基于无线网络的多终端实验室监控系统及可靠性设计

杨 路， 辛 煜

(1.安徽公安职业学院 公安科技系，合肥 233031；2.北京市遥感信息研究所，北京 100092)

0 引 言

实验室是高校开展教学科研工作的场所，其重要性不言而喻[1]。传统实验室监控系统有线网络，需要提前铺设好线缆，造价较高，对安装环境有一定的要求，且系统功能较为单一。本文用无线网络设计了多终端实验室监控系统[2-4]，以ARM Cortex-M3架构的微处理器为监控器核心，搭载多种环境传感器，集成WIFI通信、液晶面板、红外等模块实现环境信息的采样显示；借助无线网络实现数据的传输；采用数据库存储采样信息；应用Labview开发的上位机实时监控实验室状况，其他PC、手机等终端可通过浏览器查看实验室实时情况。

1 总体结构

多终端实验室无线监控系统总体结构如图1所示，由显示终端、通信中心、监控器等部分构成。监控器是边缘设备，基于环境传感器采集处理环境信息，传输环境信息同时接收控制命令执行相应操作。路由器与服务器构成通信中心，路由器负责将监控器、服务器、各类显示终端连接起来，组成一个局域网络，服务器端运行MySQL与基于Labview的上位机，MySQL数据库负责各类环境信息的存储，上位机负责监控实验室的环境信息。显示终端包括PC、移动终端与监控器自带的液晶面板，提供了灵活的多终端访问方式，提升了整个系统的可靠性与灵活性，实验人员可以选择合适的显示终端观察环境的实时信息。

图1 监控系统结构

1.1 硬件设计

如图2所示，监控器包括供电模块与信号处理模块两部分。供电模块是保证控制器可靠工作的关键，考虑到实验室的供电情况，基于降压、整流、滤波、稳压的原理设计。由于信号处理模块采用了光耦隔离电路，即光耦两端口需要不同来源的供电，保证不共地，所以在供电模块中采用了电隔离模块，LDO输出供给A/D等器件。信号处理模块是实现控制器功能的核心，包括各种环境传感器、信号调理、光耦隔离、A/DC、WiFi、液晶显示、微处理器及周边等电路。环境传感器将非电的环境信息转换成电信号传输给A/D进行采样，针对各类环境噪声与外界干扰信号，增加信号调理与光耦隔离电路以提高信号传输的可靠性与采样精度。WiFi电路在核心处理器的控制下实现信息的发送与接收，实验人员可以通过面板就地了解实时信息。预留的红外电路，可用于实验室的扩展控制功能。

图2 监控器硬件构成

1.2 软件设计

1.2.1监控器下位机设计

系统软件由3部分构成：运行在监控器的下位机、运行在服务器的上位机与数据库存储程序。下位机程序对环境信息进行采样处理，通过无线网络传输数据至服务器端保存，同时接收来自服务器端的指令执行相关操作。下位机程序流程[5-7]如图3所示，为了正确连接到无线网络，WiFi名称、秘钥、服务器端的IP地址与端口号需要正确设置，应该与路由器和运行在服务器端的数据库吻合。如图1所示，监控器自带就地显示面板，将μC/OS-Ⅲ嵌入式操作系统移植到监控器运行，可在显示面板上实时显示所处实验室的环境信息。过程如下：在Micrium官网选择STMicroelectronics，选择一个基于Keil MDK平台在Cortex-M3内核MCU评估板上测试的μC/OS-Ⅲ源代码即可。将μC/OS-Ⅲ源码移植到控制器后，选择一个硬件定时器驱动μC/OS-Ⅲ的时基时钟SysTick，带动整个μC/OS-Ⅲ运行，最后在应用中调用μC/OS-Ⅲ的延时函数测试延时时间是否正确，正确即说明系统移植成功。

图3 下位机程序流程图

1.2.2服务器上位机设计

本文基于Labview进行上位机的开发，为实验室人员提供了方便的图形用户界面(Graphical User Interface,GUI)。相较于传统的文本化编程方式，采用了图形化编程语言，简单易学,开发效率高，是一个标准的数据采集和仪器控制软件，因而广泛地被工业界、学术界所接受。上位机提供了数据通信、数据显示、安全预警等功能。数据通信负责上位机与监控器、数据库之间的信息传输；数据显示用于显示当前环境信息与安全情况；安全预警则是基于多种环境传感器的采样信息，包括温度、湿度[8-9]、CO2、火焰、烟雾等判断是否处于危险情况，如果是则发出警报。

