環境監測系統的可視化設計與實現

張婧婧，陳寧（新疆農業大學計算機與信息工程學院，烏魯木齊　830052）

環境監測系統的可視化設計與實現

張婧婧，陳寧
（新疆農業大學計算機與信息工程學院，烏魯木齊830052）

0　引言

可視化技術以其直觀性、交互性的優勢受到各類環境監測系統的“青睞”。目前，以溫、濕度為主要環境指標的監測系統設計中，鑒于基本功能和硬件成本的因素，開發者通常選用單片機或嵌入式開發平臺完成數據采集終端的設計［1］；數據的監測及終端的顯示則以圖形、圖像表示為主，其中VC++、VB等集成開發環境仍為此類開發設計者的首選［2］；在用戶端則選用小型數據庫Access即可滿足數據存儲的要求。文中筆者以單片機為采集控制核心，以AMS2320為采集設備，結合上位機VC 6.0的集成開發平臺及Access數據庫的存儲功能，設計并實現了可視化環境監測系統。本系統設計中均采用成熟的軟、硬技術，對低成本、高穩定性的可視化產品的開發具有借鑒、指導意義。

1　系統的整體設計

就系統的整體設計而言，其開發過程可分為采集、傳輸、存儲、顯示四個階段，相應的模塊設計如圖1所示。

由圖1不難看出，系統的硬件設計相對容易，旨在完成數據采集終端的硬件功能；系統的軟件開發工作量則較大，主要包括數據采集終端的程控設計和上位機的數據通訊、數據庫訪問、圖形監測界面的開發等方面。

圖1　環境監測系統的模塊劃分

2　采集終端的硬件設計

作為系統硬件的主要組成部分，采集終端肩負著數據的采集、傳送并與監測界面實時匹配等任務。設計中選用AMS2320傳感器采集環境參數，以AT89C51單片機為控制核心，于液晶屏1602中實時顯示溫、濕度數據，并通過設定其閾值及聲光報警電路與圖形界面相互對應，旨在實現基于單片機的數據采集控制部分［3-4］，其硬件結構如圖2所示。

利用AMS2320溫、濕度傳感器，系統在采集終端首先獲得了溫度精度為±0.1℃，濕度精度為±0.1%的實時環境數據，并將其通過串口傳送至上位機。

圖2　采集終端的硬件結構

3　系統的軟件設計

3.1數據采集終端的程序控制

如圖3所示，數據采集終端的程序控制始于各類硬件的初始化，包括液晶、AMS2320及T1定時器的初始化程序；隨后分別進入按鍵掃描模塊，數據采集模塊，液晶顯示模塊，聲光報警模塊及串行數據發送模塊，最終將溫、濕度數據以字節形式發送至串口。發送數據的格式如下：

FF 0A 02 03 01，其中，FF 0A為幀頭，表示溫度值，02 03 01表示溫度為23.1。

FF 0B 02 03 01，其中，FF 0B為幀頭，表示濕度值，02 03 01表示濕度為23.1%。

圖3　數據采集終端的主程序設計流程

3.2系統的終端顯示方案

系統顯示界面的設計基于VC 6.0的開發環境，應用MFC（微軟基礎類庫）進行開發［5-6］。由于MFC框架定義了應用程序的輪廓，在此基礎上，系統開發中將串行通信、數據庫的訪問、圖形圖表的顯示等應用程序納入框架即可完成溫、濕度數據的圖形輸出。

3.3數據串行通信及協議

在系統采集終端正常工作的前提下，單片機通過調用sendone（uchar x）函數將溫、濕度數據以一次40bit 且10幀為一個周期的形式不斷進行發送，如發送溫度數據：ff 0a t2 t1 t0等。

根據單片機的發送協議，顯示終端需進行相應的接收。在VC 6.0的集成環境下，系統采用CreateFile Windows API函數打開串口，調用ReadFile Windows API函數對相應數據進行采集。值得注意的是，采集的數據是以字符串的形式送入，因此還需進一步轉換，如每次以10個字符串進行分離、轉換，用于數據的最終輸出。

3.4數據庫的訪問

VC 6.0中對數據庫的訪問技術包括ODBC API、MFC ODBC和ADO［7］等，本系統采用ADO模型。其中包括3個主體對象，即Connection、Command和Recordset對象，三者均可被獨立地創建和釋放；另外還包括4個集合對象，即Errors、Parameters、Properties和Fields。部分核心代碼包括：

