基于LabVIEW技術(shù)的宏觀觀測動物信息管理系統(tǒng)研究

韓軍， 顏龍

(新疆維吾爾自治區(qū)地震局，新疆 烏魯木齊 830011)

摘要：動物異常是地震宏觀測報的一個重要手段，本研究旨在幫助科研人員建立起長期的動物生活習(xí)性信息管理系統(tǒng)，方便其對動物生活習(xí)性信息的收集和研究。通過為每一只宏觀觀測動物配置ID卡，利用LabVIEW提供的串口配置函數(shù)和LabSQL工具包，上位機(jī)在Access數(shù)據(jù)庫中調(diào)取每個ID所對應(yīng)的動物日常生活習(xí)性信息,實(shí)現(xiàn)對動物信息表的查看、特定動物信息查詢以及動物信息錄入等功能。為科研人員掌握宏觀觀測動物生活習(xí)性，辨別動物震兆異常行為提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：虛擬儀器； 宏觀觀測； 數(shù)據(jù)庫； 射頻技術(shù)

收稿日期：2015-01-15

作者簡介：韓軍(1985-)，男，助理工程師，碩士，現(xiàn)主要從事前兆儀器維護(hù)相關(guān)工作。E-mail:hanjun2008@yeah.net。

中圖分類號:TP391文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2015.03.0896

InformationManagementSystemofAnimalsinMacroscopic

ObservationontheBasisofLabVIEWTechnology

HANJun,YANLong

(Earthquake Administration of Xinjiang Uygur Autonomous Region, Urumqi 830011,Xinjiang,China)

Abstract：Animal abnormality is an important means of macroscopic observation. The purpose of this research is to build an information management system for animals, which will maintain general information on animal life for research. Using the serial communication modules and the LabSQL Kit provided by LabVIEW, the host computer could check and update the general information on the life of each animal in the access database through the ID number previously assigned to each animal. This system could help researchers in examining animal habits and provide a basis for the identification of precursory anomalous behavior in animals.

Keywords：virtualinstrument;macroscopicobservation;database;radiofrequencyidentification(RFID)

0引言

地震宏觀測報是地震監(jiān)測預(yù)報工作的一項(xiàng)重要內(nèi)容，對地震短期和臨震預(yù)報具有重要意義。大多數(shù)中強(qiáng)地震、巨大地震發(fā)生前或多或少伴隨有宏觀異?，F(xiàn)象。地震宏觀異常的主要表現(xiàn)形式有：地下水異常、動物異常、地光地聲及氣象異常等。所謂動物異常是指地震前某些動物一反常態(tài)，表現(xiàn)出較為罕見的行為。動物在震前異常反應(yīng)的共同特點(diǎn)為：煩躁、驚恐不安、活動反常、不進(jìn)食、不進(jìn)圈及反應(yīng)遲鈍，動物異常越強(qiáng)烈、反應(yīng)越厲害，可能預(yù)示著未來的地震越強(qiáng)烈[1]。

目前新疆布設(shè)的有完整測報資料的宏觀觀測點(diǎn)有600個左右(每個月數(shù)量有微小的變化)。宏觀異常觀測的手段主要有：地下水、動物，其中水異常觀測占總數(shù)的24.2%，動物異常觀測占75.8%[1]。動物異常是新疆主要地震異常的判定依據(jù)。

地震前的動物習(xí)性異常是一種臨震前兆現(xiàn)象，雖然已被許多人所認(rèn)識，但至今尚未真正得到強(qiáng)烈地震前某些動物習(xí)性反應(yīng)的確定性行為指標(biāo)的觀測結(jié)果，這些關(guān)系到能否為臨震預(yù)報提供確切依據(jù)，也是進(jìn)一步開展地震前動物異常機(jī)理研究不可缺少的基礎(chǔ)和前提。動物確定性觀測研究必須以觀測動物的行為學(xué)研究為基礎(chǔ)，并提取觀測動物正常習(xí)性活動的特征參數(shù)作為確定性觀測的行為指標(biāo)。這不僅可作為尋找震兆性異常的判定依據(jù)，而且可為實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)分析提供數(shù)學(xué)模型，及時提取可能出現(xiàn)的震兆信息。

本文擬利用LabVIEW技術(shù)與Access數(shù)據(jù)庫技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對宏觀觀測動物日常生活習(xí)性信息的監(jiān)控與管理，連續(xù)收集動物正常生活習(xí)性的各種數(shù)據(jù)，為相關(guān)工作人員提取動物正常活動習(xí)性的特征參數(shù)提供判定依據(jù)。

