多點噪聲遠程自動采集系統(tǒng)設計

秦學偉　曹銀杰

摘 要 設計了一種基于嵌入式工控機和低功耗、高性能噪聲傳感器結(jié)合在一起的方案，通過串口設置實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動采集，本機數(shù)據(jù)的采集、處理、存儲和上傳，C#網(wǎng)絡連接上位機數(shù)據(jù)庫并對數(shù)據(jù)進行隨時上傳和調(diào)用，并提供良好的人機交互界面，以及下拉式菜單的管理和數(shù)據(jù)的實時動態(tài)顯示。通過TCP/IP網(wǎng)絡編程與上位主機通信，可實現(xiàn)多機連接，多點采集的功能，達到遠程實時檢測傳輸數(shù)據(jù)。噪聲傳感器具有體積小、功耗低、采集速度快等優(yōu)點，在氣象監(jiān)測、室外檢測噪聲等相關(guān)行業(yè)中具有廣泛的應用前景。

關(guān)鍵詞 噪聲傳感器 遠程傳輸 實時采集 人機交互

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：A

隨著城市化、工業(yè)化的發(fā)展，噪音污染與大氣污染、水污染并列為三大污染，但是噪聲污染常被人們忽略，以至于噪音污染只是有增無減。噪音污染會引起人的工作效率低下、注意力不集中、記憶力減退、疲勞、耳聾耳鳴、高血壓等疾病。因此研究噪音污染的監(jiān)測和制約有著一定的必要性和緊迫性。

隨著科學技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)各種各樣的噪聲檢測傳感器，很多企業(yè)設計出的噪聲檢測儀器，可快速準確檢測實時周圍環(huán)境噪聲情況。但是這有很多局限性，檢測當前有限時間內(nèi)噪聲，采集數(shù)據(jù)無法實時上傳至上位主機，限制了檢測點長時間，大數(shù)據(jù)的分析處理。

本設計克服以上不足，使用體積小、功耗低、速度快的噪聲傳感器，保證采集數(shù)據(jù)的準確性，通過對城市多點布點，在工控機上基于C#編程設計出具有遠程自動噪聲采集系統(tǒng)，同時結(jié)合工控機易操作的優(yōu)點，完全等同于個人電腦一樣，系統(tǒng)穩(wěn)定、高效，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動采集、處理、存儲及遠程傳輸至遠端中心，并提供良好的人機交互界面，以及下拉式菜單的管理和數(shù)據(jù)的實時顯示，這樣組成的一個小型傳感器采集系統(tǒng)，具有體積小、工作穩(wěn)定、采集數(shù)據(jù)準確等優(yōu)點。

1系統(tǒng)整體方案介紹

1.1系統(tǒng)功能要求

（1）可在工控機上實時自動采集周圍環(huán)境信息，具有本機存儲和記錄和上傳遠端數(shù)據(jù)庫功能，可連續(xù)24小時全天候采集。

（2）用戶可以根據(jù)需要設置閾值和顯示采集時間間隔和上傳頻率。

（3）可通過串口連接數(shù)據(jù)庫調(diào)用顯示歷史數(shù)據(jù)。

（4）可靠穩(wěn)定的TCP/IP協(xié)議，保證數(shù)據(jù)的正確性和有效性。

1.2傳感器介紹

由于噪聲采集傳感器安裝位置不定，必須能在各種惡劣的氣候環(huán)境下長時間工作，這就要求傳感器性能可靠、功耗低、使用壽命長、響應速度快，且有很強的防水、抗寒和耐腐蝕性等。一般的傳感器難以滿足這些要求，必須使用專業(yè)的防護等級高的傳感器模塊。系統(tǒng)采用專業(yè)級別傳感器，具有較低的功耗。采用噪聲傳感器通過RS485接口連接至工控機進行數(shù)據(jù)的采集。

噪聲傳感器的特點：實時監(jiān)控噪音，可以數(shù)據(jù)回傳，支持多種接口，體積小巧，方便兼容其他設備，方便安裝，支持多種接口輸出，廣泛應用于工業(yè)設備噪音檢測，辦公，學校，廣場等需要噪音檢測的場合。

1.3 C#簡介

C#語言是用于創(chuàng)建要運行在.NET上的應用程序語言之一，它從C和C++語言演化而來，是Microsoft專門為使用.NET平臺而創(chuàng)建的。C#只是用于.NET開發(fā)也是.NET平臺下最好的一種語言。C#的優(yōu)點是唯一為.NET Framework設計的語言，是在移植到其他操作系統(tǒng)上的.NET版本中使用的主要語言。

本設計使用C#對串口初始化設置保證準確的數(shù)據(jù)采集，通過對modbus協(xié)議分析對傳感器上傳的數(shù)據(jù)有效讀取顯示出來，使用chart控件設置可動態(tài)實時顯示當前噪聲數(shù)據(jù)，然后與數(shù)據(jù)庫建立，通過網(wǎng)絡TCP/IP協(xié)議將采集數(shù)據(jù)上傳中心服務器處。

1.4 SQL Server數(shù)據(jù)庫

SQL Server是數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。在開發(fā)人員生產(chǎn)力方面，SQL Server2005引入使用了Microsoft.NET語言來開發(fā)數(shù)據(jù)庫目標的性能，為開發(fā)人員在SQL Server查詢開發(fā)方面提供了更高的靈活性和控制力，SQLServer代理為各個級別的可伸縮性提供了一種創(chuàng)新的、分發(fā)的、異步的應用系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。

