射氣運移機制實測環境的實時監控

Real Time Monitoring of Actual Measurement Environment of Emanation Migration Mechanism

蔡思靜

(福建工程學院信息科學與工程學院,福建 福州　350118)

射氣運移機制實測環境的實時監控

Real Time Monitoring of Actual Measurement Environment of Emanation Migration Mechanism

蔡思靜

(福建工程學院信息科學與工程學院,福建 福州350118)

摘要：針對射氣應用研究及理論模型優化的智能需求，設計了結合物聯網技術的射氣分析系統。該系統在原有的射氣模擬系統基礎上，結合射頻和傳感技術，完成物聯網環境下的射氣智能分析系統的硬件設計。采用結構化設計完成了上位機的射氣智能分析平臺開發，利用射頻及有線通信完成射氣智能分析平臺的實時監控模塊設計。經測試，實時監控模塊達到了零誤差傳輸，從而證明了物聯網技術引入射氣研究領域的可行性，為射氣的應用研究提供了廣闊平臺。

關鍵詞：射氣物聯網(IOT)實時監控智能監測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

隨著人們對醫療服務、生活環境的日益關注，針對射氣的應用研究變得更為深入和廣泛。揭示射氣內在運移機制是射氣應用研究的重要領域，現階段針對射氣內在機制的研究多基于理想狀態(無溫度差、無濕度差和無壓力差的環境)下的實驗分析[1]。為了達到理想的實驗環境，課題設計了具備智能射頻感知功能的恒溫水循環系統。射氣的內在運移機制研究模型將采用現階段流行的團簇理論[2]。在實驗環境中存在的溫度、濕度和壓力差都將反映在修正系數中，以往的處理方式采用反復擬合、盲目匹配的辦法。該設計將物聯網技術引入射氣理論模型，通過實測監控系統得到精確差值，避免了修正系數的盲目匹配，為射氣理論模型的完善提供了技術支持。與此同時，實時監控模塊可以精確地測量每一個測定點的溫濕度值，并且將研究人員從具備危險性的實驗環境中解脫出來，實現了溫濕度測量的無人作業，降低了實驗成本。通過該課題的研究，將物聯網技術與射氣研究緊密結合，針對射氣的應用研究又邁出了堅實的一步。

1系統概述系統功能分析

射氣智能分析系統是在原有的“射氣仿真系統”的基礎上，結合物聯網技術，完成集射氣模擬仿真、數據分析處理和環境監測/控制于一體的智能分析系統。該系統的主要功能包含：射氣理論模型仿真、射氣濃度測試數據傳輸/分析/保存、射氣實驗環境實時監測/分析/存儲/參數反饋等功能。

射氣理論模型仿真依據現階段主流理論——團簇理論[2]。團簇理論是建立在擴散理論的基礎上，結合范德華力形成針對射氣研究的重要理論。該模型的研究環境為理想狀態下的實驗環境(具備智能射頻感知功能的恒溫水循環系統[3])，實驗系統通過水循環和PVC管壁及填充物降低濕度差，從而達到溫度差可控。設置的溫濕度傳感器將每個時刻的溫濕度量化，并反饋到系統模型，用于數學模型的參數修正。

射氣濃度測試數據傳輸/分析/保存模塊完成射氣濃度實測數據的上傳及保存，并以此為依據生成二維數據分布圖和三維濃度等高線分布圖。與此同時，系統還提供實測數據擬合功能，為團簇理論模型分析提供依據。

射氣實驗環境實時監控模塊是完成系統智能化設計的重要模塊。該模塊結合物聯網技術[4]，通過射頻傳感技術完成實驗環境的實時監測和數據的實時上傳[5-6]，系統還將實驗環境參數值反饋至理論模型,進行模型參數的調整和優化。此外，環境實時監控模塊還根據上位機的分析提供簡易的回傳指令，控制射頻傳感模塊正常運轉。

