多點(diǎn)噪聲遠(yuǎn)程自動(dòng)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

秦學(xué)偉　曹銀杰

摘 要 設(shè)計(jì)了一種基于嵌入式工控機(jī)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(shè)置實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集，本機(jī)數(shù)據(jù)的采集、處理、存儲(chǔ)和上傳，C#網(wǎng)絡(luò)連接上位機(jī)數(shù)據(jù)庫并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行隨時(shí)上傳和調(diào)用，并提供良好的人機(jī)交互界面，以及下拉式菜單的管理和數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示。通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)編程與上位主機(jī)通信，可實(shí)現(xiàn)多機(jī)連接，多點(diǎn)采集的功能，達(dá)到遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)檢測(cè)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(diǎn)，在氣象監(jiān)測(cè)、室外檢測(cè)噪聲等相關(guān)行業(yè)中具有廣泛的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞 噪聲傳感器 遠(yuǎn)程傳輸 實(shí)時(shí)采集 人機(jī)交互

中圖分類號(hào)：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(huì)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(cè)和制約有著一定的必要性和緊迫性。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)各種各樣的噪聲檢測(cè)傳感器，很多企業(yè)設(shè)計(jì)出的噪聲檢測(cè)儀器，可快速準(zhǔn)確檢測(cè)實(shí)時(shí)周圍環(huán)境噪聲情況。但是這有很多局限性，檢測(cè)當(dāng)前有限時(shí)間內(nèi)噪聲，采集數(shù)據(jù)無法實(shí)時(shí)上傳至上位主機(jī)，限制了檢測(cè)點(diǎn)長時(shí)間，大數(shù)據(jù)的分析處理。

本設(shè)計(jì)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(zhǔn)確性，通過對(duì)城市多點(diǎn)布點(diǎn)，在工控機(jī)上基于C#編程設(shè)計(jì)出具有遠(yuǎn)程自動(dòng)噪聲采集系統(tǒng)，同時(shí)結(jié)合工控機(jī)易操作的優(yōu)點(diǎn)，完全等同于個(gè)人電腦一樣，系統(tǒng)穩(wěn)定、高效，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、處理、存儲(chǔ)及遠(yuǎn)程傳輸至遠(yuǎn)端中心，并提供良好的人機(jī)交互界面，以及下拉式菜單的管理和數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示，這樣組成的一個(gè)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(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)。

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(jī)上實(shí)時(shí)自動(dòng)采集周圍環(huán)境信息，具有本機(jī)存儲(chǔ)和記錄和上傳遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)庫功能，可連續(xù)24小時(shí)全天候采集。

（2）用戶可以根據(jù)需要設(shè)置閾值和顯示采集時(shí)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(shí)間工作，這就要求傳感器性能可靠、功耗低、使用壽命長、響應(yīng)速度快，且有很強(qiáng)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(hù)等級(jí)高的傳感器模塊。系統(tǒng)采用專業(yè)級(jí)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(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集。

噪聲傳感器的特點(diǎn)：實(shí)時(shí)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(shè)備，方便安裝，支持多種接口輸出，廣泛應(yīng)用于工業(yè)設(shè)備噪音檢測(cè)，辦公，學(xué)校，廣場(chǎng)等需要噪音檢測(cè)的場(chǎng)合。

1.3 C#簡(jiǎn)介

C#語言是用于創(chuàng)建要運(yùn)行在.NET上的應(yīng)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(tái)而創(chuàng)建的。C#只是用于.NET開發(fā)也是.NET平臺(tái)下最好的一種語言。C#的優(yōu)點(diǎn)是唯一為.NET Framework設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)使用C#對(duì)串口初始化設(shè)置保證準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)采集，通過對(duì)modbus協(xié)議分析對(duì)傳感器上傳的數(shù)據(jù)有效讀取顯示出來，使用chart控件設(shè)置可動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前噪聲數(shù)據(jù)，然后與數(shù)據(jù)庫建立，通過網(wǎng)絡(luò)TCP/IP協(xié)議將采集數(shù)據(jù)上傳中心服務(wù)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(biāo)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(gè)級(jí)別的可伸縮性提供了一種創(chuàng)新的、分發(fā)的、異步的應(yīng)用系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。

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

2硬件設(shè)計(jì)

2.1單點(diǎn)采集結(jié)構(gòu)

采集結(jié)構(gòu)如圖1所示，由工控機(jī)、RS485接口、網(wǎng)絡(luò)連接、數(shù)據(jù)上傳、中心服務(wù)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(shè)計(jì)

