基于Lab VIEW和Web服務(wù)器的光纖氣體傳感器監(jiān)控系統(tǒng)
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程躍，劉 磊，張鵬，葉楊高
（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第八研究所，安徽合肥230051）
摘要：光纖氣體傳感器作為本質(zhì)安全的傳感器，具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。傳感器的光譜信號(hào)解調(diào)及數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸是該傳感器實(shí)用化的基礎(chǔ)�；贚ab VIEW和Web服務(wù)器開(kāi)發(fā)了一套光纖氣體傳感器的監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了用戶管理，傳感器光譜信號(hào)采集、處理及氣體濃度的信號(hào)解調(diào)等功能，并通過(guò)開(kāi)發(fā)Web服務(wù)器實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。該系統(tǒng)為光纖氣體傳感器信號(hào)解調(diào)及工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸提出了一種實(shí)用方法。
關(guān)鍵詞：虛擬儀器；Lab VIEW；Web服務(wù)器；光纖氣體傳感；監(jiān)控系統(tǒng)
中圖分婁號(hào)：TP212 文章編號(hào)：1006 - 2394( 2016) 04 - 0041 - 04
0 引言
相比傳統(tǒng)的電化學(xué)氣體傳感器，光纖氣體傳感器作為本質(zhì)安全的傳感器，其具有精度高、選擇性好、可靠性高、不中毒、受環(huán)境干擾因素較小、壽命長(zhǎng)等顯著優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用范圍更加廣闊。目前，國(guó)內(nèi)光纖氣體傳感器還處于研發(fā)階段，該技術(shù)還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化。其中，光譜信號(hào)解調(diào)及數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸是該傳感器實(shí)用化的基礎(chǔ)。本文基于Lab VIEW和Web服務(wù)器研發(fā)了一套光纖氣體傳感器的監(jiān)控系統(tǒng)，包括對(duì)傳感器光譜信號(hào)的采集、處理及氣體濃度的信號(hào)解調(diào)和對(duì)解調(diào)的數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程發(fā)布。Lab VIEW是美國(guó)國(guó)家儀器公司( National Instruments，NI)推出的基于圖形化語(yǔ)言的虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)，內(nèi)置信號(hào)采集、測(cè)量分析與數(shù)據(jù)顯示功能，集開(kāi)發(fā)、調(diào)試、運(yùn)行于一體，而且面向測(cè)試工程師，編程非常方便，人機(jī)交互界面直觀友好，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)可視化分析和儀器控制能力等特點(diǎn)，功能強(qiáng)大、開(kāi)發(fā)效率高且應(yīng)用廣泛。數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸結(jié)構(gòu)包括客戶端／服務(wù)器端( C/S)和瀏覽器／服務(wù)器端( B/S)兩種模型，相對(duì)C/S模型，B/S模型無(wú)需開(kāi)發(fā)用戶客戶端，通過(guò)瀏覽器可直接訪問(wèn)傳感器的Web服務(wù)器，對(duì)數(shù)據(jù)變化情況進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，本文采用B/S模型進(jìn)行數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)控的開(kāi)發(fā)。
1 系統(tǒng)硬件組成
如圖1所示是系統(tǒng)硬件組成框圖，系統(tǒng)硬件主要由光纖氣體傳感器、傳感器終端計(jì)算機(jī)及遠(yuǎn)程監(jiān)控終端計(jì)算機(jī)組成。光纖氣體傳感器是基于氣體吸收光譜技術(shù)對(duì)氣體濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)、在線監(jiān)測(cè)，主要由高功率LED光源、吸收氣室、光譜探測(cè)器及分析軟件四大部分組成。相比傳統(tǒng)光源，LED光源的使用壽命較長(zhǎng)，可達(dá)50 000 h；吸收氣室采用多次反射池結(jié)構(gòu)，可
