时间：2022-02-26 23:21:41
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关键词：组态软件；智能温室；系统设计
智能温室是现代农业的重要组成部分，早在20世纪70年代，国外就开始对智能温室环境监控技术进行研究，其中日本、荷兰、以色列、美国等发达国家智能温室监测技术发展的最快。国外智能温室最早采用模拟式的组合仪表，采集温室环境因子参数，并通过相关设备进行指示、记录和控制。随后又出现了分布式监测系统以及计算机数据采集监测系统的多因子综合监测系统。温室产业在我国农业中的比重不断增加，加快了我国现代化农业发展的速度。“组态”的概念是伴随着集散型控制系统（DistributedControlSystem，DCS）的出现，才被广大自动化技术人员所熟悉的。在监控技术的不断发展和应用过程中，组态软件因为界面直观、便于二次开发、使用方便而一直占据着非常重要的地位，因此，基于组态软件设计了一套温室监控系统。
1系统总体设计
农作物的生长受到各种不同环境因子的影响，这些环境因子对作物生长发育的影响各不相同[1]。目前，科学家分析影响植物生长的环境因子达52种，其中空气温度、空气湿度、土壤温度、土壤湿度、光照强度、二氧化碳浓度是影响植物生长最主要的几种环境因子。根据系统监测与控制需求分析，确定系统结构如图1所示。
2系统硬件设计
2.1传感器选型
要实现对温室环境因子参数的监测，必须选择适合系统的传感器[2]。为了便于电路设计，系统土壤温湿度传感器选择上海搜博公司生产的SLHT5温湿度传感器。该传感器内置SHT10器件，主要用于土壤温湿度测量。光照度传感器选用ROHM公司的BH1750传感器。该传感器是一种用于两线式串行接口的数字型光强度传感器，内部包含一个16位模数转换器，直接输出数字信号。因此，该传感器使用时不需再进行复杂计算，使用非常方便。二氧化碳传感器选用MH-Z14NDIR红外二氧化碳传感器。该传感器利用非色散红外（NDIR）原理对空气中存在的二氧化碳进行检测，是一款高分辨率、高灵敏度的传感器，无氧气依赖性，寿命长，供电电压为4～6V，提供UART、模拟电压信号、PWM波形等多种输出方式。该传感器内置温度传感器，可进行温度补偿，具有良好的线性输出能力。几种传感器外形如图2所示。
2.2主控制器设计
系统主控制器性能的好坏直接影响系统可靠性。本系统采用基于ARMCortex-M3内核的STM32系列单片机[3]。系统选用STM32F103VE作为主控芯片，主频72MHz，内部含有256K字节的FLASH和64K字节的SRAM，LQFP100封装。操作系统选用了μC/OS-Ⅱ嵌入式实时操作系统[4]。主控制器结构框图如图3所示。
3系统软件设计
软件是整个系统的灵魂，对于系统的运行来说至关重要，各个操作都是在软件的协调下进行的。系统的软件设计包括温室控制系统的软件设计、通信接口驱动程序设计、上位机管理软件的设计等。本系统上位机软件因选取组态软件，此处不再赘述。
3.1系统主程序
系统的主程序是软件设计的核心环节，对整个程序架构起关键作用。系统上电后，将进行初始化，随后进入主程序。系统可以进行模式选择，分为手动和自动两种方式。在进入相应的子程序后，将逐步完成按键的扫描和服务、控制方式设置、环境参数采集、通信接口驱动和执行处理控制等程序，主程序流程图如图4所示。
3.2CAN总线通信协议
CAN总线有其自身的特色，传送的报文没有目标地址，采取全网广播方式，每个节点通过反映数据性质的报文标识符筛选报文，能够实现即插即用，可在线上网下网，增强了数据的安全性，满足控制系统及其他较高数据要求的系统需求。CAN总线通信软件设计包括CAN总线的初始化、报文发送和报文接收3个模块[5]。本系统所使用的芯片因其有专门一整套为其设计的固件驱动程序，因而大大简化了编程过程，为开发者省去了许多时间，可以将更多的精力放在实现系统功能上。
4组态监控系统设计
本系统上位机软件选用组态王组态软件。组态王（Kingview）是由北京亚控自动化软件有限公司开发的一款具有易用性、开放性和集成能力的通用组态软件。使用组态王的基本流程为：设计图形界面、构造数据库、建立动画连接、运行和调试。上位机是系统与用户直接对话的窗口。组态王提供了丰富的系统界面设计资源。本系统分别设计了登录界面、温室状态与控制界面、参数修改界面、实时与历史曲线界面、报警与事件界面，实现了系统相关功能[6]。
5结语
系统完成设计后，配合硬件试验资源，在杨凌农业示范园进行了实地测试，系统测试运行界面如图5所示。测试结果表明，基于组态软件的温室智能监控系统能够实现系统预期功能，操作简单、使用方便，系统运行情况良好。
作者:冯春卫 闵卫锋 单位:杨凌职业技术学院
参考文献
[1]肖乾虎.基于ZigBee/GPRS的作物生长环境因子远程监测系统研究[D].海口:海南大学,2014.