軟件采用模塊化的設(shè)計(jì)方法對(duì)系統(tǒng)的各項(xiàng)功能進(jìn)行封裝，各個(gè)模塊完成特定的功能，模塊之間相互獨(dú)立并提供必要的接口，如圖3。對(duì)串口初始化，串口設(shè)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(gè)部分：一是將工控機(jī)作為主機(jī)與傳感器之間的通訊；二是將工控機(jī)作為從機(jī)與監(jiān)控中心主機(jī)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(jī)查詢和從機(jī)回復(fù)的幀消息結(jié)構(gòu)，只有主機(jī)先發(fā)送命令，傳感器接受特點(diǎn)的指令，就會(huì)返回帶有噪聲數(shù)據(jù)給主機(jī)，這樣有利于避免數(shù)據(jù)一直不間歇傳輸，而導(dǎo)致主機(jī)處理進(jìn)程時(shí)突然涌入的大量數(shù)據(jù)產(chǎn)生異常。后者則利用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議TCP/IP通訊與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，對(duì)下位機(jī)進(jìn)行監(jiān)控。

3.1.1 MODBUS協(xié)議

目前使用的Modbus有三個(gè)版本：Modbus ASCII、Modbus RTU和Modbus/TCP。本設(shè)計(jì)采用的是Modbus RTU版本。Modbus RTU通信采用主-從方式，最多傳送255個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。主設(shè)備與一個(gè)或多個(gè)從設(shè)備進(jìn)行通信，當(dāng)Modbus RTU主設(shè)備想要從一臺(tái)從設(shè)備得到數(shù)據(jù)的時(shí)候，主設(shè)備發(fā)送一條包含該從設(shè)備站地址、所需要的數(shù)據(jù)以及一個(gè)用于檢測(cè)錯(cuò)誤的CRC校驗(yàn)碼。網(wǎng)絡(luò)上所有其它設(shè)備都可以接收到這條信息，但是只有地址被指定的從設(shè)備才會(huì)作出反應(yīng)。Modbus網(wǎng)絡(luò)上的從設(shè)備不能發(fā)起通信，它們只能在主設(shè)備對(duì)它說話的時(shí)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(chǔ)。TCP/IP協(xié)議主要有如下的特點(diǎn)。

（1）TCP/IP協(xié)議是一個(gè)開放的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。

（2）TCP/IP協(xié)議是不區(qū)分網(wǎng)絡(luò)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(luò)地址分配方案。網(wǎng)絡(luò)中每臺(tái)電腦都具有唯一的IP地址。

（4）TCP/IP協(xié)議是標(biāo)準(zhǔn)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(wù)。

3.2人機(jī)交互接口

良好的人機(jī)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(duì)自動(dòng)氣象站進(jìn)行監(jiān)視、參數(shù)設(shè)置、故障檢測(cè)、數(shù)據(jù)導(dǎo)出、配置傳感器等，極大地提高了自動(dòng)氣象站的靈活性、可擴(kuò)展性和可維護(hù)性。C#具有優(yōu)良的頁面發(fā)開特點(diǎn)，如圖4所示，是前端采集顯示效果圖。

3.3上位機(jī)服務(wù)器

監(jiān)控中心主機(jī)在Internet中有固定的IP地址和主機(jī)名稱，方便與下位機(jī)間的數(shù)據(jù)傳輸。除了操作系統(tǒng)外，主機(jī)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(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示、接收、處理，具有分類存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)保存、曲線顯示、統(tǒng)計(jì)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(shè)計(jì)的噪聲數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)觀測(cè)精度高、自動(dòng)化程序高、性價(jià)比高，可長時(shí)間全天候不間斷地進(jìn)行檢測(cè)，具有良好的可靠性和穩(wěn)定性，適用于各種需要檢測(cè)噪聲的場(chǎng)合。軟件設(shè)計(jì)采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，工作環(huán)境變化時(shí)不需對(duì)原有軟硬件進(jìn)行任何改動(dòng)，只需要將配置好的硬件系統(tǒng)中，并進(jìn)行簡(jiǎn)單的軟件配置或升級(jí)即可，提高了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。同時(shí)進(jìn)行的多點(diǎn)檢測(cè)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?shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性好，對(duì)偏遠(yuǎn)或人工難以完成的地區(qū)通過遠(yuǎn)程上傳提供了方便，使得系統(tǒng)具有很高的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的市場(chǎng)前景。

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