基于组态软件的环境信息采集与发布系统设计
基于组态软件的环境信息采集与发布系统设计[20191215151343]
摘 要
随着时代的发展，工控组态软件在监控、管理等应用领域内使用越来越广，这奠定了组态软件在工业自动化系统中的重要地位。随着工业的发展，环境问题普遍存在于各个国家。因此，结合工控组态软件与环境监测技术进行环境信息监测系统的设计与开发，其应用价值不容小觑。本文结合两者，设计了基于MCGS组态软件的环境信息采集与发布系统。该系统能实时对温度和湿度进行检测，并通过无线传输至上位机,实现了多点环境温湿度信息的实时采集，具有软硬件报警及实时网络发布，远程监控等功能。图形化的人机交互界面提供给远程用户实时的环境信息，操作简明快捷，可自定义修改设置参数。在实际运作中，系统很好的实现了实时监测温湿度，并可以通过任意网络查看当前值，在安全防护方面有着很大的意义。该系统可以在图书馆书籍防护、大棚作物生长监测、地下煤矿测量等地方有着一定的推广和应用价值。
摘 要 Ⅳ
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关键字:MCGS组态软件；环境监测技术；温湿度信息采集
目录
ABSTRACT Ⅴ
第一章 绪论 1
1.1研究背景及意义 1
1.2组态软件的发展历程与现状 1
1.3环境监测技术的发展历程与现状 2
第二章 相关技术基础 5
2.1系统整体结构设计 5
2.2相关硬件基础 6
2.2.1传感器技术 6
2.2.2单片机技术 8
2.3相关软件基础 8
2.3.1系统开发语言 8
2.3.2数据传输协议 10
2.4本章小结 11
第三章 环境信息采集电路的设计与实现 12
3.1系统功能的概述 12
3.2系统电路的设计与实现 12
3.2.1控制模块 12
3.2.2传感器模块 14
3.2.3报警模块 15
3.2.4显示模块 16
3.3本章小结 17
第四章 发布系统的设计与实现 18
4.1发布系统总体功能设计 18
4.2基于 MCGS的界面设计与实现 18
4.2.1登陆界面 18
4.2.2管理界面 19
4.2.3改密界面 20
4.2.4主控界面 20
4.2.5数据访问界面 21
4.2.6 SV值修改界面 22
4.3实时网络数据发布的设计 23
4.3.1网络发布单元 23
4.3.2网络查询单元 23
4.4本章小结 24
第五章 系统测试 25
5.1环境数据采集测试 25
5.2网络发布测试 25
5.3系统实时性测试 26
5.4系统发布问题攻关 27
5.4.1系统发布遇到的问题 27
5.4.2问题解决措施 27
5.5本章小结 28
第六章 工作总结与展望 29
6.1总结 29
6.2展望 30
参考文献 32
致 谢 34
附录 35
附录A：Modbus协议程序 35
附录B：硬件原理图、PCB图 40
第一章 绪论
1.1研究背景及意义
随着时代的进步与发展，专门用于工业控制的组态软件应运而生。伴随着集散型控制系统的出现，“组态”的概念[1]才逐渐开始为人所熟知，特别是生产过程自动化技术人员，他们对这一概念是最为熟悉的。伴随着工业控制技术的发展，相比早期的专用系统，在应用过程中的PC（包括工控机）具有的优势便慢慢显露了出来。其具有的优势主要体现在以下几个方面：
1.PC技术的发展保持着良好的势头速度，并且各种相关技术日渐成熟；
2.利用PC来构建工业控制系统，其成本相对较低；
3.相关PC的软、硬件资源极为丰富，并且软件之间有着较强的互操作性；
4.基于PC的控制系统能够得到全面的技术支持，并且十分易于学习和使用。
伴随着PC技术向工业控制领域渗透的深入，组态软件在工业控制领域占据的地位日益增长 [2]。组态软件大不仅支持各种主流的工控设备，还支持主流的标准通信协议，因此，利用组态软件来做实时数据监测[3]、网络发布都是比较易于实现的。对于环境信息的采集与发布系统设计，利用组态软件能够较好的实现。本系统通过采集环境温湿度信息（演示效果为用于图书馆内书籍的保护），用以实现对环境信息的监控，可以用在大棚作物生长监测，地下煤矿测量[4]-[5]等地方，具有一定的应用及推广价值。
1.2组态软件的发展历程与现状
