，

(1.華南理工大學 公共管理學院，廣州 510640; 2.華南師范大學 計算機學院，廣州 510631)

0 引言

隨著計算機網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展，噪聲遠程控制技術(shù)在現(xiàn)代社會的生產(chǎn)、管理、教學和科研等各個方面得到了廣泛的應(yīng)用，也越來越受到人們的重視[1-2]。特別是大型設(shè)備的噪聲遠程控制系統(tǒng)還存在一些問題，導致設(shè)備利用率較低[3-5]。為解決上述問題，本文提出了一種大型設(shè)備噪聲遠程控制系統(tǒng)設(shè)計方。該方法通過相應(yīng)的控制系統(tǒng)，實現(xiàn)設(shè)備的噪聲遠程控制。

為了使設(shè)備噪聲遠程控制系統(tǒng)更好的應(yīng)用，需要對設(shè)備噪聲遠程控制系統(tǒng)進行深入的分析和研究[6-7]。文獻[8]提出了一種基于電力線載波的設(shè)備噪聲遠程控制系統(tǒng)設(shè)計方法。該方法監(jiān)控實驗室的主機上設(shè)有控制界面，該控制界面可以對從站點的電源進行控制，系統(tǒng)的主站點采用的是STC12C5A08S3單片機實現(xiàn)了從站點和監(jiān)控實驗室主機之間的信息傳送。實現(xiàn)了設(shè)備電源的通斷，該方法設(shè)計的系統(tǒng)工作穩(wěn)定，但實際操作較為復雜。文獻[9]提出了一種基于NCSLab 3D的設(shè)備噪聲遠程控制系統(tǒng)設(shè)計方法，將NCSLab 3D技術(shù)與噪聲遠程控制技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)對實驗室的噪聲遠程控制，該方法設(shè)計的系統(tǒng)可以實現(xiàn)設(shè)備信息的共享，但存在系統(tǒng)不穩(wěn)定的問題。文獻[10]提出了一種基于ASP.NET技術(shù)的設(shè)備遠程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方法，該方法通過無線通信技術(shù)將設(shè)備的信息傳送到網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)將實驗設(shè)備信息傳送到實驗室遠程監(jiān)控系統(tǒng)的主機，該方法基于B/S模式并利用ASPNET技術(shù)實現(xiàn)了設(shè)備數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中的傳輸，用戶可以通過系統(tǒng)對實驗室中的環(huán)境進行實時監(jiān)控，但該系統(tǒng)的成本較高。

根據(jù)設(shè)備噪聲遠程控制系統(tǒng)中存在的操作過程復雜、系統(tǒng)不穩(wěn)定和成本較高等問題，提出了一種大型設(shè)備噪聲遠程控制系統(tǒng)設(shè)計方法。

1 大型設(shè)備噪聲遠程控制系統(tǒng)設(shè)計原理

大型設(shè)備噪聲遠程控制系統(tǒng)由RFID模塊、MFRC522信息采集模塊、開關(guān)量采集模塊和動作執(zhí)行模塊構(gòu)成，具體系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)如表1所示。

表1 大型設(shè)備噪聲遠程控制系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)

大型設(shè)備噪聲遠程控制系統(tǒng)的整體設(shè)計如圖1所示。

圖1 大型設(shè)備噪聲遠程控制系統(tǒng)整體設(shè)計圖

大型設(shè)備噪聲遠程控制系統(tǒng)的噪聲遠程控制平臺以數(shù)據(jù)庫為核心，系統(tǒng)RFID模塊對設(shè)備的運行情況進行監(jiān)控，收集設(shè)備的信息，并將信息按類別分類，MFRC522信息采集模塊中發(fā)送器可以通過讀寫器發(fā)送的電磁波信號與Mifare卡進行信息數(shù)據(jù)的傳遞，接收器的功能是接受Mifare卡信號并對信號進行處理，開關(guān)量采集模塊對系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行控制，動作執(zhí)行模塊采用HK4100F繼電器根據(jù)監(jiān)控終端設(shè)置決策控制裝備，保護了大型設(shè)備噪聲遠程控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

2 大型設(shè)備噪聲遠程控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 設(shè)備系統(tǒng)RFID模塊設(shè)計