Labview的Web service可以实现多终端显示功能，提供了多种方式供实验室人员了解情况。Labview提供了两种Web访问方式：Labview内置函数与web publish tool[10]，内置函数包括snap与monitor，其中monitor函数能够发布动态Vis。但需要先启动并配置好Labview的Web server。Labview的Web publish tool与其他Web服务器功能类似，正确的发布需要注意如下问题：① Web服务器配置。勾选SSL选项，在主机上查询证书信息。② Web发布工具。提供了内嵌、快照、显示器3种模式，选择内嵌模式。③ 浏览器端访问。在浏览器输入URL访问，会发现内容无法显示，显示插件有问题，此时需要将浏览器切换到兼容模式下方可正确显示。Web用户可以请求Vi控制权获取控制Vi的功能，但同时Labview环境下会丢失控制权限。

1.2.3服务器数据库程序设计

监控器采集多种环境信息，需要借助数据库[11-12]对信息进行存储管理。当前流行的数据库有sqlserver、MySQL、oracle等，其中MySQL规模适中，且免费开源，本文选择MySQL进行数据的存储管理。这里涉及到两种针对数据库的操作：基于JDBC实现环境信息在数据库中的存储与基于labsql实现上位机对数据库的读取。

Labview本身不具备访问数据库功能，需要借助以下辅助方式才能实现操作：Labview sql toolkit工具包，NI公司的官方应用，使用方便，价格昂贵；调用ActiveX与微软的ActiveX数据对象(ActiveX Data Objects,简称ADO)控件，基于sql语言对数据库进行访问，编程复杂；基于C++编写dll库实现对数据库的访问，工作量大；基于插件labsql实现访问，该插件基于ADO，将复杂的ADO及sql操作封装为labsql Vis，只需调用labsql Vis即可实现对数据库的访问。本文采用labsql，操作流程如图4所示。

(1) 创建数据源，正确配置数据源名称(DSN)才能进行正确的连接，安装mysql-connector-odbc.msi，进入控制面板/管理工具/数据源(ODBC)，在驱动程序标签栏查看MySQL驱动程序，进入用户dsn标签，添加MySQL odbc driver。

(2) 连接数据源，进行与MySQL相关数据库名称，用户名，密码等的配置测试工作，测试通过即表明可以正确连接MySQL数据库。

图4 基于labsql的数据库操作

(3) 安装labsql，将labsql工具包添加到labview安装目录下的user.lib文件夹，重启后即可在users libraries下找到labsql提供的Vis。

(4) 基于labsql对数据库进行操作，labsql提供了对数据库的操作VIs：ADO Create Conn.vi创建Connection对象，ADO Open Conn.vi建立Labview与MySQL的连接，其中的Connection String参数代表需要连接的数据库对象，ADO SQL Execute.vi执行对数据库的增删改查操作，ADO Close Conn和destroy关闭数据库连接。

基于JDBC实现数据在服务器端的存储，流程图如图5所示。

图5 基于JDBC的存储操作

步骤如下：

(1) 确定URL，即确定需要访问的服务器(IP地址)、端口号、数据库名称、用户名密码、字符等参数，数据库需要在操作前创建，为了避免出现中文乱码，要设置要useUnicode与characterEncoding，分别是TRUE与UTF8。

(2) 加载mysql驱动，这里有3种加载方式，本文采用Class.forName加载MySQL驱动，Class.forname(“com.mysql.jdbc.Driver”)。

(3) 创建Connection连接，代表与数据库的连接，之后就可创建Statement。

conn = DriverManager.getConnection(url);

Statement state = conn.createStatement();

(4) 端口监听并执行操作，在此端口接收来自控制器传输的信息并执行相关操作，该处的端口号与在控制器运行的下位机中定义的端口号要相同。

ServerSocket ss = new ServerSocket(9999);

System.out.println("我是服务器，我正在9999号端口监听");

Socket s = ss.accept();

2 可靠性设计

2.1 电源可靠性

电源是保证控制器可靠[13-15]工作的关键，根据实验室的供电条件，基于交流输入/降压/整流/滤波/稳压/隔离的方式提供供电。为了保证电源可靠性，需要考虑以下问题：

(1) 变压器功率设计。计算所有器件工作消耗的总功率，再按照1.5～2倍计算总功率选择合适的变压器。

(2) 发热问题。78系列稳压器工作时会产生较大的热量，为了保证安全，建议安装散热器，由于散热器体积较大，所以在PCB绘制阶段需要预留足够的空间，保证芯片之间、芯片与电容间有足够的间距，避免热量对稳压器及周边电解电容产生影响。

(3) LDO电路电容选择。在VIN与GND之间加一个1 μF输入旁路电容可以降低电路对PCB布局的敏感性，特别在输入走线较长或者较高的源输入阻抗情况下，如果要求输出电容数值大于1 μF，那么就选择更高的输入旁路电容。输出电容的ESR会影响LDO控制回路的稳定性，还会影响负载电流变化的瞬态响应，采用较大的输出电容可以改善LDO对大负载电流变化的瞬态响应。手册建议使用至少1 μF、ESR≤1 Ω的电容，测试结果表明，因为LDO控制环路的带宽有限，输出电容必须提供快速瞬变所需的大多数负载电流。1 μF电容无法持续很长时间供应电流并产生约80 mV的负载瞬变，10 μF电容将负载瞬变降低至约70 mV，将输出电容提高至20 μF，LDO控制回路就可捕捉并主动降低负载瞬变。