自2000年来，国内监控组态软件的相关产品、技术得到了迅速发展，其市场也得到了增长。伴随着监控组态软件应用领域的日益扩展，应用工程师和用户数量也随之不断增多，充分体现了 “工业技术民用化”的发展趋势[6]。作为工业应用软件中不可或缺的一部分，监控组态软件在信息化社会的背景下，随着IT技术的发展而发展。在工业自动化的软件大家庭中，相对其它应用工具平台而言，监控组态软件只能算是比较基础的。监控组态软件给[7]工业自动化、信息化、及社会信息化带来的影响是深远的，它带动着整个社会生产、生活方式的变化，这种变化仍在继续发展。作为新生事物，组态软件目前处在高速发展阶段，现在还没有专门的研究机构对其进行研究和解析。
近五年来， OPC、OPC-XML等技术也取得了较为快速的发展，这些都是与监控组态软件紧密相连的技术，这些技术都是监控组态软件发展的有力支撑。软件在整个自动化系统中所占的比例日益增高，虽然组态软件仅仅只是其中的一部分，但是组态软件渗透能力强，扩展性也强，这使得其在专用软件市场上占有了不可或缺的地位，并且成为了自动化硬件厂商争夺的重点。现在的组态软件更偏向于集成化、定制化，处于监控系统中间位置的组态软件[8]，能很好地起到承上启下的作用，将上、下应用系统衔接起来，并且其在监控、管理范围及应用领域内愈发壮大，奠定了组态软件在工业自动化系统中的重要地位。
1.3环境监测技术的发展历程与现状
环境监测是环境科学的一个重要的分支学科。所有环境科学的分支学科，都需要在熟悉环境质量及其变化趋势的基础上来建立，只有这样才能进行各项研究和制定有关经济、管理的法规。“监测”有着监控、监视、测定等含义，因此环境监测其实质上就是测定一些影响环境质量的代表因素的相关值，通过相关值的变化来判断环境质量，了解环境的变化趋势，进而制定应对措施。随着时代的发展，监测涵盖的内容也相应的扩展了。它由工业污染的监测逐步发展到对环境状况的监测，即监测对象不局限在影响环境质量污染因子，还拓展到对生物以及生态变化的监测。
环境监测的过程一般为：先进行现场调查，制定监测计划。然后对布点进行优化并采集样品，接下来要保存并运送样品到实验室内，对样品进行分析测试，最后对得到的数据进行处理，然后得出结论等。从信息技术角度看，环境监测是环境信息的捕获→传递→解析→综合的过程。只有全面综合的解析监测数据后，才能准确而又全面地揭示信息中的内涵，对环境质量做出正确的判断，最终制定出正确的措施。环境监测的对象包括：反映环境质量变化的各种自然因素；对人类活动与环境有影响的各种人为因素；对环境造成污染危害的各种成分。
环境监测的发展分为三个阶段：
1. 被动监测
虽然环境污染的问题一直存在着，但真正将环境科学作为一门学科来设立是在20世纪70年代才开始发展起来的。早期主要是化学毒物引发严重的环境污染事件，因此，环境分析就应运而生了，环境分析主要是对环境样品进行化学分析以确定其组成和含量。由于环境污染物通常处于痕量级（mg/kg 、μg/kg）甚至更低，并且基体复杂，流动性、变异性大，又涉及空间分布及变化，所以对分析的灵敏度、准确度、分辨率和分析速度等提出了很高的要求。因此，环境分析实际上是促进分析化学的发展。这一阶段称之为污染监测阶段或被动监测阶段。
2.主动监测
随着科学的发展，一直到20世纪70年代，人们才逐渐认识到物理因素也能影响环境质量，诸如光、热、放射性、电磁辐射等物理因素。所以采用了更为可靠的标准来判断环境质量，那就是通过观察生物的受害症状等变化来进行判断。于是便出现了生物监测，并从生物监测向生态监测发展，即在时间和空间上对特定区域范围内生态系统或生态系统组合体的类型、结构和功能及其组合要素进行系统的观测和测定，以了解、评价和预测人类活动对生态系统的影响，为合理利用自然资源、改善生态环境提供科学依据。某一化学毒物的含量仅仅只能作为判断环境质量的标准之一，环境中各种污染物之间可能会相互作用，例如不同的污染物有可能会发生化学反应，所以环境分析仅仅只是环境监测的一部分。因此，环境监测的手段不能局限于化学的，还得借助物理及生物等其它的手段。同时，监测范围也从点污染的监测发展到面污染以及区域性的立体监测，这一阶段称之为环境监测的主动监测或目的监测阶段。
3.自动监测