[2]杨少春.传感器原理及应用[M].北京:电子工业出版社,2010.
[3]丹,宗振海,陈慧珊,等.基于STM32的智能温室远程控制系统的设计[J].浙江农业学报,2014,26（3）791-796.
[4]朱琳,郭永.基于STM32的工业通用控制器的研究和实现[J].化工自动化及仪表,2012:224-227.
系统由分布在育苗架中的多个传感器节点、数据采集单元、设备控制单元和存放在嵌入式ARM设备中的监控软件4部分组成，如图1所示。育苗架由钢制材料构成，共有4层。每一层上面都布有4个温度传感器和加热、加湿装置，苗架内布有1个湿度传感器。苗架工作时处于完全密封状态，苗体生长所需的温湿度环境均由外部智能控制。数据采集单元负责向传感器节点发送指令，进行温湿度数据采集，并通过处理、打包过程，将数据通过RS－485总线接口发送到嵌入式设备上的智能监控软件中，数据传输所使用的协议为Modbus［3］。智能监控软件收到采集单元发来的数据之后，进行解包、分析、处理等过程，然后显示到用户界面上，同时软件具有记录历史数据的功能。用户在监控软件上可以设定期望达到的温度、湿度值，软件会发送包含这些期望值的指令给数据采集单元。数据采集单元收到这些指令之后，会判断当前是否符合条件。当条件符合后，数据处理单元会自动调用设备控制单元对育苗架进行相应的加热、加湿操作［4］。
2系统硬件设计
2．1嵌入式平台
嵌入式平台CPU型号为博通公司的BCM2835，采用ARM11微架构，主频为700MHz，同时平台配有512MBDDRRAM和8GBNandFlash，提供高效、稳定的运行和存储环境。平台配有HDMI高清视频接口，用来外接显示器，可以直观地显示系统操作界面。配有RJ－45网络接口和多个USB接口，用来连接网络、键盘鼠标和USB转RS－285数据线。平台搭载开源的嵌入式Linux操作系统，该操作系统稳定性好并且具有丰富的扩展功能，适合作为嵌入式监控平台［5］。
2．2传感器节点和设备控制单元
温度传感器采用Pt100。Pt100温度传感器是一种将温度变量转换为可传送的标准化输出信号(4～20mA)的仪表，其本质是铂热电阻，阻值会随着温度的变化而改变，主要用于温度参数的测量和控制，测量量程为－200℃～+200℃，精度为0．1℃。湿度传感器采用NWSF－1AT，它是一种集传感、变送为一体的湿度传感器，适于室内环境的湿度测量。其测量量程为0～100%RH，精度为±5%RH，响应时间小于15s，是一种两线制的标准化输出信号(4～20mA)传感器。设备控制单元采用继电器控制。加热装置分布在育苗架的每一层，且可以独立工作，加热装置的核心是碳纤维加热毯，它使用碳纤维作为加热介质。碳纤维(carbonfiber，简称CF)，是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。它是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成，经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。碳纤维的导热性能好，热膨胀系数小且具有各向异性。因此，碳纤维加热毯的功耗低、加热速度快，适合在农业上使用。加湿装置分布在育苗架的每一层，核心是双向高压喷头，可以均匀覆盖待加湿区域。本单元既可以接收由数据采集单元发来的指令，打开或者关闭加热、加湿装置;也可以设定一个阈值，自动地打开或者关闭加热、加湿装置。
3系统软件设计
系统软件设计由通信协议和上位机程序两部分组成。其中，通信协议采用Modbus、上位机程序使用Qt开发。
3．1通信协议
Modbus协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络(例如以太网)和其它设备之间可以通信。它已经成为一通用工业标准。此协议定义了一个控制器能认识使用的消息结构，而不管它们是经过何种网络进行通信的。它描述了一种控制器请求访问其它设备的过程，制定了消息域格局和内容的公共格式。Modbus协议规定，在进行通信时，每个控制器需要设定唯一的设备地址，交换消息时根据设备地址进行响应，确保一条指令对应的设备是唯一的。Modbus协议查询指令数据示例如表1所示。其中，数据均为16进制，CRC错误校验位高位在前、低位在后。
3．2上位机程序
