"為了滿足社會可持續(xù)發(fā)展的要求，環(huán)境保護(hù)受到越來越多的重視。以現(xiàn)代測量技術(shù)為基礎(chǔ)的環(huán)境監(jiān)測技術(shù)可對各種環(huán)境參數(shù)進(jìn)行測量與分析，是研究環(huán)境質(zhì)量變化趨勢的重要手段和環(huán)境保護(hù)的基礎(chǔ)。"
- 李 誠, 上海聚星儀器有限公司應(yīng)用工程師
The Challenge:
環(huán)境監(jiān)測要求系統(tǒng)能夠在戶外較惡劣環(huán)境下監(jiān)測多種環(huán)境參量，包括氣象、振動、噪聲、電磁場、圖像等，主要應(yīng)用領(lǐng)域包括人居環(huán)境監(jiān)測、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測以及節(jié)能減排項(xiàng)目監(jiān)測，需采用分布式結(jié)構(gòu)。
The Solution:
NI CompactRIO是一款工業(yè)級嵌入式數(shù)據(jù)采集平臺，基于該平臺開發(fā)的采集系統(tǒng)具有很好的穩(wěn)定性和實(shí)時性，并能適應(yīng)野外工作環(huán)境，我們采用NI CompactRIO豐富的C系列模塊采集各種傳感器輸出的模擬信號，通過TCP/IP協(xié)議傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，工作人員可以實(shí)時監(jiān)測各種環(huán)境參數(shù)。
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及主要特點(diǎn)
環(huán)境監(jiān)測起步包基于NI的嵌入式硬件平臺CompactRIO和圖形化設(shè)計(jì)平臺LabVIWE開發(fā)而成，起步包結(jié)構(gòu)如圖 1所示。
圖 1 環(huán)境監(jiān)測起步包結(jié)構(gòu)
各種環(huán)境參量通過相應(yīng)的傳感器轉(zhuǎn)化為電信號，電信號通過C系列模塊輸入到CompactRIO中，CompactRIO對采集到的原始信號進(jìn)行處理，并將處理后的數(shù)據(jù)通過路由器發(fā)送到監(jiān)控端以及網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。監(jiān)控端通過TCP/IP協(xié)議與CompactRIO通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時顯示以及控制命令的發(fā)送。瀏覽端用戶通過網(wǎng)頁瀏覽器訪問服務(wù)器中的監(jiān)測數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)共享和歷史數(shù)據(jù)分析。
環(huán)境監(jiān)測起步包的主要特點(diǎn)有：
- 自定義的FPGA模塊和豐富的I/O模塊，能夠與幾乎所有的傳感器進(jìn)行方便的連接；
- 模塊化的軟件結(jié)構(gòu)，能夠輕松地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的維護(hù)與升級；
- 采用WIFI和3G技術(shù)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的無線傳輸，有利于分布式監(jiān)測和數(shù)據(jù)管理。
監(jiān)測項(xiàng)目
環(huán)境監(jiān)測起步包的監(jiān)測項(xiàng)目如下：
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應(yīng)用領(lǐng)域
監(jiān)測項(xiàng)目 |
人居環(huán)境監(jiān)測 |
結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測 |
節(jié)能減排監(jiān)測 |
| 氣象——風(fēng)向、風(fēng)速、溫濕度、氣壓、雨量 |
● |
● |
● |
| 振動——高低頻振動（結(jié)構(gòu)、地震） |
● |
● |
○ |
| 環(huán)境噪聲 |
● |
○ |
● |
| 低頻電磁場 |
● |
○ |
○ |
| 圖像 |
● |
● |
○ |
| 運(yùn)動控制 |
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○ |
○ |
| 數(shù)字I/O |
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| 自定義 |