RFID模塊由數(shù)據(jù)管理模塊、電子標簽?zāi)K和讀寫器模塊3個部分組成。讀寫器在RFID模塊中占有重要地位，讀寫器在系統(tǒng)中的發(fā)射功率和工作頻率決定了電子標簽的識別范圍和工作頻率。讀寫器是RFID模塊中數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)站，收集實驗室噪聲遠程控制系統(tǒng)的電子標簽數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)管理模塊通過讀寫器將設(shè)備的信息數(shù)據(jù)傳送到電子標簽?zāi)K，設(shè)備噪聲遠程控制系統(tǒng)通過天線發(fā)送電磁波信號，周圍的電子標簽接收電磁波信息并為系統(tǒng)提供能量，向讀寫器傳送數(shù)據(jù)或接收讀寫器傳達的命令。讀寫器具有防沖撞功能，可以實現(xiàn)同時識別設(shè)備噪聲遠程控制系統(tǒng)天線覆蓋內(nèi)所有電子標簽的功能，而且電子標簽在傳出數(shù)據(jù)時比較穩(wěn)定，不會出現(xiàn)碰撞的問題。讀寫器可以實現(xiàn)與電子標簽之間的數(shù)據(jù)通訊，通過網(wǎng)關(guān)將采集到的信息傳動到數(shù)據(jù)管理模塊。電子標簽由儲存模塊、控制模塊、射頻收發(fā)模塊和天線模塊構(gòu)成，電子標簽的內(nèi)部儲存了需要識別物體的數(shù)據(jù)信息，并以電磁波的傳輸形式將數(shù)據(jù)傳送到讀寫器中，實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的交換功能。RFID模塊中的電子標簽可以根據(jù)不同情況分為無源型標簽、高頻型標簽、被動型標簽和可讀寫型標簽等。這些標簽的內(nèi)部都沒有電源，是通過讀寫器天線中電磁波提供的能量進行工作的。數(shù)據(jù)管理模塊的功能是對采集數(shù)據(jù)進行管理，主要負責采集數(shù)據(jù)的查詢、顯示和儲存等工作，數(shù)據(jù)管理模塊將RFID模塊中的數(shù)據(jù)傳送到終點，負責系統(tǒng)中電子標簽信息的管理，并具有標簽安全功能和讀寫控制功能。大型設(shè)備噪聲遠程控制系統(tǒng)的RFID模塊設(shè)計如圖2所示。

圖2 設(shè)備噪聲遠程控制系統(tǒng)RFID模塊設(shè)計圖

2.2 噪聲遠程控制系統(tǒng)MFRC522信息采集模塊設(shè)計

MFRC522信息采集模塊是由高度集成的非接觸式讀寫芯片構(gòu)成的，具有體積小、低電壓和低成本的特點。MFRC522信息采集模塊主要由接收器和發(fā)送器組成，發(fā)送器可以通過讀寫器發(fā)出的電磁波信號與Mifare卡進行信息數(shù)據(jù)的傳遞。接收器的功能是接收Mifare卡信號并對信號進行處理，為系統(tǒng)提供了一個具有譯碼和解調(diào)的電路。大型設(shè)備噪聲遠程控制系統(tǒng)MFRC522信息采集模塊的電路如圖3所示。

圖3 噪聲遠程控制系統(tǒng)MFRC522信息采集模塊電路圖

2.3 設(shè)備系統(tǒng)開關(guān)量采集模塊設(shè)計

大型設(shè)備噪聲遠程控制系統(tǒng)的開關(guān)量采集模塊是使用電流互感器采集系統(tǒng)運行或關(guān)閉時流過系統(tǒng)電源線的電流信號，并對系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行判斷的。開關(guān)采集模塊中采用的是HCT502-A電流互感器，具有過載能力強、抗干擾能力強、響應(yīng)時間快、頻帶寬、低溫漂、體積小和精度高等特點。大型設(shè)備噪聲遠程控制系統(tǒng)開關(guān)量采集模塊原理如圖4所示。