在有限的體積條件下大大增加氣體的吸收光程，該氣室最大吸收光程可達(dá)30 m，對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的測(cè)量靈敏度可達(dá)n mol/mol量級(jí)；光譜探測(cè)器采用海洋光學(xué)的微型光纖光譜儀，光譜探測(cè)范圍為200~ 600 nm，光譜分辨率為0.2 nm，該光譜儀體積小、質(zhì)量輕，便于系統(tǒng)集成；系統(tǒng)分析軟件采用Lab VIEW進(jìn)行自主開(kāi)發(fā)，包括傳感器的光譜數(shù)據(jù)信號(hào)采集、信號(hào)處理、信號(hào)解調(diào)及氣體濃度分析。此外，傳感器終端計(jì)算機(jī)還通過(guò)Web服務(wù)器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)頁(yè)發(fā)布，通過(guò)瀏覽器便可進(jìn)行數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。
2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)
如圖2所示是光纖氣體傳感器系統(tǒng)程序流程圖，運(yùn)行傳感器終端程序后，首先進(jìn)入啟動(dòng)界面，啟動(dòng)界面顯示軟件名稱、版本號(hào)及版權(quán)所有等信息；隨后，程序進(jìn)入用戶登錄界面，在用戶輸入正確的用戶名和密碼后，程序進(jìn)入到傳感器的主程序，用戶登錄界面還可對(duì)用戶名和密碼進(jìn)行管理。傳感器主程序用于對(duì)光纖氣體傳感器的光譜信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、光譜信號(hào)的處理及氣體濃度的信號(hào)解調(diào)，并對(duì)獲得的數(shù)據(jù)通過(guò)Web服務(wù)器進(jìn)行遠(yuǎn)程發(fā)布，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享。
2.1啟動(dòng)界面
該界面顯示軟件系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)度情況，包括了軟件的名稱、軟件版權(quán)所有權(quán)情況及版本號(hào)等信息。
2.2用戶登錄
系統(tǒng)啟動(dòng)界面運(yùn)行結(jié)束后，程序進(jìn)入到用戶登錄界面，如圖3所示。該程序在用戶輸入正確的用戶名和密碼后才能進(jìn)入到下一程序，下一程序在類型里面選擇，包括分析系統(tǒng)和用戶管理系統(tǒng)，選擇分析系統(tǒng)，程序進(jìn)入傳感器主程序；選擇用戶管理系統(tǒng)，程序進(jìn)入用戶管理程序界面，如圖4所示是用戶管理程序，用于對(duì)用戶名和密碼進(jìn)行管理，包括用戶名及密碼的查詢、增加、修改和刪除。該管理程序基于Microsoft Access 2000數(shù)據(jù)庫(kù)和SQL(結(jié)構(gòu)化查詢語(yǔ)言，Structured QueryLanguage)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，SQL是一種數(shù)據(jù)庫(kù)查詢和程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，用于存取數(shù)據(jù)以及查詢、更新和管理關(guān)系的數(shù)據(jù)庫(kù)。Lab SQL是一個(gè)免費(fèi)開(kāi)源的數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)工具包，安裝方法就是先將Lab SQL文件解壓，解壓后的文件包括Lab SQL AD Ofunctions和Examples兩個(gè)文件夾，Lab VIEW安裝目錄的user. lib文件夾下新建一個(gè)Lab SQL文件夾，然后將這兩個(gè)文件復(fù)制進(jìn)去，重啟Lab VIEW就可以在后面板中函數(shù)選版的用戶模板中找到Lab SQL工具包。如圖5所示是用戶管理程序框圖，查詢命令為SELECT*FROM TABLE;增加命令為
INSERT INTO TABLE（用戶名，密碼）VALUES(’*，’*’)；修改命令為UPDATE TABLE SET密碼
=’*’WHERE用戶名=’*’；刪除命令為DELETEFROM TABLE用戶名=’*’。
2.3傳感器主程序
傳感器主程序用于對(duì)傳感器光譜數(shù)據(jù)的采集、處理及信號(hào)解調(diào)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)頁(yè)發(fā)布。程序界面包括光譜儀參數(shù)設(shè)置、測(cè)量信息設(shè)置、光源信號(hào)顯示、NO2濃度分析及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與歷史數(shù)據(jù)查詢。光源信號(hào)顯示模塊用于實(shí)時(shí)顯示采集到的光源光譜信號(hào)，具有光譜基線去除和光譜儀過(guò)飽和報(bào)警功能，光譜顯示范圍為400～505 nm。NO2濃度分析模塊是根據(jù)氣體的
光譜吸收理論，利用差分吸收解調(diào)算法和NO2氣體數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)傳感器測(cè)量的吸收光譜信號(hào)進(jìn)行反演，解調(diào)出NO2氣體濃度，并對(duì)NO2氣體濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。傳感器主程序界面如圖6所示。
2. 3.1光譜數(shù)據(jù)信號(hào)采集及處理