本系统上位机程序采用Qt开发，它是一款开源的界面设计库，使用C++类编写。其最大特点是跨平台，支持市面上所有主流平台，如Windows、桌面Linux、嵌入式Linux、MacOS、Android等。用户只需要编写一次代码，就可以在不同平台上进行编译、运行，可移植性较好。在正式编写Qt代码之前，需要在目标平台上搭建相应的开发环境，即本系统需要搭建适用于嵌入式Linux的Qt开发环境，Qt版本为4．8．5。首先将Qt源代码解压，在其根目录下执行．/configure命令，对源码进行配置;然后执行make和makeinstall命令编译源码，并安装编译好的库文件到lib文件夹下;最后将这些库文件拷贝到嵌入式平台根目录下的lib文件夹中，并为其增加export变量路径:exportQTDIR=/usr/local/Trolltech/Qt－4．8．2exportPATH=/usr/local/Trolltech/Qt－4．8．2/bin:$PATHexportMANPATH=$QTDIR/man:$MANPATHexportLD_LIBRARY_PATH=$QTDIR/lib:$LD_LIBRARY_PATH至此，Qt环境搭建完毕。嵌入式平台用户界面如图2所示。上位机程序由查询指令发送模块、查询指令接受模块、控制指令发送模块、历史记录生成模块和通信控制模块组成。对各模块进行独立开发，最后在主界面中采用多线程机制进行结合，将各模块分别放置在单独线程中执行，既确保了各模块的独立性，又提高了程序的安全性和总体的运行效率。系统总体的软件流程如图3所示。系统启动后，会首先初始化硬件(内部寄存器、串口等)和传感器节点［6］。采集单元通过RS－485串行通信口与嵌入式设备进行通信。本系统可以选择手动查询模式或自动查询模式。安装在ARM设备上的上位机程序能够给数据采集单元发送查询或控制指令。当发送查询指令之后，采集单元会根据指令中包含的设备地址信息，匹配相应的传感器节点，并采集数据;将采集到的数据进行压缩、打包，然后传回上位机程序;上位机程序接收到数据之后，进行分析、解包、处理，最终显示到用户界面上，同时自动存储历史数据。当上位机发送控制指令之后，采集单元会把待设定的参数传递给控制单元，使其可以根据需求对加热、加湿装置进行控制［7］。
4实验及结果
为了验证系统的性能，将育苗架放置在室内环境中，分多个时间点记录育苗架周边环境的温度、湿度数据。给育苗架分别设定一个温度目标值和湿度目标值，每10min记录一次育苗架内的温湿度情况。为保证精度，周边环境的温湿度数据由小型气象站采集。育苗架内部的传感器放置如下:每层分成4个区域，每个区域的中心放置1个温度传感器，传感器距离每层顶部距离为20cm，用来采集温度数据;在育苗架内同时放置1个湿度传感器，用来采集湿度数据。育苗架内部的加热、加湿装置放置如下:加热装置铺在每层底部，使该层各部分可以均匀受热，且加热装置下再铺一层隔热层，避免每层热量相互串扰;加湿装置安装在每层的顶部，距离顶部5cm，采用360°双向设计，保证可以对该层各部分进行加湿。数据采集单元放置在苗架的外面，并且对苗架内的连线进行密封处理［8］。
4．1温度控制实验
将苗架温度目标值设定为25℃，湿度不设定，连续采集6h并记录数据，作出变化曲线图。图4为育苗架内温度曲线图，图中虚线为苗架外环境温度变化曲线。
4．2湿度控制实验
将苗架湿度目标值设定为40%Rh，温度不设定，连续采集6h并记录数据，做出变化曲线图。图5为湿度曲线图，图中虚线为苗架外湿度变化曲线。由两次实验可知，在系统刚开始工作的时候，不论苗架内外的温度还是湿度情况基本一致，各点的温度情况处于混沌状态，苗架内的温度和湿度都不等于设定值。随着时间的推移，苗架内各点的温度均趋向于设定值(25℃)，湿度能维持在设定值(40%Rh)左右，且可以稳定保持。
5结论
1.1缺乏日常维护
电网设备就好比日常生活中常用到的家用电器，一样需要使用者定期地进行维护或者保养。尤其是对于长距离电网线路这种高频率使用的线路而言，日常的维护以及保养就更显得有必要了。很多的操作人员往往忽略了这一重要步骤，使得电网送电的工作效率以及质量得不到有效的保障，给工业生产带来了影响，甚至是经济上的损失。
1.2工作环境不稳定
电网设备用于工业生产部门中，可以切实保证工业产品的生产质量，有效提高企业的生产效益。然而，值得注意的是，长距离线路输电过程中，对于其工作环境也是有着一定要求。例如外界的温度、湿度，所含的杂质，甚至是噪音都成为导致电网长距离输电电流过大的因素。部分工作人员没能认识到规范设备的工作环境的必要性，而导致电网长距离线路长期处于非正常工作环境，极容易造成安全事故，以及人员的伤亡等。
1.3变电站运行故障