圖4 設(shè)備噪聲遠程控制系統(tǒng)開關(guān)量采集模塊原理圖

2.4 系統(tǒng)動作執(zhí)行模塊設(shè)計

大型設(shè)備噪聲遠程控制系統(tǒng)的動作執(zhí)行模塊不僅需要采集各個模塊中的相關(guān)信息，而且要根據(jù)監(jiān)控終端設(shè)置決策控制裝備。動作執(zhí)行模塊采用HK4100F繼電器，HK4100F繼電器中的觸電負載定額參數(shù)為2A240VAC，繼電器的線圈與觸點之間的耐壓為4 500 VAC/分鐘、繼電器的觸點與觸點之間的耐壓為750 VAC/分鐘，大型設(shè)備遠程系統(tǒng)動作執(zhí)行模塊中的HK4100F繼電器電路如圖5所示。

圖5 動作執(zhí)行模塊中HK4100F繼電器電路圖

動作執(zhí)行模塊中HK4100F繼電器是一種動合型的繼電器，當繼電器線圈兩端的電壓達到一定數(shù)值時，繼電器的常開觸點為閉合狀態(tài)，此時系統(tǒng)的電源為接通狀態(tài)。當繼電器的常開觸點為開啟狀態(tài)時，將設(shè)備的電源斷開，起到設(shè)備中電路轉(zhuǎn)換的作用。將系統(tǒng)的采集終端與240V交流電隔離時，能對大型設(shè)備噪聲遠程控制系統(tǒng)起到保護作用。大型設(shè)備噪聲遠程控制系統(tǒng)中的繼電器線圈串聯(lián)在電源的回路中，系統(tǒng)的輸入端與P0.1接口相連。

吸附材料上還存在著3點不足：（1）重金屬的吸附有限制條件，比如溫度、pH值的不同，對重金屬的吸附都有影響，中藥材的水煎液大都為中性，會對材料的官能團有限制。（2）中藥材里重金屬的種類較多，且都是微量存在，但脫除材料對于金屬的吸附有選擇性，現(xiàn)有的天然材料已不能滿足吸附效果，應(yīng)針對不同的重金屬加以結(jié)構(gòu)修飾改造，以便提高重金屬的吸附率。（3）中藥材里的基質(zhì)成分復雜，需要注意脫除過程中吸附材料對有效成分的影響，可以根據(jù)不同藥物的性質(zhì)及主要含量選用不同的材料。同時也可以將幾種方法與吸附材料結(jié)合使用，相互補足。

3 大型設(shè)備噪聲遠程控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

數(shù)據(jù)傳輸算法能夠準確的實現(xiàn)大型設(shè)備的噪聲遠程控制，實現(xiàn)大型設(shè)備噪聲遠程控制系統(tǒng)的主機和設(shè)備信息的數(shù)據(jù)共享，達到最佳控制性能，并有效的應(yīng)用于大型設(shè)備噪聲遠程控制系統(tǒng)中。

噪聲遠程控制系統(tǒng)在接收信息和發(fā)送信息的過程中存在射頻信號對實驗室進行信號覆蓋，設(shè)設(shè)備中簇頭節(jié)點在接收大型設(shè)備噪聲遠程控制系統(tǒng)主機的數(shù)據(jù)時，大小為L的設(shè)備數(shù)據(jù)分組成功匯聚的概率為μ，其中大型設(shè)備噪聲遠程控制系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸CH節(jié)點為k個，設(shè)備中CH節(jié)點覆蓋數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點的概率為α，計算公式如下所示：

μ=αk(1-α)1-K

(1)

當設(shè)備中某個節(jié)點的數(shù)據(jù)較多時，該節(jié)點存在多條數(shù)據(jù)流，大型設(shè)備噪聲遠程控制系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)分組都具有一定的延時t，在該設(shè)備的數(shù)據(jù)分組內(nèi)的生命周期為T，根據(jù)公式(1)可得到t的計算公式：

t=μT=Tαk(1-α)1-K

(2)

在大型設(shè)備噪聲遠程控制系統(tǒng)中不同時間的數(shù)據(jù)分組的長度都是不同的。設(shè)設(shè)備中數(shù)據(jù)分組長度為L時傳輸成功率為Li，設(shè)備的簇頭節(jié)點完成數(shù)據(jù)傳輸時，該節(jié)點數(shù)據(jù)分組的長度平均為η，計算公式如下：

(3)

在大型設(shè)備噪聲遠程控制系統(tǒng)的每次數(shù)據(jù)傳輸周期內(nèi)，設(shè)備的節(jié)點寬帶為C，系統(tǒng)中節(jié)點需要分配的數(shù)據(jù)要滿足Lmin，Lmin的計算公式如下：