增加监测手段并且拓宽监测范围，虽然能够说明区域性的环境质量，但由于受各种因素的限制，依旧不能及时有效地监视环境质量变化，预测变化趋势，更不能根据监测结果就草率的发布指令，采取措施。 在20世纪80年代初期，许多发达国家相继建立了自动连续监测系统，并使用了遥感、遥测手段，用电子计算机来遥控监测仪器，通过有线或者是无线传输的方式来将数据发送到监测中心控制室，经电子计算机处理后，将其自动打印成指定的表格，绘成污染态势、浓度分布图。这样便能在极短时间内观察到空气、水体污染浓度变化、预测预报未来环境质量。当污染程度接近或超过环境标准时，可发布指令、通告，并采取保护措施。这一阶段称为污染防治监测阶段或自动监测阶段。
监测技术包括采样技术、测试技术和数据处理技术。监测技术的发展较快，许多新技术在监测过程中已得到应用。在无机污染物的监测方面，等离子体发射光谱用于对20多种元素的分析；原子荧光光谱用于一切对荧光具有吸收能力的物质；离子色谱技术的应用范围也扩大了。
利用遥测技术对一个地区污染分布情况进行监测，是以往监测方法很难完成的。但是随着监测分析方法与计算机的发展应用，这成为了可能。在发展大型、自动、连续监测系统的同时，研究小型便携式、简易快速的监测技术也十分重要。例如，在工用液体原料车发生翻车，导致原料泄露的事故现场，污染能在瞬间带来较大的伤害，但由于空气和液体的流动，甚至有的原料挥发性极强，在这种情形下，污染物浓度的变化十分迅速，此时，大型的测试仪器不便使用，而便携式和快速测定污染的技术就显得尤为重要，当然，对于一些发生在野外的污染情况也同样如此。
第二章 相关技术基础
2.1系统整体结构设计
图2.1系统结构图
上图为系统结构图，本系统采用由下至上的开发策略，先从外部系统入手，即硬件环境信息采集装置，外部装置包括信息采集、实时显示、硬件报警以及报警阈值调整四个模块。在外部系统完成后，进而转入发布系统的开发。发布系统不仅要具有良好的人机交互界面，而且要具有实时的网络信息发布功能及信息查询功能[9]。由于选取了MCGS组态软件这一开发平台，使得客户端只能通过IE浏览器来进行数据访问，当然，要想访问数据，就必须有权限，于是系统便添加了用户身份认证模块，至此，整个系统结构便已基本完成。
摘 要
随着时代的发展，工控组态软件在监控、管理等应用领域内使用越来越广，这奠定了组态软件在工业自动化系统中的重要地位。随着工业的发展，环境问题普遍存在于各个国家。因此，结合工控组态软件与环境监测技术进行环境信息监测系统的设计与开发，其应用价值不容小觑。本文结合两者，设计了基于MCGS组态软件的环境信息采集与发布系统。该系统能实时对温度和湿度进行检测，并通过无线传输至上位机,实现了多点环境温湿度信息的实时采集，具有软硬件报警及实时网络发布，远程监控等功能。图形化的人机交互界面提供给远程用户实时的环境信息，操作简明快捷，可自定义修改设置参数。在实际运作中，系统很好的实现了实时监测温湿度，并可以通过任意网络查看当前值，在安全防护方面有着很大的意义。该系统可以在图书馆书籍防护、大棚作物生长监测、地下煤矿测量等地方有着一定的推广和应用价值。
摘 要 Ⅳ
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:MCGS组态软件；环境监测技术；温湿度信息采集
目录
ABSTRACT Ⅴ
第一章 绪论 1
1.1研究背景及意义 1
1.2组态软件的发展历程与现状 1
1.3环境监测技术的发展历程与现状 2
第二章 相关技术基础 5
2.1系统整体结构设计 5
2.2相关硬件基础 6
2.2.1传感器技术 6
2.2.2单片机技术 8
2.3相关软件基础 8
2.3.1系统开发语言 8
2.3.2数据传输协议 10
2.4本章小结 11
第三章 环境信息采集电路的设计与实现 12
3.1系统功能的概述 12
3.2系统电路的设计与实现 12
3.2.1控制模块 12
3.2.2传感器模块 14
3.2.3报警模块 15
3.2.4显示模块 16
3.3本章小结 17
第四章 发布系统的设计与实现 18
4.1发布系统总体功能设计 18
4.2基于 MCGS的界面设计与实现 18
4.2.1登陆界面 18
4.2.2管理界面 19
4.2.3改密界面 20
4.2.4主控界面 20
4.2.5数据访问界面 21
4.2.6 SV值修改界面 22