采用美國(guó)海洋光學(xué)Maya2000 Pro微型光纖光譜儀對(duì)傳感器的光譜信號(hào)進(jìn)行采集，利用海洋光學(xué)提供的Omn iDriver驅(qū)動(dòng)進(jìn)行采集程序的開(kāi)發(fā)，該驅(qū)動(dòng)支持Windows XP、Windows 7、Vista、Mac及Linux系統(tǒng)，支持Lab VIEW 7.1及更高版本的Lab VIEW。本文基于Windows XP系統(tǒng)利用Lab VIEW 2009進(jìn)行程序的開(kāi)發(fā)，如圖7所示是開(kāi)發(fā)的光譜信號(hào)采集和處理程序，
Wrapper_ Create. vi創(chuàng)建光譜信號(hào)采集任務(wù)；Wrapper_openAlISpectrometers. vi打開(kāi)Maya2000 Pro光纖光譜儀；Wrapper_ getSerialNumber. vi、Wrapper-getName. vi及Wrapper_ getMaximumlntensity. vi分別獲得光譜儀的序列號(hào)、名稱及最大發(fā)光強(qiáng)度；Wrapper -setlntegration-Time. vi、Wrapper-etBoxcarWidth. vi及Wrapper-setScansToAverage. vi設(shè)定對(duì)采集光譜進(jìn)行去噪處理的參數(shù)，分別設(shè)定光譜儀的積分時(shí)間、Boxcar寬度及光譜平均數(shù)；Wrapper-getWavelengths. vi和Wrapper-getSpectrum. vi分別用于獲得光譜信號(hào)的波長(zhǎng)數(shù)據(jù)和
對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的發(fā)光強(qiáng)度數(shù)據(jù)。
2.3.2光譜數(shù)據(jù)信號(hào)解調(diào)
光纖氣體傳感器對(duì)采集到的光譜信號(hào)需要進(jìn)行信號(hào)解調(diào)才能獲得相應(yīng)的氣體成分和濃度信息，解調(diào)算法采用差分光學(xué)吸收光譜法( DOAS)，該方法被廣泛應(yīng)用于大氣氣體監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。DOAS利用某些氣體分子在紫外，可見(jiàn)波段有特征吸收，來(lái)解調(diào)氣體的濃度。基于DOAS的光譜測(cè)量方法遵守朗伯-比爾定律：
2.4遠(yuǎn)程監(jiān)控實(shí)現(xiàn)及測(cè)試結(jié)果
基于瀏覽器／服務(wù)器端( B/S)模型進(jìn)行數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，首先要對(duì)傳感器服務(wù)器計(jì)算機(jī)上的Web服務(wù)器進(jìn)行配置。打開(kāi)傳感器的主程序，從菜單欄中的Tools—Web Publishing Tool打開(kāi)配置頁(yè)面，如圖9所示，首先從“VI name”欄中選擇要發(fā)布的VI程序名，在查看模式中有三個(gè)選項(xiàng)，分別為嵌入模式、快照模式和監(jiān)視模式。內(nèi)嵌模式是把VI前面板嵌入到瀏覽器中，使客戶端能遠(yuǎn)程查看和控制前面板，只有選擇內(nèi)嵌模式中的方框，客戶端才能向服務(wù)器發(fā)布控制請(qǐng)求；快照模式是在瀏覽器中顯示前面板的靜態(tài)圖片；監(jiān)視模式連續(xù)更新顯示前面板的快照?qǐng)D片，并且可以設(shè)置更新的時(shí)間間隔。
配置完Web服務(wù)器后，還需要在客戶端計(jì)算機(jī)上安裝Lab VIEW Run-Time Engine才能在瀏覽器中進(jìn)行服務(wù)器訪問(wèn)。在客戶端瀏覽器地址欄中輸入想要控制的VI網(wǎng)址，其中，局域網(wǎng)格式為：http://PcName orIpAddr/ ViName. htm, Internet格式為：http://IpAddr/ViName. htm。如圖10所示是光纖氣體傳感器遠(yuǎn)程測(cè)試結(jié)果，如果想實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程對(duì)服務(wù)器上傳感器程序的控
制，只需要單擊鼠標(biāo)右鍵，在下拉菜單中選擇RequestControl of VI就可以獲得其控制權(quán)限。
3結(jié)束語(yǔ)
基于Lab VIEW開(kāi)發(fā)了光纖氣體傳感器的監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用Microsoft Access 2000數(shù)據(jù)庫(kù)和SQL語(yǔ)言開(kāi)發(fā)了用戶管理程序，該管理程序開(kāi)發(fā)為一個(gè)獨(dú)立的子vi，可以應(yīng)用到其他的程序中，具有很好的移植性。采用海洋光學(xué)提供的OmniDriver驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)了傳感器的光譜信號(hào)數(shù)據(jù)采集程序及基于DOAS算法開(kāi)發(fā)了傳感器的信號(hào)解調(diào)程序；基于Web服務(wù)器開(kāi)發(fā)了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸，并進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試，結(jié)果表明該系統(tǒng)完全可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。