(4)

在大型設(shè)備噪聲遠程控制系統(tǒng)中進行數(shù)據(jù)傳輸時，對系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)進行篩選，降低設(shè)備簇頭節(jié)點的緩存壓力，減少因數(shù)據(jù)緩存導致大型設(shè)備噪聲遠程控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸無法正常運行，保障了大型設(shè)備噪聲遠程控制系統(tǒng)的運行。

4 實驗方法及步驟

1)分別采用本文方法與文獻[8]方法和文獻[9]方法進行大型設(shè)備噪聲遠程控制系統(tǒng)的性能測試，對3種方法進行系統(tǒng)的階躍響應(yīng)對比。

2)分別在不同信號強度下進行大型設(shè)備噪聲遠程控制系統(tǒng)傳輸大小不同數(shù)據(jù)的測試。

3)分別采用本文方法與文獻[8]方法和文獻[10]方法進行大型設(shè)備噪聲遠程控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的測試。

本實驗在北京某大學完成，主控的操作系統(tǒng)為windows2003的主機，CPU為P42.9 GHz，硬盤容量為45 GB，物理內(nèi)存為2GB。以北京某大學的大型實驗室設(shè)備控制系統(tǒng)為模型。分別采用本文方法和文獻[8]、文獻[9]方法進行大型設(shè)備噪聲遠程控制系統(tǒng)的性能測試，將3種不同的方法進行大型設(shè)備噪聲遠程控制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)(%)對比，對比結(jié)果如圖6所示。

圖6 3種不同方法的系統(tǒng)階躍響應(yīng)對比圖

分析圖6可知，本文方法的階躍響應(yīng)要優(yōu)于文獻[8]方法和文獻[9]方法，在相同的時間內(nèi)本文方法的輸出量比文獻[8]和文獻[9]的輸出量高。文獻[8]方法采用的是STC12C5A08S3單片機，實現(xiàn)從站點和監(jiān)控實驗室主機之間的信息傳送，系統(tǒng)的從站點采用AT89S53單片機對設(shè)備的操作進行控制，實現(xiàn)設(shè)備電源的通斷。文獻[9]方法采用NCSLab 3D技術(shù)與噪聲遠程控制技術(shù)相結(jié)合，通過數(shù)學模型、控制系統(tǒng)集成和實驗三維建模等步驟，實現(xiàn)對實驗室的噪聲遠程控制，文獻[8]方法和文獻[9]方法在一定時間內(nèi)設(shè)備噪聲遠程控制系統(tǒng)的輸出量較低。本文方法采用MFRC522信息采集模塊，MFRC522信息采集模塊的發(fā)送器可以通過讀寫器發(fā)送的電磁波信號與Mifare卡進行信息數(shù)據(jù)的傳遞，接收器的功能是接收Mifare卡信號并對信號進行處理，使系統(tǒng)在一定時間內(nèi)的輸出量增加，系統(tǒng)的階躍響應(yīng)較好。

為了檢測大型設(shè)備噪聲遠程控制系統(tǒng)的有效性和可靠性，分別在設(shè)備噪聲遠程控制系統(tǒng)的不同信號強度下進行傳輸大小不同數(shù)據(jù)的測試。測試結(jié)果如表2所示。表中最大強度的信號用6表示，其次是5，沒有信號時用0表示。

表2 不同信號強度下傳輸不同數(shù)據(jù)的測試結(jié)果

分析表2可知，當大型設(shè)備噪聲遠程控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)信號質(zhì)量較好時，數(shù)據(jù)輸出速度較快，而且沒有出現(xiàn)錯誤數(shù)據(jù)幀傳的問題，設(shè)備遠程監(jiān)控系統(tǒng)的錯誤率較低，數(shù)據(jù)傳輸所用的時間少、效率高。當大型設(shè)備噪聲遠程控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)信號質(zhì)量較差時，數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣容^慢，而且設(shè)備遠程監(jiān)控系統(tǒng)中出現(xiàn)的錯誤數(shù)隨著信號強度減弱而增多。只有當信號強度為2時，大型設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)信號質(zhì)量很差出現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸失敗的現(xiàn)象。通過測試可知該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸較為可靠，可滿足用戶實際應(yīng)用中的需要。