4.3实时网络数据发布的设计 23
4.3.1网络发布单元 23
4.3.2网络查询单元 23
4.4本章小结 24
第五章 系统测试 25
5.1环境数据采集测试 25
5.2网络发布测试 25
5.3系统实时性测试 26
5.4系统发布问题攻关 27
5.4.1系统发布遇到的问题 27
5.4.2问题解决措施 27
5.5本章小结 28
第六章 工作总结与展望 29
6.1总结 29
6.2展望 30
参考文献 32
致 谢 34
附录 35
附录A：Modbus协议程序 35
附录B：硬件原理图、PCB图 40
第一章 绪论
1.1研究背景及意义
随着时代的进步与发展，专门用于工业控制的组态软件应运而生。伴随着集散型控制系统的出现，“组态”的概念[1]才逐渐开始为人所熟知，特别是生产过程自动化技术人员，他们对这一概念是最为熟悉的。伴随着工业控制技术的发展，相比早期的专用系统，在应用过程中的PC（包括工控机）具有的优势便慢慢显露了出来。其具有的优势主要体现在以下几个方面：
1.PC技术的发展保持着良好的势头速度，并且各种相关技术日渐成熟；
2.利用PC来构建工业控制系统，其成本相对较低；
3.相关PC的软、硬件资源极为丰富，并且软件之间有着较强的互操作性；
4.基于PC的控制系统能够得到全面的技术支持，并且十分易于学习和使用。
伴随着PC技术向工业控制领域渗透的深入，组态软件在工业控制领域占据的地位日益增长 [2]。组态软件大不仅支持各种主流的工控设备，还支持主流的标准通信协议，因此，利用组态软件来做实时数据监测[3]、网络发布都是比较易于实现的。对于环境信息的采集与发布系统设计，利用组态软件能够较好的实现。本系统通过采集环境温湿度信息（演示效果为用于图书馆内书籍的保护），用以实现对环境信息的监控，可以用在大棚作物生长监测，地下煤矿测量[4]-[5]等地方，具有一定的应用及推广价值。
1.2组态软件的发展历程与现状
自2000年来，国内监控组态软件的相关产品、技术得到了迅速发展，其市场也得到了增长。伴随着监控组态软件应用领域的日益扩展，应用工程师和用户数量也随之不断增多，充分体现了 “工业技术民用化”的发展趋势[6]。作为工业应用软件中不可或缺的一部分，监控组态软件在信息化社会的背景下，随着IT技术的发展而发展。在工业自动化的软件大家庭中，相对其它应用工具平台而言，监控组态软件只能算是比较基础的。监控组态软件给[7]工业自动化、信息化、及社会信息化带来的影响是深远的，它带动着整个社会生产、生活方式的变化，这种变化仍在继续发展。作为新生事物，组态软件目前处在高速发展阶段，现在还没有专门的研究机构对其进行研究和解析。
近五年来， OPC、OPC-XML等技术也取得了较为快速的发展，这些都是与监控组态软件紧密相连的技术，这些技术都是监控组态软件发展的有力支撑。软件在整个自动化系统中所占的比例日益增高，虽然组态软件仅仅只是其中的一部分，但是组态软件渗透能力强，扩展性也强，这使得其在专用软件市场上占有了不可或缺的地位，并且成为了自动化硬件厂商争夺的重点。现在的组态软件更偏向于集成化、定制化，处于监控系统中间位置的组态软件[8]，能很好地起到承上启下的作用，将上、下应用系统衔接起来，并且其在监控、管理范围及应用领域内愈发壮大，奠定了组态软件在工业自动化系统中的重要地位。
1.3环境监测技术的发展历程与现状
环境监测是环境科学的一个重要的分支学科。所有环境科学的分支学科，都需要在熟悉环境质量及其变化趋势的基础上来建立，只有这样才能进行各项研究和制定有关经济、管理的法规。“监测”有着监控、监视、测定等含义，因此环境监测其实质上就是测定一些影响环境质量的代表因素的相关值，通过相关值的变化来判断环境质量，了解环境的变化趋势，进而制定应对措施。随着时代的发展，监测涵盖的内容也相应的扩展了。它由工业污染的监测逐步发展到对环境状况的监测，即监测对象不局限在影响环境质量污染因子，还拓展到对生物以及生态变化的监测。
环境监测的过程一般为：先进行现场调查，制定监测计划。然后对布点进行优化并采集样品，接下来要保存并运送样品到实验室内，对样品进行分析测试，最后对得到的数据进行处理，然后得出结论等。从信息技术角度看，环境监测是环境信息的捕获→传递→解析→综合的过程。只有全面综合的解析监测数据后，才能准确而又全面地揭示信息中的内涵，对环境质量做出正确的判断，最终制定出正确的措施。环境监测的对象包括：反映环境质量变化的各种自然因素；对人类活动与环境有影响的各种人为因素；对环境造成污染危害的各种成分。