变电站变电运行故障主要是包括PT保险熔断故障、谐振故障及线路断线故障等。这些故障都是比较常见的，我们必须找出排除故障的方法，只有这样才能在故障发生时，找到合理的解决方法。通常情况下，在不直接和经消弧线圈小电流接地系统中，如果发生上述几种故障，中央信号将会发出“10kV系统接地”光字牌或者是发出报文。产生这种现象主要是因为小电流的接地系统母线的PT辅助线圈开口三角处连接着电压继电器，我们可以通过这个现象，来判断故障的发生。
2长距离供电大电流监控系统设计的具体措施
2.1实时监控主变低压侧向开关跳闸
对于主变低压侧向开关跳闸的排除方法来说，如果变电运行中因主变低压侧向而造成过流保护动作时，就需要对电网设备进行仔细的检查，然后再对现象进行判断。我们在进行检查时，不仅仅要检查主变保护，同时也要也要检查线路保护。最后利用对输入端设备的检验工作，对过流保护的故障进行处理。因此为了更好地开展故障维修这一系统工作，应该建立一个有效的信息处理平台，作为计算机中心，实行对电网设备维修控制以及管理的有效场所。此外，还应该完善相应的环节，例如信息的传递中心、机电设备的诊断及检查中心等，通过完善每个信息步骤进行有效的执行。现在是一个信息化时代，电网设备常常和计算机技术结合使用，大大方便了工业生产，提高了对于长距离供电的效率。然而，在电网设备的具体应用中，常会出现种种不良状况以致于影响了其正常作业，给企业生产带来了不同程度的损失。所以我们必须要找出合理的解决方法，来进一步促进电网的合理发展。
2.2建立主变三侧开关跳闸应急处理方案
主变三侧开关跳闸的处理方法为:应利用检验保护掉牌及输入端设备来进行判定。假如出现瓦斯保护的情况，则可判定其故障为变压器内部或二次回路的故障，可以通过对压力释放阀门及呼吸器进行检查、查找二次回路的接地情况、变压器自身的形变情况，并进行处理。我们知道，机电设备用于工业生产部门中，可以切实保证工业产品的生产质量，有效提高企业的生产效益。如果出现差动保护的现象，应对输入端设备的主变压三侧差动区进行检查。例如外界的温度、湿度，所含的杂质，甚至是噪音都成为影响电网设备正常工作的因素。由于差动保护对主变线圈的相间及短路情况进行反应，所以，当发现这种状况时，应先认真对主变进行检查，包含其油色、油位、继电器等。如果继电器内有气体，则要对气体进行提取，由气体的颜色及可燃性能对其故障性质进行判定。然而，值得注意的是，机电设备在作业过程中，对于其工作环境也是有着一定的要求。
2.3积极引入交流小型电网来分担电网压力
交流小型电网是指系统中含有交流母线，通过母线将小型电网系统中的能源存储设备、DG以及电网负载等装置通过电子转换进行传递，最终将信号传递给电网中枢控制系统，通过对公共联结点处开关的控制，实现交流电网孤单运行模式以及并网模式的来回切换。因此，交流小型电网可以实现对不同电压的交流电与直流电的切换以及对交流负载提供电能补充，DG以及电网负载的电能流失可以通过电能补偿器来进行补偿。交流小型电网能够对现有的电器进行直接负载，不需要附加电流转换器就可以实现电器的正常使用。同时，由于交流小型电网自带过流保护器，能够在漏电侦测、过流保护及触电防护等放方面很容易实现监控。此外，交流小型电网能够实现孤岛运行模式和并网运行模式的自由切换，且与外部电网的衔接程度较好，不需要附加转换器就可以直接并入外部的电网系统。小型交流电网组建与安全运行能够将现有的各种分布式发电系统进行供电系统的合理改造以及优化，实现各类资源的合理配给，实现提高电网的运营能力以及负荷能力。
3结语
监控系统的硬件是系统运行的保障。在本设计中，底层数据采集层采用了各种温度、湿度及电压电流传感器来采集数据，为了将所采集的数据及时地传送至现场数据汇总节点，采用了基于ZigBee技术的无线传感网技术。传统监控系统的底层数据传输大多采用类似于CAN的总线结构，这种方式可靠性强且速度快，但是不太适用于经常有所变化的场合。而无线传感网可以很好地解决这一问题。图2所示是每一个监控节点的结构，主要由传感器单元、处理器单元、无线通信单元来组成，每个电源模块的数据采集后，首先在这里进行简单的处理，然后传至汇节点。在每一个数据采集现场，都会设置一个数据处理中心，这个数据处理中心由嵌入式系统来担任。本设计选择了Atmel公司的AT91SAM9G45处理器，该处理器频率可达400MHz，结合了通常需要用到的用户界面功能与高速数据传输接口，包括一个7寸LCD显示屏和一个触摸屏、摄像头接口、音频、10/100M以太网以及高速USB以及SDIO，拥有极高的性能以及网络带宽，足以满足系统的应用。操作系统选用嵌入式Linux。该处理器接受来自于底层数据采集模块的数据，对数据进行相应的处理并上传至控制中心，而同时接受来自于控制中心的命令，对现场电源模块的运行进行控制。系统通过CGI(commongatewayinterface)接口完成WEB客户端与WEB服务器的连接，从而使操作人员可以从任何一个浏览器上实现系统数据的查询与控制命令的下达。CGI接口原理图如图3所示，Web服务器把接收到的有关信息放入环境变量，然后再去启动所指定的CGI脚本以完成特定的工作，CGI脚本从环境变量中获取相关信息来运行，最后以HTML格式输出相应的执行结果返回给浏览器端。由于用户能传递不同的参数给CGI脚本，所以CGI技术使浏览器和服务器之间具有良好的交互性[2]。