此外，系統設計中還封裝了CAdoLx類用于建立數據庫與圖形界面的動態鏈接。

3.5數據庫的圖形化處理

VC 6.0中，CDC（設備環境）類封裝了圖形繪制所需的各類操作［8］。該類直接繼承于Cobject類，能夠定義不同設備對象。在設計圖形界面時，筆者通過繼承CFrameWnd類，創建一個CChartFrame類，在此窗口類中直接為CDC類所創建的對象繪制條形框圖，即產生了監測界面中動態顯示的溫、濕度數據圖形，其部分代碼包括:

此外，界面設計中筆者還結合 ComApp類與CFrameWnd類創建了一個單文檔界面，利用CLoginDlg類創建對話框，通過CMainView類創建列表視圖以增強系統的直觀、交互性。

4　系統的測試與運行

在系統功能模塊逐一完善之后，應用數據采集裝置，筆者進行了系統的上位機測試與運行。在上限為30000條記錄的Access數據庫中，通過COM3串行口，系統完成了環境監測的圖形化顯示，其運行結果如圖4 （a）、（b）所示：

如圖4所示，在系統測試中，數據采集裝置以1Hz的采集頻率與監測界面進行動態鏈接，完成本系統的可視化輸出。而系統運行的不足之處在于，硬件顯示終端與圖形界面輸出的數據間仍有500ms左右延時。

5　結語

借助VC 6.0的開發平臺，環境監測系統的可視化功能基本完成。與大型環境監測系統相比，本系統的設計功能略顯單薄。但對于低成本和高效率的可視化產品開發而言，系統對圖形界面的運行要求樸素，且將采集裝置的成本降至最低，在此意義上，本系統的可視化過程更具指導意義。

圖4　（b）系統的可視化界面與硬件終端的對應顯示

［1］王簃，周杰.基于GSM遠程溫室環境監控系統的設計和實現［J］.現代電子技術，2008（22）:151-154.

［2］李丹妮，劉金輝，姜應戰.基于Visual C++的數據采集與處理軟件設計與實現［J］.微計算機信息，2007（22）:117-119.

［3］梅榮.基于單片機的溫濕度檢測與控制系統研究［J］.農機化研究，2012（1）:131-134.

［4］朱高中.基于單片機的糧倉溫濕度遠程監控系統的設計［J］.湖北農業科學，2013，52（3）:677-680.

［5］車忠志，孫雪雁.MFC應用程序基本框架分析［J］.農業網絡信息.2010（09）:145-147.

［6］索巖，崔紅志.基于MFC的數據庫動態訪問技術［J］.科技信息.2009（31）:428-439.

［7］蘇岳龍，李貽斌，宋銳.基于VC++6.0的高速串口通信數據采集系統［J］.微計算機信息，2005（05）:147-148.

［8］陳功，張晞，高喻，顧歆，宋耀民.基于VC++的數據采集系統的設計［J］.機電產品開發與創新，2007（06）:114-115.

Environmental Monitoring；Acquisition Terminal；Serial Communication；Database；Visual Interface

Visual Design and Implement of Environmental Monitoring System

ZHANG Jing-jing，CHEN Ning
（College of Computer and Information Engineering，Xinjiang Agricultural University，Urumqi 830052）

1007-1423（2016）18-0075-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2016.18.018

張婧婧（1981-），女，湖南寧鄉人，碩士，講師，研究方向為復雜系統、嵌入式理論與應用

2016-04-12

2016-06-15

可視化編程技術在環境監測系統的開發中具有顯著優勢。以環境監測系統的圖形界面設計為主旨，通過溫、濕度數據的采集、傳輸、存儲、顯示實現數據的可視化功能。首先借助單片機開發平臺采集溫、濕度數據，其次通過串口將其送至上位機并在VC 6.0集成開發環境下完成系統的交互式設計。最終根據測試、對比，分析該系統在低成本、高穩定性方面具有指導意義。

環境監測；采集終端；串行通信；數據庫；可視化界面

Visual programming technology has obvious advantages in the development of environmental monitoring system.As the main idea is to design graphical interface for environmental monitoring system，finds the way that through the temperature and humidity data acquisition，transmission，storage and display to realize the visualization function.At first，the temperature and humidity data are collected by the microcontroller development platform.Then through the serial port，sends the data to the host computer and use VC 6.0 integrated development environment to complete the graphical interface of the system.Finally finds that the system has guiding significance in low cost and high stability.