远程实验数据监控系统设计与应用

封 位, 黄国辉, 姜周曙

(杭州电子科技大学 能量利用系统与控制研究所, 浙江 杭州 310018)

通信作者:姜周曙(1964—),男,浙江温州,博士,教授,主要研究方向为能量利用系统与自动化.

远程实验数据监控系统设计与应用

封 位, 黄国辉, 姜周曙

(杭州电子科技大学 能量利用系统与控制研究所, 浙江 杭州 310018)

为改变传统实验开放度和智能化程度不高的情况,自主研制了三容水箱实验平台,设计了远程数据监控系统。该系统通过三容水箱数据中继器将数据采集器实时采集的数据上传至数据监控软件处理,数据监控软件运用多线程技术实现数据存储、数据显示并发送控制指令,对远程实验台进行故障检测、智能管理和实时监测控制,为开放式远程控制实验创造条件。

远程监控； 三容水箱系统； 开放式实验室； 智能化管理

随着计算机与网络通信技术的发展,开放式实验教学模式在高校得到更广泛的应用[1-3]。本校过程控制实验室现有自主研制的三容水箱计算机控制实验设备15台。在传统的实验教学中,这些实验设备的数量无法满足实验教学的需要,而在大部分课余时间,实验台又处于闲置状态。为改变实验设备利用率不高、管理困难的情况,笔者设计了实验室远程数据监控系统,实现监测控制并集中管理底层三容水箱实验台,提供实时可靠的数据给远程客户端。

1 系统组成结构

数据监控是远程实验系统的核心,主要包括数据监控软件、三容水箱数据中继器和信号采集控制器3部分。管理者既可以通过数据监控软件实时监测底层实验台运行状态,又可以根据实际需要发送控制指令,便于对整个系统的运行管理。实验用户通过Web服务器与本系统进行交互,间接控制三容水箱实验台,得到实时实验数据,达到与传统实验相同实验效果。

与计算机和实验仪器的一对一的模式相比,使用数据中继器实现一对多模式,大大减少了计算机的使用数量。远程数据监控中心系统结构如图1所示。

图1 远程数据监控中心系统结构

1.1 信号采集控制器

信号采集控制器以提供高精度AD转换的ADμC834单片机为核心控制器,通过液位、温度、流量等传感器将模拟信号传入单片机,经过处理后再传送给数据中继器。信号采集器通过串口接收控制指令,经过处理器解析后控制三容水箱实验台,如打开水泵上水或控制加热管功率等。

1.2 三容水箱数据中继器

三容水箱数据中继器主要包括STM32F103VE单片机最小系统模块、电源电路模块、RS485通信模块和网络通信模块。

RS485通信模块有2个RS485总线接口,通过此

接口与现场多台数据采集器串行通信。主控制芯片将多个信号采集器上传的数据过滤、打包,通过网络通信模块转发给数据监控软件。网络通信模块集成100 Mbit/s以太网控制器,降低通信网络延时,得到数据监控软件下发的实时、稳定的控制指令。

稳定、可靠的电源模块是数据中继器正常工作的必要前提,采用24 V—5 V—3.3 V三级降压模式,层层递进,平缓而稳定,最大限度地减少稳压值偏差。

2 数据监控软件需求分析与设计

2.1 需求分析

数据监控软件主要面向实验管理人员,便于监控实验室实验设备。软件应当具有操作简便、界面友好和功能齐全的优点[4]。数据监控软件需要有对底层三容水箱实验台实时监测和控制的基本功能。软件需将实验数据过滤解析,存储于云数据库,供数据监控软件和Web客户端实时显示；还需根据得到的实验数据与Web服务器交互得到的实验参数,发送控制指令。

此外,数据监控软件要能实时监测底层实验台的运行,出现故障后能及时报警,便于管理者的维护。软件应具有数据查询功能,便于实验管理者得到实验数据,并且可打印和导出数据,以便后续研究。三容水箱数据监控软件功能结构如图2所示。

图2 数据监控软件功能结构

2.2 通信协议设计

数据监控软件与多台数据中继器之间的通信协议的设计,是保证数据实时、稳定的关键技术之一。协议将通信包分为包头、包体和校验位3个部分。在每个请求数据包中,包头的长度和格式固定,包体的长度根据数据中继器所连接的三容水箱实验台数量而改变。请求数据包如表1所示。

表1 请求数据包

数据类型主要用于判断数据包的用途，定义如下:

0—连接请求；1—身份验证；2—验证实验台开关；3—实验数据；A—心跳包数据。根据数据类型,数据监控软件可以显示实验台是否可用或者是否正在进行实验。控制指令数据包与请求数据包格式类似,其数据类型为固定值“K”,包体内包含具体的控制指令,如关闭中继器、打开电磁阀等。

2.3 数据库设计

数据库服务器采用目前流行的阿里云SQL Server关系型数据库[5-6],其具有稳定、安全等级高和掌握数据库即时动态等优点,符合远程控制实验安全可靠、实时性需求。系统数据库主要记录实验台基本资料、实验设置参数、实验的实时数据等详细信息。围绕它们的特征属性,设计了5张基本数据表,如图3所示。