2监控系统软件系统设计
监控系统的软件部分采用模块化开发方式。整个系统共分为初始化、数据采集管理、控制与维护、人机界面、通信、系统维护等六个模块。在这六个模块中，数据采集管理模块及控制维护模块是整个监控系统的核心模块。数据采集模块可以分为模拟量采集与处理模块、数字量采集与处理模块、报警处理模块三个部分，分别负责系统模拟量和数字量的采集、汇总、处理、存储、转发等工作，同时在分析数据的基础上对系统的运行状态进行分析和判断，如果系统运行状态存在发生故障的可能性，就相应发出报警信号。系统的控制和维护模块的主要功能是接收来自于数据采集模块的数据及初判结果，并根据结果进行电源运行状态的管理，其中包括对系统的自检、故障自诊断、程序复位、系统安全等方面的功能。除此之处，还要完成对其他模块的调度。
3总结
关键词:低压配电监控系统;电力系统;计算机;监控
配电监控系统是将智能配电设备更加数字化的信息进行采集，从而实现了配电站的成本缩减。为了满足用户的实际需求，笔者结合某机场建设来分析常见低压配电系统元件的选择、监控系统现场通信协议及总线的应用。
1监控构成与原理
配电监控系统，主要是由三个部分的工作站而组成的。这三个部分分别为打印机管理员工作站，工程师工作站以及最后的智能化开关柜。而如果想要工控机进行正常的通讯，这就需要我们结合之前所提到的三个部分中的电力仪表，由此而进行开关柜的通讯系统，以及开关系统。同时，我们还应该安装几个分屏，比如说功率因数补偿屏以及过桥屏模块和另外的其他分屏。
2监控系统构成
2．1服务器
如果进行监控网络的设计，要重新配置底层配电源元件，且需要进行通信网络的设计和施工。传统配电系统不具备通信电缆的条件，为了保证通信的基础，加入无线通信也是配电监控系统的发展趋势，其可以透明地把配电系统串口信号进行双向无线传输，还能使用工频段，不需要进行申请。会随着上网的普及，转换器运用也会在逐步增加，对于这些产品提供标准的通信接口，还要提供双向透明数据，让大家不用知道复杂的通信原理协议下，不用麻烦的更改原有程序，就能让工业串口设备的串口通信转换为无线网络通信，目前已经很多国内系统厂商都在实行提出了无线组网的方案。
2．2光纤交换机
该监控系统之中的光纤交换机，是由一个网络体系而组成的，这一网络系统的主用功能就是为了储存。其中这一系统之中的通讯功能，都是由这一设备在网络之中进行的。因此，光纤交换机这一设备不仅仅可以帮助我们储存资料，而且还可以帮助我们进行大部分情况之下的监控任务。同时，可以提高了数据备份速度，更增加了对存储系统的冗余连接，并且我们还可以通过使用循环嵌套来使得我们的光纤交换机减少用电量。作为程序中存放所采集到的电量参数的地址，我们需要使用到DB数据块。如果要从技术上来讲，连接设备、设备接口和通信控制协议，可以构成一个SAN系统。
3监控软件系统设计
监控软件系统的设计，主要作用是为了能够帮助我们进行远处信息的采集，这一系统的设计采用了独立的运行系统以及数据库，它的工程师工作站用的是运行Windows2000。专业网络版组态软件是基于组态软件TelePower为基础，而开发使用的监控系统。这一监控系统可以有效的降低电压的使用度数，同时增加软件的画面效果。由此而使得我们所看到的，呈现出来的画面是高配置的模拟画面。该监控系统的主要功能是为了能够的将登录，以及各种表格，和各种数据，乃至于操作记录等，其中，甚至是较为困难的，难以解决的任务，都可以使用这一监控系统。因此，这一监控系统不仅仅可以做到较为高难度的监控要求，还可以确保一定的安全;可通过网络状态检测、综合判断等，进而提高整个配电系统的可靠性。
3．1PLC设计
笔者所在的某国际机场低压配电监控系统所使用的软件，其特点主要就是能依据循环嵌套的这一种模式，从而实现了这一控制系统在使用的时候能够尽可能的较少电压的使用。而在另外一种形态的时候，这一软件又可以DB数据块作为程序中存放所采集到的电量参数的地址:(1)功能块FC31(Measurement)主要实现通过移动定义的变量P，实现开关远程分合;(2)功能块FC32(Commstatesum)这一功能块的主要目的就是为了能够更好的采取一一对应的方式，由此而进行数量的采集。
3．2人机操作界面