2系統硬件設計功能實現

2.1　硬件實現

系統由射頻傳感模塊、閱讀控制模塊和射氣智能分析平臺3部分組成，如圖1所示。

圖1系統設計框圖

Fig.1Block diagram of systematic design

① 射頻傳感模塊

該模塊采用活性鋼圈內置于內層PVC管壁，距離可調[3]，完成射氣實驗環境的溫濕度測量、數據射頻傳輸和回傳指令執行等功能。采用SHT75及外圍電路完成實驗環境溫濕度測量。通過nRF24LE01提供的nRF24L01+模塊完成數據的射頻傳輸，由nRF24LE01內置8051內核完成模塊調用。

② 閱讀控制模塊

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

③ 射氣智能監測系統

該模塊基于PC上位機，通過VS.NET平臺和C#語言完成系統功能。

2.2　軟件實現

射氣智能分析平臺基于上位機開發，是射氣智能分析系統的核心模塊，完成了實驗及模擬數值的分析、顯示和存儲等功能。此外，還具備實驗環境的實時監測和回傳控制等功能，實現射氣研究的智能化。射氣智能分析平臺具體功能如下。

① 射氣理論模型仿真

根據團簇理論及實驗數據，完成射氣模型的數學模型分析；在此基礎上，利用C#語言完成射氣模型的計算機描述。

② 射氣濃度分布數據的傳輸/保存

伽瑪能譜探頭探測的射氣濃度經通用數據采集卡上傳至系統平臺。系統提供射氣濃度值的接收和保存功能。

③ 射氣濃度分布數據數值、二維、三維(等高線)顯示

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

④ 實測數據與模型數據的分析顯示

該模塊將提供研究者實測數據與理論模型數據的直觀圖形顯示，便于研究者進行參數修正和模型改進。

⑤ 理論模型三維動畫顯示

該模塊以射氣理論模型為依據，模擬射氣運移的動畫顯示。

⑥ 實驗環境實時監控模塊

該模塊基于物聯網技術，提供了射氣智能監測系統的實時控制，實現了射氣研究的智能化要求。該模塊實時監測射氣實驗環境，并上傳至上位機，同時完成上位機指令的回傳功能。

⑦ 實驗環境數據保存及參數修正

該模塊提供實驗環境實時監控模塊上傳數據的保存，并根據這些數據進行理論模型的參數修正。

3實驗環境實時監控模塊設計

實驗環境實時監控模塊依賴于物聯網技術，結合射頻傳感功能，完成數據的有線/無線傳輸；依賴該數據完成智能分析和模型優化，并提供上位機指令回傳監控功能。該功能模塊的實現，將大大推進射氣研究的智能化進程。因此，實驗環境實時監控模塊設計是射氣智能檢測系統的核心模塊，其數據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之間采用有線通信。

3.1　無線通信模塊設計

射頻傳感模塊與閱讀控制模塊之間通過射頻技術完成實驗環境實時監控模塊的無線通信。射頻傳感模塊的射頻收發模塊采用nRF24L01+的增強型ShockBurst模式，閱讀控制器的射頻收發模式采用了和標簽一樣的nRF24L01+芯片[7-8]。系統通過模塊復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。具體實現已經在參考文獻[3]中詳述。

3.2　有線通信模塊設計

閱讀控制模塊與上位機之間通過RS-232連接，通過有線通信模塊完成閱讀控制模塊的數據上傳及上位機指令回傳等功能。

3.2.1模塊模型設計

模塊設計采用面向對象的軟構建設計形式，細化各個功能模塊，通過模塊端口實現調用。模塊的主要功能類如圖2所示。

圖2　實驗環境實時監控模塊UML類模型

在模塊設計中，串口通信初始化ComPortClass、握手信號收發SayHellow()、返回串口的接收數據GetData()、向串口寫數據SetData()、校正Calibrate()、重置Reset()等操作集中在ComPortClass類中。發送數據進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，實現握手信號、數據收發信號、結束信號的格式打包。信號標志位放在CmdType類中。此外，鑒于系統的兼容性和移植性要求，模塊還提供了用戶設定窗口，用戶可以根據芯片型號自行設定信號標志位。將芯片對應的標志位保存在ADDR_1和ADDR_2中，鑒于數據量較大，在圖2中沒有顯示。進制轉換、數組與字符間的轉換等集中在StringHelper中。運行狀態枚舉集中在RunStatus類中。此外，一些調用的常規特性與操作均集中在Program類中。