1系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)及工作原理

系統(tǒng)主要是利用單片機(jī)控制RFID讀寫模塊進(jìn)行讀卡，將所得到的ID卡號傳回上位機(jī)，在上位機(jī)中完成對每個ID卡所對應(yīng)動物信息的查詢、添加和修改等管理功能。系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1　宏觀觀測動物管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 Fig.1　Block diagram of information management system 　　　 of animals in macroscopic observation

首先為每只動物分配ID，每只動物對應(yīng)一個ID號。然后在上位機(jī)數(shù)據(jù)庫中為所有動物建立初始信息檔案,包括動物的名稱、年齡、飼養(yǎng)時間、健康狀況、管理員信息等。工作時RFID模塊自動讀取動物ID號，單片機(jī)系統(tǒng)采用串口通信方式將ID號傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。上位機(jī)利用LabVIEW技術(shù)識別ID號，并在Access數(shù)據(jù)庫中調(diào)取相關(guān)信息供用戶查看。同時，管理人員可以將動物的生活狀況信息記錄到數(shù)據(jù)庫。

2上位機(jī)動物信息管理系統(tǒng)功能模塊劃分

系統(tǒng)采用LabVIEW的編程環(huán)境來進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。上位機(jī)軟件系統(tǒng)主要由三個模塊組成，分別是安全管理、串口管理模塊、動物信息管理模塊。

(1) 安全管理

由于建立數(shù)據(jù)庫時默認(rèn)的權(quán)限是所有用戶，即所有用戶都可以和設(shè)計(jì)者具有相同的權(quán)限，均可以查詢和修改數(shù)據(jù)庫。在單人單機(jī)的情況下權(quán)限問題沒有顯示出來，但是在多人使用的環(huán)境中，為了保證數(shù)據(jù)不會被任意查詢和修改，對系統(tǒng)使用權(quán)限進(jìn)行加密限制就顯得非常重要了。為了保護(hù)數(shù)據(jù)庫不被他人使用或修改，可以給數(shù)據(jù)庫設(shè)置用戶密碼，即登陸系統(tǒng)管理。設(shè)置數(shù)據(jù)庫用戶密碼后，只有擁有用戶名及密碼的使用者才有權(quán)限對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行查看等操作。

(2) 串口設(shè)置管理

結(jié)合回歸模型，優(yōu)化得到的最好工藝條件為紅茶濃度0.922 g/L，浸泡時間43.5 min，浸泡溫度33.7 ℃，所得感官分值為7.86±0.14。但根據(jù)實(shí)際操作的條件，設(shè)定工藝條件為紅茶濃度0.9 g/L，浸泡時間44 min，浸泡溫度34 ℃，此工藝條件下的綜合感官分值為7.8±0.42，與預(yù)測值基本一致，說明回歸模型可靠準(zhǔn)確，該方程與實(shí)際情況擬合很好，響應(yīng)面法能較好地對紅茶浸泡脫除海螺肉異味進(jìn)行回歸分析和參數(shù)優(yōu)化。

要實(shí)現(xiàn)上位機(jī)軟件與RFID模塊的通信，使上位機(jī)宏觀觀測動物信息管理系統(tǒng)能夠順利接收到RFID模塊讀取到的相關(guān)ID號，以完成對數(shù)據(jù)庫中相應(yīng)動物生活習(xí)性數(shù)據(jù)的查看，宏觀觀測動物信息管理系統(tǒng)用戶界面需要有一個重要的部分，即串口設(shè)置管理。RFID模塊使用RS232總線與計(jì)算機(jī)的COM口相連，該模塊應(yīng)該包括COM端口號、波特率、讀寫器地址的選擇操作，并在連接成功或失敗時給予提示。

(3) 動物信息管理

這部分應(yīng)包含查看動物信息以及動物信息錄入兩種操作。查看全部動物信息可以方便用戶查看數(shù)據(jù)庫中所有動物的相關(guān)信息，為研究動物的生活習(xí)性提供數(shù)據(jù)依據(jù)；動物信息的錄入主要用在數(shù)據(jù)庫中更新動物的日常生活信息，除了記錄每只動物的年齡、飼養(yǎng)時間、健康狀況、負(fù)責(zé)喂養(yǎng)的管理員的相關(guān)信息等，還要包含動物每天的生活情況，例如，進(jìn)食量、作息時間，如可能應(yīng)加入心跳、心律等監(jiān)視動物性情狀況的數(shù)據(jù)。

3上位機(jī)動物信息管理系統(tǒng)功能的軟件實(shí)現(xiàn)