2.2 信号传输可靠性

图6 低噪声调理电路设计流程

表1 电阻噪声来源

图7 测试电路

聚焦源阻抗R1的噪声，当R1是小电阻时主要噪声为电压噪声，当R1是中值或大电阻时主要噪声为约翰逊噪声与电流噪声。因此，具有低输出阻抗的传感器应该使用小电阻和具有低电压噪声的运放，辅以电容来提供补偿和降噪。

为了保证信号的可靠传输，运放的带宽应该足够宽，以便传递基波频率和重要谐波，但不能过宽，运放在每Hz的带宽上都存在噪声，带宽越大，输出噪声越大，SNR越小。要限制增加的噪声，需要减小带宽，可在传感器后面添加RC滤波器，并辅以缓冲器(如常用的电压跟随器)解决由此带来的负载问题。

图8 线性光耦电路

UOUT=(R7+R8)·IPD2

线性光耦的输出电压与输入电压之间的关系由电阻R2、R7、R8确定，与光耦无关。D3用于防止可能产生的大反向电压对光耦造成损坏，R3、R4、R5、R6、Q1构成LED驱动电路，提高电路的可靠性。

2.3 采样可靠性

在设计采样电路时，需要考虑对采样输入的可靠保护。采样输入的过压一般发生于驱动运放电轨远大于A/D最大输入范围时，例如，运放采用±15 V供电，A/D输入范围0～5 V。高压电轨用于接受±10 V输入，同时给A/D前端信号调理/驱动级供电。如果运放电轨上发生故障状况，则可因超过最大额定值而损坏A/D，或者在多A/D系统中干扰同步或后续转换，需要设计可靠的措施保护精密SAR A/D。

如图9所示，本文选用AD7980，如果集成运放输出趋向+15 V电轨，则连接至REF的保护二极管将开启，运放将尝试上拉REF节点。如果REF节点未通过强驱动器电路驱动，则REF节点的输入电压将升高，一旦电压超过器件的击穿电压，A/D可能受损。为了保护A/D，引入肖特基二极管D1、D2，其正向导通电压低，能够在A/D内部保护二极管作用前导通，将运放输出钳位在A/D输入范围。如果内部二极管部分开启，肖特基二极管后的串联电阻也有助于将电流限制在A/D内。需要注意的是，如果REF供电的基准电压源没有灌电流能力，可在REF端接入齐纳二极管D3，以保证基准电压不被过度拉高，也可以采用单电源电轨的方式解决过压的问题。

图9 采样电路

虽然AD7980的驱动比较容易，但前端驱动放大器需要满足以下条件：

(1) 运放的噪声尽可能的小，以保持AD7980的SNR和转换噪声性能。来自运放的噪声由A/D内部RC构成的模拟输入单极低通滤波器进行滤波，AD7980的典型噪声是47.3 μV(rms)，运放引起的SNR性能降低如下式所示:

(1)

式中:f-3 db是A/D的输入带宽，N为放大器的噪声增益，缓冲器电路N=1;eN为运放的等效输入噪声电压。

(2) 对交流应用，运放的THD性能应当与AD7980相当。综上所述，OP184、AD8021、AD8022等都可满足要求。

AD7980有两个电源引脚：数字输入输出接口电源VIO与内核电源VDD，为了确保最佳性能，VDD一般为REF电压的1/2，VIO范围一般在1.8 V～5 V，如需减小所需电源数，可以将VIO与VDD引脚连接在一起。

3 多终端监控系统实现

以计算机文化基础实验室与网络安全实验室为监控对象进行系统测试，控制器如图10所示，移植μC/OS-Ⅲ，搭载液晶触摸显示屏，使用简便，点击屏幕上的各种APP即可执行相应功能。如Humiture APP用于显示当前的温湿度信息，如图11所示。基于Labview的上位机显示终端如图12所示，报警指示包括火焰、烟雾、CO2等，发生警报时显示红色，正常情况显示白色。图13是其他设备基于浏览器端的访问，实验室人员既可以通过服务器上的上位机显示终端监控实验室情况，也可以通过无线局域网内其他设备的浏览器端进行监控，提高了系统的可靠性。

图10 控制器

图11 温湿度信息

图12 基于Labview的上位机界面

图13 基于浏览器端的访问

4 结 语

本文针对传统实验室监控系统造价高、功能单一的问题，设计了基于无线网络的多终端监控系统，监控器采样环境信息，无线网络进行信息传输，数据库保存数据，上位机或浏览器端显示信息，实现了多终端监控。从电源、信号传输与采样等方面进行了分析设计，提高了系统的可靠性。实验测试表明，该系统无需布线，使用简单，造价相对低廉，适合实验室环境。