3.2.2模塊功能實現

基于結構化的模塊設計，在避免程序二次開發的同時，為模塊提供了很好的冗余性。設計過程中只需要通過類對象調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，其設計流程如圖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;

黨的十九大報告提出，要推進反腐敗國家立法，建設覆蓋紀檢監察系統的檢舉舉報平臺。[4]“大老虎”竊國，禍國殃民；“小蒼蠅”竊銖，為患鄉里。二者均對社會造成嚴重危害。打“老虎”、拍“蒼蠅”，對重拾民心、弘揚正氣、穩定社會具有同等功效，且后者更能堅定基層民眾建設小康社會的信心。在中上層反腐取得巨大成效的前提下，嚴刑峻法打擊基層腐敗及與其沆瀣一氣的鄉村黑惡勢力，更顯尤為迫切。

IniSetForm();}

else

{ MessageBox.Show("串口連接失敗！");

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收發模式，32字節動態數據載荷[3]，有線通信通過RS-232串口與PC機相連，波特率采用19 200 bit/s。通過反復實驗發現，由于管子較長，在PVC管的一頭出水、一頭進口的設計[1]會產生較大的溫度差影響。因此進行了改進，將進水口改置于PVC管的中間，出水口移至兩頭。

取其中的一組數據(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：℃)為例進行分析，溫度平均值為：

實驗數據已經做了修正。溫度標準差值為：

經測試分析，上位機正確接收閱讀控制器的數據包，溫度平均值為36.620 8 ℃，溫度標準差值約為1.104 5K，溫度分辨率低于±1.5K。通過測試,實時監控模塊可以準確完成數據的傳輸。

5結束語

本文進行了物聯網環境下的射氣智能分析系統實時監控模塊設計。該設計將實驗環境數據代入射氣理論模型分析，根據溫濕度差修正運移參量，射氣理論模型得到優化。同時，論證了物聯網技術引入射氣研究的可行性，體現出強大的開發能力。在開發過程中，面向對象的模塊化設計在射氣應用研究中的優越性也得到充分體現。本設計可以輕松實現模塊的移植和升級等功能。

本研究還處于初級階段，下一階段的研究工作體現在實驗環境的濕度差實現可控及完成FPGA技術的引入。

參考文獻

[1] 馬文榮，趙桂芝，丘壽康.淺析溫濕度對靜電收集法測氡儀收集效率影響的作用機理[J].核電子學與探測技術,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動的探討[J].核電子學與探測技術,2010,30(5):673-675,711.

[3] 蔡思靜.物聯網環境下Rn運移機制實驗裝置的智能射頻感知系統設計[J].制造業自動化，2014,36(7):84-88.

[4] 黃學飛,李兆飛.物聯網技術在自動化立體倉庫的應用研究[J].自動化儀表,2013,34(7):66-68.

[5] 張安然.一種低功耗有源標簽的設計與實現[J].自動化儀表,2014,35(7)：56-59.

[6] 肖林榮,應時彥,馬躍坤，等.2.4 GHz射頻收發芯片nRF24LE1及其應用[J].信息技術,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] 藍會立，羅功坤，廖鳳依,等.基于傳感器網絡的煙葉發酵溫濕度監測系統研制[J].計算機測量與控制,2013,21(4):910-912.

中圖分類號：TH84;TN914+.3

文獻標志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201508015

福建省教育廳科技基金資助項目(編號：JA12232);

福建省科技重大專項基金資助項目(編號：2013HZ0001-4)。

修改稿收到日期：2015-01-14。

作者蔡思靜(1983-)，女，2008年畢業于福建師范大學光學工程專業，獲碩士學位，講師；主要從事物聯網技術應用方面的研究。