国际机场低压配电监控系统是西门子的专业软件作为使用的平台，然后以WINDOWM7作为这一人机操作界面的操作系统的一部分，同时另外使用不同的服务器作为这一操作系统的另一部分，由此而组成的人机操作界面。(1)用户管理及操作权限。这是需要工程师级别的用户才可以使用的操作权限，对于一般的操作人员，是不具有这一操作权利的。这一做法的主要目的就是为了使得人机操作界面，能够处于一个较为安全的环境之中。而这一操作权限的控制，主要原理为低电压的配置。(2)图形化系统。图形化系统不仅仅可以实现传统的监视任务，更加值得称赞的是图形化系统还可以实现复杂化的监控任务。这都是通过图形化设计器这一机型，从而使得图形化系统能够在运行的时候，做到这一成果。在图形化系统在进行运行的时候，可以依靠图形化设计器呈现出现场的实时监控，这就很大程度上的保证了机场之中的安全。(3)数据的采集与处理。人机操作界面之中的数据，主要采集来源是数据库储存。对于数据的采集以及处理来说，正是因为配备了低电压的系统来进行数据采集设备的开关，因此重要的信息都会被采集进数据库之中。并且，这一设备同时配合以多功能的电力系统开关，就可以直接采集到监控系统的信息。(4)报表管理。报表管理主要使用的是电能报表，这一管理可以自动的运行关于报表的各个方面的内容，其中包括了报表的历史，报表的操作记录，报表的查询以及等等其他的各个方面的报表数值。这些报表数值不仅仅可以给我们呈现出关于电能费率的相关数据的表格，还可以让我们方便的查询在这些数值形成过程之中的具体细节。(5)事件记录和故障报警。事件纪录以及故障报警，是可以详细给我们呈现出事件发生时候的所存在的所有内容。甚至于，这一内容之中还包括了值班人员的信息等等，并且还可以自动对运行设备发送控制指令。(6)打印。对于给需要打印的作业进行打印，在这一机器进行运行的时候，需要有动态内容的设定，并且同时还需要设置打印作业的时候所需要的相对应的数据，这样才可以在低压的情况之下，进行打印。
4结语
由以上的实践研究，我们可以清楚的知道，这一电子监控系统具有很高的可实用性。这一监控系统，不仅仅可以很好的做到了安全简单这一基础要求，同时也可以更好的提高了工作人员们的工作效率。使得工作人们能够在远程就可以进行这一监控系统的操作使用，并且这一设备也很好的实现了数据储存这一要求。因此，这一电子监控设备不仅仅达到了我们所需要的设计目的，同时这一监控设备在实际的运用之中，发挥了更好的使用效果。
作者:唐澜剑 单位:成都双流国际机场股份有限公司
参考文献
［1］赵文龙，赵德，许光泞，等．低压配电监控系统的设计［J］．电气应用，2003(06):47－49．
1.1远程监控需求分析
1）具有远程控制休眠、唤醒地震仪功能。地震仪在放炮之前唤醒，在停止施工期间休眠，地震仪可有选择的进行采集工作，这样大大节省了数据存储空间，降低了采集系统的功耗，延长了仪器的待机时间。
2）可查询如CF卡剩余空间，内置电池电量，位置经纬度，采集站状态等信息。对剩余空间、电池电量不足，采集站状态错误且不能远程修复的采集站及时安排工作人员更换。提高野外勘探作业的工作效率和灵活性，增强采集系统数据的可靠性。对读取回来的地震仪经纬度信息在上位机端进一步处理，可用于研发地震仪排列位置监测及远程防盗系统，保障野外勘探仪器的安全性。
3）远程控制地震仪自检功能，并能回收自检数据。地震仪系统自检内容包括检波器内阻、噪声、隔离度测试等，一次完整的自检过程通常需要2-5分钟，因此无缆存储式地震数据采集系统一般只在开机时自检一次，之后则无自检过程，因此采集站的部分工作状态，如检波器连接状态等仅仅反映了系统开机时的状态，不能作为现场质量监控的标准。法国UNITE系统由于没有远程监控功能，在自存储模式下通常是定时自检，自检时间为5分钟，在系统自检期间，地震仪停止其它一切工作，这样就减弱了地震仪野外勘探作业工作的灵活性。
4）有一定的远程修复及设置功能。如配置系统采样率、增益，系统复位等，出工前对地震仪的工作参数进行统一配置，布设到野外后，根据自检结果对有问题的地震仪进行参数设置和系统复位等操作，远程修复和解决问题，节省人力物力，提高无缆地震仪智能化控制程度。
1.2无线通信技术的选择
目前成熟的无线通信技术较多，如Wi-Fi、Zigbee、Bluetooth、GPRS、3G等，这些通信技术被广泛应用到生活及工业生产中，北斗短报文是近几年才发展起来的一种远距离通信技术，表1列出了应用以上几种通信技术典型模块的最大数据传输速率、传输距离、通信频带的参数值。
1.2.1Wi-Fi