图3 基本数据表设计

实验台信息表Tank_Info表记录实验台的详细信息,如实验台所处的实验室、是否可用等信息,该表主键为TankID。

实验参数表ExpPara存放实验台正在进行实验的具体参数设置值,包括液位设定值,PID参数Kp、Ki、Kd,电动阀开度等。

实验总表All_Exp记录实验表的名称、实验类型、日期等信息,方便查询数据,如按日期查询或按实验类型查询。

实时数据表根据ExpPara表和All_Exp表内的相关属性生成,并且这3张表的外键为Tank_Info表的主键,目的是与底层实验台相关联。

为保证实验台信息安全,防止恶意修改,利用系统日志表Sys_Log记录实验台的操作行为,维护系统的正常运行。

3 软件实现

3.1 实现环境与技术

根据实验室现有条件,软件开发运行环境采用Windows7 32位操作系统、SQL Server数据库。基于运行于.NET Framework上的高级程序设计语言C#,采用B/S架构、三层结构设计思想[7-9],使系统具有良好的操作性与兼容性。

C#语言提供了丰富的线程操作接口,多个功能模块中运用多线程技术,如UI线程、数据处理线程和Web服务器交互线程等。

UI线程主要实现数据的显示和用户的交互功能。该线程在取得主线程的控制权后,一方面将实验数据或者实验参数显示在界面控件上,如Flash实时显示数据或在CWGraph控件上实时显示曲线；另一方面通过用户与界面的交互将控制指令发送到实验台或者Web服务器。

数据监控软件需开启一个线程,实时等待三容水箱数据中继器的连接请求,验证通过后,开启数据接收线程,实时接收实验数据。在数据处理线程中,根据实验类型处理数据并存储于数据库中,供远程实验用户实时显示于网页中。与此同时,生成控制指令发送给底层实验台。关键代码如下:

3.2 软件实现

经过软件设计与编程,管理者可通过界面统一管理三容水箱实验台。可选择查看实验台实时状态信息,如所选实验台的位置信息,是否正在进行实验等。若实验台正在进行实验,还可通过Flash界面直观、动感地查看实时数据。图4为实验台状态和Flash显示效果图。

图4 试验台状态和Flash效果图

三容水箱实验台可进行9大类、40余种教学实验,如串级控制、PID控制等。为了显示实验效果、比较实验特性,实验曲线图必不可少。如图5所示,系统可以根据不同的实验显示不同的数据曲线,如液位曲线和流量曲线等,可用于非线性大滞后等特性的建模仿真研究[10]。还可以通过界面得到正在进行的实验信息,如实验类型、实验参数、目标设置等。

该远程数据监控中心系统投入使用后,表现出数据监控软件可靠性强、数据丢包率低、实时性强等特点,确保了远程实验的有效性。

图5 实验数据曲线图

4 结语

远程数据监控系统是远程实验的核心所在,是物联网技术应用于开放实验室的新的尝试[11]。该系统优化、整合了实验教学资源,推进了实验室的多元化、智能化发展[12]。目前,该远程数据监控系统已在自动化相关课程实验教学中推广使用并取得良好效果。随着学校底层实验台数量的增加,系统并发量增大,各种数据交互更加频繁,该系统的应用也会向其他实验平台拓展。如何保证数据的实时性、提高数据交互的效率,将是下一步需要着重研究解决的问题。

References)

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Design and application of monitoring and control system for remote experimental data

Feng Wei, Huang Guohui, Jiang Zhoushu

(Institute for Energy Utilization System and Control, Hangzhou Dianzi University, Hangzhou 310018, China)

In order to overcome the lack of openness and intelligence in traditional experiments, an experimental platform of the three-water tank is developed independently, and a remote data monitoring and control system is designed. This system can transmit the real-time data collected by the data acquisition device through the three-tank data repeater to the data monitoring and control software for processing. The data monitoring software uses the multi-thread technology to realize the data storage and the data display, and send the control instructions for the fault detection, intelligent management and real-time monitoring and control of the remote experimental platform, creating the conditions for open remote-controlled experiments.

remote monitoring and control; three-water tank; open laboratory; intelligent management

ata); threadReceive.IsBackground =true; threadReceive.Start();//开启线程 Private delegate void rw(out string result); Private delegate void dp(string data); private void

ata() { rw d=new rw(ReceiveMessage); //数据接收线程 IAsyncResult IR=d.Begininvoke(out result); d.Endinvoke(out result,IR); //阻塞线程,得到数据 dp hd=new dp(DataProcess); //数据处理线程 hd.Begininvoke(result) }

TP393

: A

: 1002-4956(2017)09-0142-04

2017-03-30

浙江省2016年度高等教育教学改革项目(JG20160061)

封位(1992—),男,江西玉山,在读硕士研究生,主要研究方向为控制科学与工程

E-mail:910445280@qq.com

E-mail:jzs@hdu.edu.cn

10.16791/j.cnki.sjg.2017.09.035