环境监测的发展分为三个阶段：
1. 被动监测
虽然环境污染的问题一直存在着，但真正将环境科学作为一门学科来设立是在20世纪70年代才开始发展起来的。早期主要是化学毒物引发严重的环境污染事件，因此，环境分析就应运而生了，环境分析主要是对环境样品进行化学分析以确定其组成和含量。由于环境污染物通常处于痕量级（mg/kg 、μg/kg）甚至更低，并且基体复杂，流动性、变异性大，又涉及空间分布及变化，所以对分析的灵敏度、准确度、分辨率和分析速度等提出了很高的要求。因此，环境分析实际上是促进分析化学的发展。这一阶段称之为污染监测阶段或被动监测阶段。
2.主动监测
随着科学的发展，一直到20世纪70年代，人们才逐渐认识到物理因素也能影响环境质量，诸如光、热、放射性、电磁辐射等物理因素。所以采用了更为可靠的标准来判断环境质量，那就是通过观察生物的受害症状等变化来进行判断。于是便出现了生物监测，并从生物监测向生态监测发展，即在时间和空间上对特定区域范围内生态系统或生态系统组合体的类型、结构和功能及其组合要素进行系统的观测和测定，以了解、评价和预测人类活动对生态系统的影响，为合理利用自然资源、改善生态环境提供科学依据。某一化学毒物的含量仅仅只能作为判断环境质量的标准之一，环境中各种污染物之间可能会相互作用，例如不同的污染物有可能会发生化学反应，所以环境分析仅仅只是环境监测的一部分。因此，环境监测的手段不能局限于化学的，还得借助物理及生物等其它的手段。同时，监测范围也从点污染的监测发展到面污染以及区域性的立体监测，这一阶段称之为环境监测的主动监测或目的监测阶段。
3.自动监测
增加监测手段并且拓宽监测范围，虽然能够说明区域性的环境质量，但由于受各种因素的限制，依旧不能及时有效地监视环境质量变化，预测变化趋势，更不能根据监测结果就草率的发布指令，采取措施。 在20世纪80年代初期，许多发达国家相继建立了自动连续监测系统，并使用了遥感、遥测手段，用电子计算机来遥控监测仪器，通过有线或者是无线传输的方式来将数据发送到监测中心控制室，经电子计算机处理后，将其自动打印成指定的表格，绘成污染态势、浓度分布图。这样便能在极短时间内观察到空气、水体污染浓度变化、预测预报未来环境质量。当污染程度接近或超过环境标准时，可发布指令、通告，并采取保护措施。这一阶段称为污染防治监测阶段或自动监测阶段。
监测技术包括采样技术、测试技术和数据处理技术。监测技术的发展较快，许多新技术在监测过程中已得到应用。在无机污染物的监测方面，等离子体发射光谱用于对20多种元素的分析；原子荧光光谱用于一切对荧光具有吸收能力的物质；离子色谱技术的应用范围也扩大了。
利用遥测技术对一个地区污染分布情况进行监测，是以往监测方法很难完成的。但是随着监测分析方法与计算机的发展应用，这成为了可能。在发展大型、自动、连续监测系统的同时，研究小型便携式、简易快速的监测技术也十分重要。例如，在工用液体原料车发生翻车，导致原料泄露的事故现场，污染能在瞬间带来较大的伤害，但由于空气和液体的流动，甚至有的原料挥发性极强，在这种情形下，污染物浓度的变化十分迅速，此时，大型的测试仪器不便使用，而便携式和快速测定污染的技术就显得尤为重要，当然，对于一些发生在野外的污染情况也同样如此。
第二章 相关技术基础
2.1系统整体结构设计
图2.1系统结构图
上图为系统结构图，本系统采用由下至上的开发策略，先从外部系统入手，即硬件环境信息采集装置，外部装置包括信息采集、实时显示、硬件报警以及报警阈值调整四个模块。在外部系统完成后，进而转入发布系统的开发。发布系统不仅要具有良好的人机交互界面，而且要具有实时的网络信息发布功能及信息查询功能[9]。由于选取了MCGS组态软件这一开发平台，使得客户端只能通过IE浏览器来进行数据访问，当然，要想访问数据，就必须有权限，于是系统便添加了用户身份认证模块，至此，整个系统结构便已基本完成。
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