Wi-Fi是IEEE802.11系列标准的统称，其传输速率快、安全性高，可集成到已有的宽带网络中，配合路由器组建有线、无线混合网络快捷方便。地震勘探仪器中Wi-Fi常用的组网模式有两种，即AP（无线访问接入点）模式和AdHoc（点对点）模式，在野外我们可以用架设AP基站的方式来拓扑无线局域网络的覆盖面积[3]，而AP之间可以通过网桥设备连接，从而完成更大面积的网络覆盖范围，然而在实际勘探应用中AP基站和网桥设备架设困难，尤其应用于大道距的二维或者三维勘探工作中，需要更多的基站与网桥，较大的影响了施工进度。AdHoc是一种无中心、自组织、多跳移动通信网络，结点间通过分层的网络协议和分布式算法相互协调，实现了网络的自动组织和数据的相互交换，这种模式下地震仪可将其采集数据及工作状态信息接力式的传输回控制中心，美国WirelessSeismic公司的RT2无线遥测系统就是应用了这种多跳的数据传输方式，两个节点间通信距离的范围约为25~70m，然而这种工作模式会导致越靠近中央记录系统的节点积累的数据量越大，且在线性的网络拓扑结构中，数据传输的稳定性受通信距离与地形环境影响较大，数据通信的质量和速率难以得到有效的保证。
1.2.2GPRS、3G移动网络通信技术
移动网络通信技术已经成为人们工作生活中不可或缺的重要组成部分。该技术具有抗干扰能力强、传输速率高、网络覆盖面广、接入时间短、建设成本低等特点[10]，在地震勘探中可被应用于移动网络信号覆盖范围内的地震台网远程监控，它提高了远程仪器维护的工作效率[11]。然而在地震勘探大道距（道距大于1km）地震深反射、折射探测作业中，由于其基站的信号覆盖范围有限，对于远程监控地震采集站工作存在一定的局限性。
1.2.3北斗短报文通信技术
北斗卫星作为北斗通信技术的中继，转发来自地面用户端的定位及通信请求，地面中心站控制端接收到请求后，解析消息后将解算出的位置信息传回用户端或将接收到的接收信息通过北斗卫星转发至另一地面用户端，达到卫星定位及通信的目的。北斗短报文通信技术在应用时具有信号覆盖范围广、安全、可靠性高和控制简单等特点，用户一次最大可以传送120个汉字的报文信息，而民用信息发送的频度通常为30-60s，接收信息则没有频度的要求，对于地震仪基本的控制命令收发及状态信息的传送，北斗短报文通信技术可以满足无缆地震仪基本状态监控数据传送的要求。
1.3系统结构设计
基于北斗的无缆存储式地震仪远程监控系统工作，系统由主控中心、北斗卫星、采集单元三部分组成，主控中心通过北斗指挥机完成对采集单元远程的控制及状态数据的回收工作，并对接收到的数据进行管理和存储。采集单元完成地震数据采集的同时，通过北斗通信模块可接收来自主控中心端的控制命令，并反馈执行结果信息。北斗卫星是控制命令及反馈信息传递的媒介。
2采集站单元设计
2.1硬件设计
地震检波器将地面振动信号转化为模拟电信号传输到FPGA数据采集单元，由FPGA完成数据的采集、缓存，并提供必要的测试、控制功能。AT91RM9200作为中央处理器，读取FPGA中存储的数据，并转存到CF存储卡中；通过SPI接口与Wi-Fi模块连接，实现近距离的无线数据传输功能；通过UART与GPS、北斗模块连接，为采集站提供高精度的授时、定位、远程通信功能，完成数据同步采集、位置信息获取、工作质量远程监控。采集站也可通过以太网接口与电脑终端连接，完成数据的回收及参数设置、检查工作。采集站在野外应用时采用太阳能和内置锂电池两种供电模式，电源智能管理系统会根据采集站当前工作的天气条件转换供电模式，保证仪器可靠、稳定的工作[12]。
2.2软件设计
采集单元的主控制器ARM9运行嵌入式Linux内核版本为2.6.31的操作系统，北斗通信进程完成对北斗模块接收信息的解析与执行，及执行结果的反馈。北斗短报文通信系统包括指挥机与用户机，指挥机是北斗短报文通信系统的中央控制器，它相当于一个服务器，负责接收来自多个用户机的报文，并可以控制多台用户机来完成相应的指令。用户机是北斗短报文通信系统的子节点，相当于一个客户端，负责将节点工作信息上传到指挥机，和接收来自指挥机的命令。北斗用户机在接收到指挥机传来的信息时，用户机会通过UART将信息内容上传给下位机系统，下位机会根据其数据传输的格式将信息进行解析，并根据信息包含的指令内容来执行相应的任务。
3上位机服务器软件设计及测试