上位機(jī)采用一種新式的用圖標(biāo)代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語言——LabVIEW(LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench)完成串口通信、數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)以及用戶訪問的設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)庫即完成對動物生活信息存儲，設(shè)計(jì)選用的是微軟公司的MicrosoftOfficeAccess。用戶訪問界面除了完成安全設(shè)計(jì)外，要給用戶提供一種向?qū)赃x擇界面，提示用戶可以完成的各種功能。串口設(shè)計(jì)主要完成上位機(jī)與RFID模塊的通信，完成數(shù)據(jù)的交換功能。系統(tǒng)上位機(jī)具體各功能模塊設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2　軟件系統(tǒng)功能框圖 Fig.2　Functional flow chart of software system

3.1用戶身份驗(yàn)證

系統(tǒng)硬件正確連接后開啟應(yīng)用程序，首先進(jìn)入用戶登錄界面，系統(tǒng)通過口令認(rèn)證方式判斷用戶合法性。當(dāng)用戶輸入正確的用戶名及密碼時，系統(tǒng)提示歡迎使用系統(tǒng)的提示信息。當(dāng)用戶輸入錯誤的用戶名或密碼時，系統(tǒng)提示用戶重新輸入。只有輸入正確的賬號及密碼，才能進(jìn)入設(shè)備信息管理系統(tǒng)。用戶登錄界面及后面板程序如圖3所示。

圖3　用戶登錄程序面板 Fig.3　User login and back panel

3.2利用LabVIEW實(shí)現(xiàn)串口通信

在LabVIEW8.6中函數(shù)選板(Functions)的儀器I/O(InstrumentI/O)子選板中的串口(Serial)子選板內(nèi)包含進(jìn)行串口通信的一些功能函數(shù)(圖4)。

圖4　 LabVIEW串口通信功能模塊 Fig.4　LabVIEW serial communication modules

圖5　串口通信程序框圖 Fig.5　Serial communication program

3.3利用LabVIEW實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫訪問

LabVIEW本身并不能直接訪問數(shù)據(jù)庫，但其提供了豐富的外接程序接口，例如LabSQL的開發(fā)是在LabVIEW中利用ActiveX功能，通過調(diào)用ADO(ActiveXDataObject)控件，結(jié)合SQL語言，通過ODBC接口函數(shù)庫驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的訪問。

對數(shù)據(jù)庫的操作主要需要完成動物日常信息查看和動物每日生活信息錄入兩項(xiàng)功能。在具體操作數(shù)據(jù)庫時主要用到LabSQLVIs中的三類VI。其中CommandVIs的功能是完成一系列基本的ADO操作，例如創(chuàng)建或刪除一個Command、對數(shù)據(jù)庫中的某一個參數(shù)進(jìn)行讀或?qū)懙取onnectionVIs用于管理LabVIEW與數(shù)據(jù)庫之間的鏈接。RecordsetVIs用于對數(shù)據(jù)庫中的記錄進(jìn)行各種操作，例如創(chuàng)建或刪除一條記錄，對記錄中的某一條目進(jìn)行讀寫等。

(1) 查看所有動物信息

此功能用于動物生活習(xí)性信息收集、整理、檢查等工作，為了解動物生活習(xí)性提供數(shù)據(jù)信息，通過此功能可以查看所有動物的各種信息,包括相應(yīng)動物管理員的基本信息，每只動物本身的一些基本信息以及生活習(xí)性記錄等。具體實(shí)現(xiàn)程序框圖見圖6。

圖6　查看數(shù)據(jù)庫的程序框圖 Fig.6　Block diagram of checking the database

首先通過ADOConnectinCreate.vi與ADO建立連接，然后通過ADOConnectionOpen.vi打開數(shù)據(jù)源，數(shù)據(jù)源由ConnectionString指定。打開數(shù)據(jù)源后通過SQLExecute.vi執(zhí)行SQL語句,即可查看數(shù)據(jù)庫中所有設(shè)備的信息。

(2) 動物生活習(xí)性信息錄入

數(shù)據(jù)庫管理模塊使用LabVIEW自帶的DDE(DynamicDataExchange,動態(tài)數(shù)據(jù)交換)技術(shù)，主要完成數(shù)據(jù)查詢、提取和錄入功能。在將動物信息錄入數(shù)據(jù)庫時，可以調(diào)用3個子程序來完成:將數(shù)據(jù)庫類型MSAccess和數(shù)據(jù)庫名稱作為參數(shù)輸入DDEOpenConversation.vi子程序,該子程序用于打開動態(tài)數(shù)據(jù)交換的操作；然后將要調(diào)用的數(shù)據(jù)庫中宏的名稱輸入DDEExecute.vi子程序，用于數(shù)據(jù)交換過程；最后運(yùn)行DDECloseConversation.vi子程序，關(guān)閉動態(tài)數(shù)據(jù)交換過程。利用LabVIEW修改數(shù)據(jù)庫的程序如圖7所示。

