保存及参数修正

该模块提供实验环境实时监控模块上传数据的保存，并根据这些数据进行理论模型的参数修正。

3实验环境实时监控模块设计

实验环境实时监控模块依赖于物联网技术，结合射频传感功能，完成数据的有线/无线传输；依赖该数据完成智能分析和模型优化，并提供上位机指令回传监控功能。该功能模块的实现，将大大推进射气研究的智能化进程。因此，实验环境实时监控模块设计是射气智能检测系统的核心模块，其数据传输包括了无线传输和有线传输。射频传感模块与阅读控制模块之间采用无线射频通信，阅读控制模块与上位机之间采用有线通信。

3.1　无线通信模块设计

射频传感模块与阅读控制模块之间通过射频技术完成实验环境实时监控模块的无线通信。射频传感模块的射频收发模块采用nRF24L01+的增强型ShockBurst模式，阅读控制器的射频收发模式采用了和标签一样的nRF24L01+芯片[7-8]。系统通过模块复用完成射频传感模块与阅读控制模块的射频通信功能开发。具体实现已经在参考文献[3]中详述。

3.2　有线通信模块设计

阅读控制模块与上位机之间通过RS-232连接，通过有线通信模块完成阅读控制模块的数据上传及上位机指令回传等功能。

3.2.1模块模型设计

模块设计采用面向对象的软构建设计形式，细化各个功能模块，通过模块端口实现调用。模块的主要功能类如图2所示。

图2　实验环境实时监控模块UML类模型

在模块设计中，串口通信初始化ComPortClass、握手信号收发SayHellow()、返回串口的接收数据GetData()、向串口写数据SetData()、校正Calibrate()、重置Reset()等操作集中在ComPortClass类中。发送数据进行格式打包的功能集中在UsartCmd类中，通过重载UsartCmd类中的UsartCmd()函数，实现握手信号、数据收发信号、结束信号的格式打包。信号标志位放在CmdType类中。此外，鉴于系统的兼容性和移植性要求，模块还提供了用户设定窗口，用户可以根据芯片型号自行设定信号标志位。将芯片对应的标志位保存在ADDR_1和ADDR_2中，鉴于数据量较大，在图2中没有显示。进制转换、数组与字符间的转换等集中在StringHelper中。运行状态枚举集中在RunStatus类中。此外，一些调用的常规特性与操作均集中在Program类中。

3.2.2模块功能实现

基于结构化的模块设计，在避免程序二次开发的同时，为模块提供了很好的冗余性。设计过程中只需要通过类对象调用不同的属性及方法，完成不同的功能要求。如串口连接操作，其设计流程如图3所示。

部分代码如下。

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;

党的十九大报告提出，要推进反腐败国家立法，建设覆盖纪检监察系统的检举举报平台。[4]“大老虎”窃国，祸国殃民；“小苍蝇”窃铢，为患乡里。二者均对社会造成严重危害。打“老虎”、拍“苍蝇”，对重拾民心、弘扬正气、稳定社会具有同等功效，且后者更能坚定基层民众建设小康社会的信心。在中上层反腐取得巨大成效的前提下，严刑峻法打击基层腐败及与其沆瀣一气的乡村黑恶势力，更显尤为迫切。

IniSetForm();}

else

{ MessageBox.Show("串口连接失败！");

Program.comp.CloseCom();}

}

catch

{ MessageBox.Show("打开失败！");

ini_answer = "";

return; }

}

}

else

{ Program.comp.CloseCom();

ComState = false;

IniSetForm();}

}

图3　串口连接流程图

4测试

射频通信采用Enhanced ShockBurstTM收发模式，32字节动态数据载荷[3]，有线通信通过RS-232串口与PC机相连，波特率采用19 200 bit/s。通过反复实验发现，由于管子较长，在PVC管的一头出水、一头进口的设计[1]会产生较大的温度差影响。因此进行了改进，将进水口改置于PVC管的中间，出水口移至两头。

取其中的一组数据(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)(单位：℃)为例进行分析，温度平均值为：

实验数据已经做了修正。温度标准差值为：

经测试分析，上位机正确接收阅读控制器的数据包，温度平均值为36.620 8 ℃，温度标准差值约为1.104 5K，温度分辨率低于±1.5K。通过测试,实时监控模块可以准确完成数据的传输。

5结束语

本文进行了物联网环境下的射气智能分析系统实时监控模块设计。该设计将实验环境数据代入射气理论模型分析，根据温湿度差修正运移参量，射气理论模型得到优化。同时，论证了物联网技术引入射气研究的可行性，体现出强大的开发能力。在开发过程中，面向对象的模块化设计在射气应用研究中的优越性也得到充分体现。本设计可以轻松实现模块的移植和升级等功能。

本研究还处于初级阶段，下一阶段的研究工作体现在实验环境的湿度差实现可控及完成FPGA技术的引入。

参考文献

[1] 马文荣，赵桂芝，丘寿康.浅析温湿度对静电收集法测氡仪收集效率影响的作用机理[J].核电子学与探测技术,2012,32(4):482-484.

[2] 曾兵，张金钊，王青.理想情况下氡及其子体在大气中运动的探讨[J].核电子学与探测技术,2010,30(5):673-675,711.

[3] 蔡思静.物联网环境下Rn运移机制实验装置的智能射频感知系统设计[J].制造业自动化，2014,36(7):84-88.

[4] 黄学飞,李兆飞.物联网技术在自动化立体仓库的应用研究[J].自动化仪表,2013,34(7):66-68.

[5] 张安然.一种低功耗有源标签的设计与实现[J].自动化仪表,2014,35(7)：56-59.

[6] 肖林荣,应时彦,马跃坤，等.2.4 GHz射频收发芯片nRF24LE1及其应用[J].信息技术,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] 蓝会立，罗功坤，廖凤依,等.基于传感器网络的烟叶发酵温湿度监测系统研制[J].计算机测量与控制,2013,21(4):910-912.

中图分类号：TH84;TN914+.3

文献标志码：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201508015

福建省教育厅科技基金资助项目(编号：JA12232);

福建省科技重大专项基金资助项目(编号：2013HZ0001-4)。

修改稿收到日期：2015-01-14。

作者蔡思静(1983-)，女，2008年毕业于福建师范大学光学工程专业，获硕士学位，讲师；主要从事物联网技术应用方面的研究。