主控中心由上位机、打印机、存储器、发电设备、北斗指挥机组成。上位机与北斗指挥机完成命令的选择与打包发送，及对采集站反馈信息的接收、显示、存储和打印处理。发电设备输出220V的交流电压，为上位机及其外设供电。此外上位机服务器软件通过对GoogleEarthAPI接口的调用，实现了对野外采集站排列位置的远程监测，为微动勘探实验中按两个嵌套式三角形方式排列的采集站传回的GPS位置信息在GoogleEarth中的显示。操作人员可根据地图显示软件中采集站的排列位置了解施工进度，获取采集站排列班报，完成布站人员调度等工作。为了了解远程监控系统的性能及数据传输丢包、误码情况，设计如下测试实验：将7台内置有北斗通信模块的采集站接好检波器放置在室外采集，由主控中心完成与各个采集站间的数据包收发，采用60s一次通讯频度，数据包长度为200字节，从500个样本数据中任选7个，分别用于七个站的通讯测试，主控中心将样本数据依次发给各个子站，并重复500次，子站收到数据包后向主控中心返回相同的样本数据。主控中心计算从开始发包到收包完成的时间间隔作为通信的延时，主控中心与采集站分别记录通信时丢包数，并根据与标准样本数据对比的结果记录错包数。
4结论
为了全面提高煤矿企业安全生产水平,国务院《关于进一步加强企业安全生产工作的通知》,强制推行先进适用的技术装备。目前,国内的各煤矿基本安装了煤矿安全监控系统,煤矿安全监控系统主要功能是保证安全监管部门能及时了解煤矿井下的实时信息,发现各种异常情况及报警信息,督促煤矿能及时处理,以减少事故的发生。而现有的煤矿安全监控网络这门课程的实训平台必须依赖于真实的安全监控分站和传感器,而一套最简单的安全监控系统至少需要5,6万元,若单独为每位实训的学生配置一套安全监控系统不切实际,因此迫切需要一套虚拟实训平台能真是模拟整个安全监控系统的安装及配置过程,并且具备验证系统参数设置正确性的功能,能让每位学生都能独立的完成所有参数设置。
2需求分析
按照网络化教育系统的任务、特点,将该门课程的虚拟实训平台各功能模块设计下:(1)配置文件正确性验证。具备系统安装正确性验证功能,如果配置文件参数设置错误,会根据错误情况提示用户进行相关参数的修改。(2)产生测点信息。虚拟平台能随机产生需要定义的测点以及该测点的各种虚拟参数,由于在系统配置完毕后需要验证整套系统是否能有效的实现风电瓦斯闭锁,因此该虚拟数据还应支持用户自行修改。(3)测点定义。结合系统给出的各类测点,用户能对测点的详细参数进行设置。包含模拟量传感器的报警值、断电值、浮点值、预警值的设置以及控制口的关联;开关量传感器的断线、正常状态、非正常状态的设置以及控制口关联;控制量的常开与常闭状态的设置;交叉断电等。(4)报警信息提示及查询。对于虚拟平台产生的报警、断电等异常信息,系统能通过语音等方式及时提醒用户,并具备对于历史信息提供查询的功能。(5)统计报表管理。虚拟平台能够对模拟量及开关量的数据,分站的运行状态统计形成报表,并提供打印、导出功能。
3总体设计
煤矿安全监控虚拟实训平台采用B/S结构,应用Web服务器、JSP动态网页设计及网络模拟器等技术,构建虚拟实训环境。网络模拟器包可以安装在网络互联实训室的服务器上,也可以安装在校园网的服务器上。学生只要在浏览器页面中输入服务器的IP地址,即可登录到虚拟实训平台对各项参数进行配置和调试。整个虚拟实训平台的核心是测点定义以及正确性验证这部分功能,而用户的测点定义必须遵循《煤矿安全规程》、《AQ1029-2007》以及其他相关规程规范的要求,并结合平台提供的虚拟数据详细设置传感器的报警值、断电值、复电值等参数。
4详细设计
(1)传感器的设置。在采煤工作面上隅角设置瓦斯传感器1个;在工作面回风巷距工作面10米处设置瓦斯传感器1个;在工作面回风巷末端10-15米的范围内设置瓦斯传感器1个、风速传感器1个,若是自然矿井还应增加一氧化碳传感器1个、温度传感器1个;在工作面进风顺槽工作面移变处设置馈电传感器、开停传感器若干,用于检测工作面主要设备的开停和馈电状态;工作面回风巷长度若超过1000米,则还应在中部增设瓦斯传感器1个;煤与瓦斯突出矿井,在工作面进风顺槽处设置瓦斯传感器1个;采用串联通风的采煤工作面,被串工作面的进风巷10-15米处设置瓦斯传感器1个;有专用排瓦斯巷道的工作面,必须在专用排瓦斯靠近回风巷10-15米处设置瓦斯传感器。以上为虚拟实训平台自带的已定义好的虚拟测点,考虑到系统扩展性,支持自定义各类模拟量和开关量传感器的定义。修改数据库中的表t_point即可实现。其中tpointNo为定义测点编号,fzID为定义分站号,lxID为定义传感器测点类型,dwID为定义传感器量产单位,Val为虚拟数据初始值,Wave为虚拟数据波动比例。(2)测点定义正确性验证。当用户对已有的测点定义完毕,需要虚拟实训平台对其正确性进行验证,而验证其正确性的依据是《AQ1029-2007》。如:工作面及上隅角瓦斯传感器报警值应≥1%,断电值应≥1.5%,复电值应<1%;回风巷的瓦斯传感器报警值应≥1%,断电值应≥1%,复电值应<1%等。
5结语