分別采用本文方法和文獻[8]方法、文獻[10]方法進行大型設(shè)備噪聲遠程控制系統(tǒng)的性能能測試，將3種不同的方法進行大型設(shè)備噪聲遠程控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差(%)對比，穩(wěn)態(tài)誤差是系統(tǒng)從一個比較穩(wěn)定的狀態(tài)過度到一個嶄新的狀態(tài)，或系統(tǒng)受到干擾后回歸平衡后，系統(tǒng)出現(xiàn)的誤差。對比結(jié)果如圖7所示。

圖7 3種方法的穩(wěn)態(tài)誤差對比

分析圖7可知，本文方法的穩(wěn)態(tài)誤差要低于文件[8]方法和文獻[10]方法，因為本文方法中的開關(guān)采集模塊中采用的是HCT502-A電流互感器，采集系統(tǒng)運行或關(guān)閉時流過系統(tǒng)電源線的電流信號，降低了大型設(shè)備控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，保障了系統(tǒng)安全有效的運行。

圖8 設(shè)備噪聲控制前后對比

由圖8可看出，在噪聲控制之前設(shè)備噪聲明顯高于實驗室設(shè)備的噪聲標準值，在設(shè)備運行時，利用所設(shè)計的系統(tǒng)對其進行噪聲遠程控制，噪聲得到了高效治理。通過以上實驗，可以得出結(jié)論，通過本文方法設(shè)計出的大型設(shè)備噪聲遠程控制系統(tǒng)能夠滿足現(xiàn)實要求，具有很好的實用性，控制效果明顯。

5 結(jié)論

本文通過對國內(nèi)外大型設(shè)備噪聲遠程控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀進行分析，發(fā)現(xiàn)了設(shè)備噪聲遠程控制系統(tǒng)存在的一些問題，系統(tǒng)中存在的操作過程復雜、系統(tǒng)不穩(wěn)定和成本較高。為此提出了大型設(shè)備噪聲遠程控制系統(tǒng)設(shè)計方法，通過實驗證明該方法的系統(tǒng)階躍響應(yīng)較好、數(shù)據(jù)傳輸較為穩(wěn)定、系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差較低，保障了大型設(shè)備噪聲遠程控制系統(tǒng)安全穩(wěn)定的運行。

參考文獻:

[1] 周國華, 商俊燕. 基于Android平臺的折彎機遠程監(jiān)控系統(tǒng)[J]. 電子設(shè)計工程, 2016, 24(13):98-100.

[2] 李廷順, 劉澤三, 于 卓,等. 電力設(shè)備遠程通信控制信號入侵優(yōu)化檢測仿真[J]. 計算機仿真, 2017, 34(3):377-380.

[3] 余 雷, 許宏科, 胡 欣,等. 基于物聯(lián)網(wǎng)的遠程視頻監(jiān)控優(yōu)化方法研究[J]. 科技通報, 2015, 31(10):226-228.

[4] 許振騰, 李艷軍, 曹愈遠,等. 基于PLC的雙余度海底管道開孔機遠程電氣控制系統(tǒng)設(shè)計[J]. 科學技術(shù)與工程, 2015, 15(20):244-248.

[5] 李 路, 何新霞, 孔祥飛,等. 基于PLC與ZigBee的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J]. 計算機測量與控制, 2017, 25(5):112-114.

[6] 張昱龍, 楊民強, 遠經(jīng)潮,等. MOOC遠程實驗平臺的設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 合肥工業(yè)大學學報:自然科學版, 2016, 39(5):622-624.

[7] 周同旭, 李雅潔, 王柏柏,等. 基于WinCC和PLC的水力機械試驗臺電氣控制系統(tǒng)[J]. 電氣傳動, 2016, 46(1):63-66.

[8] 張晨亮, 蘇學軍, 畢 濤,等. 基于電力線載波的開放實驗室電源控制系統(tǒng)[J]. 電測與儀表, 2015, 52(9):103-107.

[9] 周洪, 任正濤, 胡文山,等. 基于NCSLab 3D的虛擬遠程實驗系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 計算機工程, 2016, 42(10):20-25.

[10]余國雄,王衛(wèi)星, 謝家興,等. 基于 ASP.NET 技術(shù)的荔枝園智能灌溉遠程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 福建農(nóng)業(yè)學報, 2016, 31(7):770-776.