—— |
—— |
—— |
系統(tǒng)指標(biāo)
1. CompactRIO板卡指標(biāo)
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模擬輸入
接口類型 |
電壓、電流、IEPE、電橋 |
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外接傳感器
類型 |
溫度（熱電偶、RTD）、電壓、電流、電阻、電荷、壓力、應(yīng)變、
扭矩、位移、加速度、振動、轉(zhuǎn)速等 |
| 模擬通道數(shù) |
單機(jī)箱4-256通道，支持多機(jī)箱級聯(lián)至上千通道 |
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模擬I/O
通道特性 |
最高采樣率 |
100kS/s（同步）、800kS/s（多路復(fù)選） |
| 耦合方式 |
AC/DC |
| AD分辨率 |
12位（經(jīng)濟(jì)型）/16位（通用型）/24位（高性能） |
| 動態(tài)范圍 |
70dB（經(jīng)濟(jì)型）/80dB（通用型）/120dB（高性能） |
| 通道間串?dāng)_ |
<-110dB |
| 輸入阻抗 |
1MΩ（典型值） |
| 最高采樣精度 |
±0.04%×讀數(shù)值+±0.07%×量程(典型值) |
| 信號輸入模式 |
單端，差分 |
| 抗混疊頻率 |
0.45fs |
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數(shù)字I/O
通道特性 |
最高頻率 |
20MHz |
| 信號類型 |
5V/TTL/24V |
| 工作方式 |
計(jì)數(shù)器/編碼器/PWM/繼電器 |
| 通訊接口 |
以太網(wǎng)、光纖、CAN、RS232/422/485 |
| 觸發(fā)采集 |
數(shù)字觸發(fā)（邊沿、脈沖），模擬觸發(fā)（閾值、區(qū)域、滯后） |
| 存儲容量 |
片上4G Flash（網(wǎng)絡(luò)硬盤擴(kuò)展） |
| 數(shù)據(jù)吞吐量 |
單機(jī)箱6.4MB/s |
| 功耗 |
10W(典型值) |
| 工作溫度 |
-40oC-70oC |
| 可承受隨機(jī)振動 |
5g rms，10-500Hz（IEC 60086-2-64） |
| 可承受正弦振動 |
5g ，10-500Hz（IEC 60086-2-64） |
| 可承受沖擊 |
30g，11ms半正弦；50g，3ms半正弦（IEC 60068-2-27） |
2. 監(jiān)測指標(biāo)（標(biāo)配、可擴(kuò)展）
溫度：測量范圍-5～55℃
濕度：測量范圍0～100%
振動：測量范圍±250g，頻率范圍0.3～10KHz，靈敏度20mV/g，最小分辨率0.0005g
聲音：頻率范圍20～20KHz，動態(tài)范圍127dB，靈敏度50mV/Pa
電磁波：頻率范圍10～20KHz
系統(tǒng)指標(biāo)大多受限于選配的傳感器，起步包為了降低系統(tǒng)門檻采用了較低成本的傳感器，對于大多數(shù)驗(yàn)證和科研可以適用，如果用戶須要更高精度的系統(tǒng)，聚星工程師可以選配更高等級的傳感器。
實(shí)物圖及軟件界面
圖 2 系統(tǒng)實(shí)物圖
 
圖 3 系統(tǒng)軟件界面
總結(jié)
基于NI CompactRIO平臺開發(fā)的環(huán)境監(jiān)測起步包能夠監(jiān)測多種環(huán)境參量，系統(tǒng)具有很高可靠性和擴(kuò)展性。采用NI的嵌入式硬件平臺CompactRIO進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)，能夠縮短開發(fā)周期，提高系統(tǒng)可靠性，使得用戶能夠把精力放在數(shù)據(jù)的分析處理上。
聚星儀器是NI的金牌系統(tǒng)聯(lián)盟伙伴，同時也是NI CompactRIO大陸地區(qū)獨(dú)家代理商和增值服務(wù)商。聚星儀器擁有一支全球頂尖的LabVIEW開發(fā)團(tuán)隊(duì)，以NI CompactRIO為核心開發(fā)了許多創(chuàng)新應(yīng)用，您可登陸聚星儀器主頁www.vi-china.com.cn 查看更多產(chǎn)品和應(yīng)用案例，或聯(lián)系聚星儀器CompactRIO技術(shù)支持。
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李 誠
上海聚星儀器有限公司應(yīng)用工程師
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