此外，在SQL Server 2005與C#的結(jié)合，達到了完美的儲存效果。

2硬件設計

2.1單點采集結(jié)構(gòu)

采集結(jié)構(gòu)如圖1所示，由工控機、RS485接口、網(wǎng)絡連接、數(shù)據(jù)上傳、中心服務器部分。

2.2系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示

3軟件設計

軟件采用模塊化的設計方法對系統(tǒng)的各項功能進行封裝，各個模塊完成特定的功能，模塊之間相互獨立并提供必要的接口，如圖3。對串口初始化，串口設置，如下所示。

serialPort1 = new SerialPort（"Com1"， 9600， Parity.None， 8，

StopBits.One）；//初始化串口

serialPort1.Open（）；

if （serialPort1.IsOpen）

{ textBox1.Text = "COM口成功打開"； }

3.1數(shù)據(jù)通信協(xié)議

采集軟件中的通信分為兩個部分：一是將工控機作為主機與傳感器之間的通訊；二是將工控機作為從機與監(jiān)控中心主機的通訊。前者采用RS485總線主從式的通訊方法，使用MODBUS協(xié)議的主機查詢和從機回復的幀消息結(jié)構(gòu)，只有主機先發(fā)送命令，傳感器接受特點的指令，就會返回帶有噪聲數(shù)據(jù)給主機，這樣有利于避免數(shù)據(jù)一直不間歇傳輸，而導致主機處理進程時突然涌入的大量數(shù)據(jù)產(chǎn)生異常。后者則利用網(wǎng)絡協(xié)議TCP/IP通訊與遠程監(jiān)控中心進行數(shù)據(jù)傳輸，對下位機進行監(jiān)控。

3.1.1 MODBUS協(xié)議

目前使用的Modbus有三個版本：Modbus ASCII、Modbus RTU和Modbus/TCP。本設計采用的是Modbus RTU版本。Modbus RTU通信采用主-從方式，最多傳送255個字節(jié)的數(shù)據(jù)。主設備與一個或多個從設備進行通信，當Modbus RTU主設備想要從一臺從設備得到數(shù)據(jù)的時候，主設備發(fā)送一條包含該從設備站地址、所需要的數(shù)據(jù)以及一個用于檢測錯誤的CRC校驗碼。網(wǎng)絡上所有其它設備都可以接收到這條信息，但是只有地址被指定的從設備才會作出反應。Modbus網(wǎng)絡上的從設備不能發(fā)起通信，它們只能在主設備對它說話的時候回答。

3.1.2 TCP/IP協(xié)議

TCP/IP協(xié)議是現(xiàn)在互聯(lián)網(wǎng)的基礎。TCP/IP協(xié)議主要有如下的特點。

（1）TCP/IP協(xié)議是一個開放的協(xié)議標準。

（2）TCP/IP協(xié)議是不區(qū)分網(wǎng)絡硬件，在局域網(wǎng)，廣域網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)中都廣泛使用。

（3）TCP/IP協(xié)議使用統(tǒng)一的網(wǎng)絡地址分配方案。網(wǎng)絡中每臺電腦都具有唯一的IP地址。

（4）TCP/IP協(xié)議是標準的高層協(xié)議，擁有極高的可靠性，可以為用戶提供可靠的服務。

3.2人機交互接口

良好的人機交互接口為工作人員提供了可視化的操作環(huán)境，方便工作人員對自動氣象站進行監(jiān)視、參數(shù)設置、故障檢測、數(shù)據(jù)導出、配置傳感器等，極大地提高了自動氣象站的靈活性、可擴展性和可維護性。C#具有優(yōu)良的頁面發(fā)開特點，如圖4所示，是前端采集顯示效果圖。

3.3上位機服務器

監(jiān)控中心主機在Internet中有固定的IP地址和主機名稱，方便與下位機間的數(shù)據(jù)傳輸。除了操作系統(tǒng)外，主機安裝Visual Studio 2010開發(fā)環(huán)境和SQL Server2005數(shù)據(jù)庫管理軟件，采用C#編寫數(shù)據(jù)接收與管理軟件，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的實時顯示、接收、處理，具有分類存儲、數(shù)據(jù)保存、曲線顯示、統(tǒng)計分析，歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。如下所示與數(shù)據(jù)庫建立連接。

SqlConnection connection = new SqlConnection（）；

connection.ConnectionString =

@"Server=qinxuewei；uid=sa；pwd=****；DataBase=NoisyCollectingSystem"；

connection.Open（）；

4結(jié)語

設計的噪聲數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)觀測精度高、自動化程序高、性價比高，可長時間全天候不間斷地進行檢測，具有良好的可靠性和穩(wěn)定性，適用于各種需要檢測噪聲的場合。軟件設計采用模塊化的設計方法，工作環(huán)境變化時不需對原有軟硬件進行任何改動，只需要將配置好的硬件系統(tǒng)中，并進行簡單的軟件配置或升級即可，提高了系統(tǒng)的可擴展性。同時進行的多點檢測使其覆蓋面積廣、接入速度快、穩(wěn)定性高，數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性和準確性好，對偏遠或人工難以完成的地區(qū)通過遠程上傳提供了方便，使得系統(tǒng)具有很高的應用價值和廣闊的市場前景。

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