4實(shí)驗(yàn)及結(jié)論

在實(shí)驗(yàn)過程中，利用Access數(shù)據(jù)庫建立動物信息表，開啟宏觀觀測動物信息管理系統(tǒng)軟件，正確輸入賬號及密碼后進(jìn)入查看界面。利用LabVIEW虛擬儀器技術(shù)，訪問數(shù)據(jù)庫的界面圖如8所示。

進(jìn)入查詢界面后，默認(rèn)為“全部查看”界面，在此可以查看所有宏觀觀測動物的相關(guān)信息；在“選定ID查詢”界面下，設(shè)置好串口參數(shù)，點(diǎn)擊“開始運(yùn)行”按鈕，系統(tǒng)即開始循環(huán)監(jiān)測ID卡，當(dāng)檢測到ID號時即調(diào)取相應(yīng)的動物信息，幫助管理人員快速查看需要的動物信息；在“增加記錄”界面下可以為“動物信息表”添加新的動物信息。

圖7　利用LabVIEW修改數(shù)據(jù)程序圖 Fig.7　Updating data with LabVIEW technology

圖8　 利用LabVIEW技術(shù)訪問數(shù)據(jù)庫界面 Fig.8　Inquire the database with LabVIEW technology

目前該系統(tǒng)在測試中一切正常，基本實(shí)現(xiàn)了對宏觀觀測動物信息的管理和查詢功能。但也發(fā)現(xiàn)了一些在后期需要改進(jìn)的問題：

(1) 對動物信息細(xì)化。在目前的數(shù)據(jù)庫中只有一個“動物信息表”，可供參考的內(nèi)容較為單一?？梢猿浞掷肁ccesss數(shù)據(jù)庫表的關(guān)聯(lián)，再建立一張“動物日常信息表”，將動物每一天的詳細(xì)生活狀態(tài)都記錄下來。在判定動物異常與地震關(guān)系時，能為科研工作者提供更多更詳盡的依據(jù)。

(2) 對動物信息的直觀化。對于數(shù)字型的動物信息，例如動物的活躍度，某種程度上可以依靠動物的跳躍次數(shù)顯示，利用壓力采集或脈沖采集等辦法記錄動物的跳躍次數(shù)，并通過波形的方式顯示出來，方便科研人員更加直觀地判斷異常。

(3) 對管理系統(tǒng)遠(yuǎn)程操作?？梢岳肔abVIEW的web發(fā)布功能，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的遠(yuǎn)程訪問，方便更多的用戶對動物信息隨時進(jìn)行查看。

參考文獻(xiàn)(References)

[1]冉慧敏，高小其，鄭黎明，等.新疆“三網(wǎng)一員”宏觀異常測報系統(tǒng)建設(shè)[J].內(nèi)陸地震，2013，27(1)：20-28.

RANHui-min,GAOXiao-qi,ZHENGLi-ming,etal.ConstructionofMacroscopicObservationalNetworkSysteminXinjiang[J].LandEarthquake,2013, 27(1):20-28.(inChinese)

[2]崔洲涓.基于LabVIEW的電磁頻譜數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的開發(fā)[J].國外電子測量技術(shù)，2010，29(3)：52-55.

CUIZhou-juan.DevelopmentofElectromagneticSpectrumDataProcessingSystemBasedonLabVIEW[J].ForeignElectronicMeasurementTechnology,2010,29(3):52-55.(inChinese)

[3]楊樂平，李海濤.LabVIEW高級程序設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003.

YANGLe-ping,LIHai-tao.LabVIEW-AdvancedProgrammingTechniques[M].Beijing:TsinghuaUniversityPress, 2003.(inChinese)

[4]孫宏志，王學(xué)成，劉一萌，等.基于3G無線傳輸?shù)臏y震臺站監(jiān)控設(shè)備的研制[J].地震工程學(xué)報，2014，36(2)：387-392.

SUNHong-zhi,WANGXue-cheng,LIUYi-meng,etal.TheDesignandRealizationofaTypeofMonitoringEquipmentforSeismicStationsBasedon3GWirelessDataTransmission[J].ChinaEarthquakeEngineeringJournal,2014,36(2):387-392.(inChinese)

[5]蘇鶴軍，張慧，李晨樺，等.GMT繪圖軟件漢字庫配置技術(shù)應(yīng)用研究[J].地震工程學(xué)報，2013，35(4)：928-935.

SUNHe-jun,ZHANGHui,LICheng-hua,etal.ConfiguretionTechnologyofChineseCharacterLibraryofGenericMappingToolDrawinginWindowsSystem[J].ChinaEarthquakeEngineeringJournal,2013,35(4):928-935.(inChinese)