劉希林,梁振清,李 強
(廣西壯族自治區(qū)氣象技術裝備中心,南寧 530022)
根據(jù)JJF1069-2012 法定計量檢定機構規(guī)范的要求,必須對環(huán)境條件實施監(jiān)測控制和記錄,分析判斷環(huán)境條件是否影響檢定、校準結果的準確性和可靠性[1]。氣象計量實驗室需要在一定的溫濕度范圍內才能對儀器進行檢定[2-5]。因此通過使用溫濕度跟蹤與分析系統(tǒng)能實現(xiàn)溫濕度自動監(jiān)測,實時查看環(huán)境溫濕度情況,滿足氣象計量實驗室對環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)跟蹤與分析的要求,有助于提升氣象計量檢定的工作效率。
在實驗室的監(jiān)控項目中,不同實驗室對溫濕度都有要求,大部分實驗都是在明確的溫濕度環(huán)境中展開。在醫(yī)藥、生化、儀器校準、農業(yè)、氣象、建筑與電器等領域中所用的儀器和設備都需要追蹤并控制溫度[6-14],實驗室環(huán)境條件直接影響著這些儀器的檢定和檢測結果,每項實驗的進行過程都需要精確可靠的監(jiān)測儀器提供準確的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)。實驗室要求適宜的溫度和濕度,室內的小氣候,包括氣溫、濕度和氣流速度等,對在實驗室工作的人員和儀器設備有影響。夏季的適宜溫度應是18~28℃,冬季為16~20℃,相對濕度最好在30%(冬季)~70%(夏季)之間。
氣象計量實驗室的環(huán)境條件需要符合相關檢測物品對應的檢定規(guī)程要求[15]。本文運用C++語言實現(xiàn)對實驗室溫濕度連續(xù)檢測跟蹤與曲線分析,同時可查看所有監(jiān)測點實時顯示數(shù)據(jù),不間斷采集溫濕度數(shù)據(jù)[16],最終實現(xiàn)對氣象計量實驗室總體溫濕度的監(jiān)控分析。
計量實驗室內外環(huán)境,如溫、濕度等因素會造成設備性能的不穩(wěn)定,嚴重影響計量設備的管理可靠性。環(huán)境溫濕度的控制,是保證實驗操作能夠滿足實驗程序各個過程的需要[17-18]。根據(jù)監(jiān)測環(huán)境結構及各實驗室布局特點和布置不同的監(jiān)測點位屬性,監(jiān)測點優(yōu)化設定的原則是:
(1)監(jiān)測點應優(yōu)先設置在監(jiān)測環(huán)境空氣流動平穩(wěn)處,進出風口位置不宜放置。根據(jù)管理人員可視范圍調節(jié)放置高度,方便管理人員查看數(shù)據(jù)。
(2)監(jiān)測點位置以不影響工作人員正常工作為原則,遠離各種熱源,盡量避免日常操作碰觸到設備。
(3)溫濕度跟蹤與分析系統(tǒng)安裝完成后,DSR通過485 通訊線和對應的轉換器連接,然后接入交換機,交換機最終無線連接至中心機房交換機或計算機,實現(xiàn)監(jiān)控。
(4)需裝DSR 的區(qū)域根據(jù)實際布線,其中溫度室、氣壓室、濕度室、雨量室、酸度室及綜合室安裝DSR-THP-RA 型號;檔案室、收發(fā)室、倉庫、會議室及網絡室安裝DSR-TH-RA 型號,每個測點提供一個固定IP(與線路總數(shù)一致)。
(5)子網絡最終都與中心機房的交換機相連,通過路由器并可接入Internet;從服務器連接到交換機,通過局域網獲得子網絡數(shù)據(jù)。
(6)局域網PC 可成為局域網授權訪問終端,通過客戶端軟件訪問服務器、查看數(shù)據(jù);互聯(lián)網PC 可成為互聯(lián)網授權訪問終端,可遠程訪問、遠程查看數(shù)據(jù)。
依據(jù)氣象計量實驗室對環(huán)境溫濕度跟蹤與分析的需求,確保溫濕度自動監(jiān)測系統(tǒng)處在精準穩(wěn)定的運行狀態(tài),對此將系統(tǒng)結構總體設計分為三大模塊。
(1)數(shù)據(jù)采集模塊
采集過程主要通過傳感器自動測量出實驗室的溫濕度,再使用轉換器對數(shù)據(jù)進行簡單處理。傳統(tǒng)模擬式的溫濕度傳感器測量精度低且校準復雜,而該系統(tǒng)將采用具有先進的溫濕度檢測技術的DHT11溫濕度復合傳感器。DHT11 內部采用特殊的數(shù)字模塊采集技術,將溫度和濕度信息處理集成到傳感器中,通過單總線與微控制器連接直接傳輸出時鐘信號和數(shù)據(jù)信號,大大降低了所在電路的復雜性和范圍。
由電阻式濕度傳感器和NTC 溫度傳感器構成DHT11 的內部結構,連接著一個高性能8 位單片機,這個單片機能實時將器件進行分析和處理,確保系統(tǒng)能夠良好地運行,所以DHT11 既有著高度的穩(wěn)當性,同時也滿足了品質卓越、超快響應、高性價比等優(yōu)勢。每個DHT11 傳感器都在極為精確的濕度校驗室中進行校準,校準系數(shù)以程序的形式存在OTP內存中,傳感器內部在檢測信號的處理過程中要調用這些校準系數(shù)。單線制串行接口,結合無線收發(fā)芯片在無線網絡傳感器節(jié)點上的應用,使系統(tǒng)集成變得簡易快捷,利于運用到實際電路系統(tǒng)中。
(2)數(shù)據(jù)處理模塊
通過監(jiān)測電路,在DSR 屏幕上實時顯示實驗室內溫濕度值,由直觀的曲線變化來判斷溫濕度的變化,同時可由數(shù)據(jù)庫將數(shù)據(jù)信息保存在系統(tǒng)內部,最終也可根據(jù)實際需求將數(shù)據(jù)導入終端。
(3)終端PC 監(jiān)控模塊
此模塊是人機交互的一部分,通過電腦端的串行接口轉換電路完成與單片機直接的通信,自動監(jiān)測系統(tǒng)與遠端PC 之間的連接。當實驗室內溫度超出預警值時,DSR 記錄儀發(fā)出警報到終端PC,保證在PC 端也能夠實時參與到監(jiān)控當中,得以實現(xiàn)人工及時調節(jié)操作功能。溫濕度自動監(jiān)控系統(tǒng)原理圖如下圖1 所示。
圖1 溫濕度自動監(jiān)控系統(tǒng)原理圖
本系統(tǒng)包含10 個小的功能模塊,本別是后臺管理、子網管理、設備管理、設備工作參數(shù)設置、實時顯示與記錄功能、超限報警功能、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析功能、數(shù)據(jù)存儲功能、數(shù)據(jù)導出功能、用戶端查看功能。系統(tǒng)的運行處理流程如下圖2 所示。
圖2 系統(tǒng)的運行處理流程
(1)后臺管理
服務器后臺管理系統(tǒng)可完成對測量點監(jiān)測設備的管理,諸如子網添加、組網設備添加、設備參數(shù)設置等。通過此后臺管理軟件便可將所有DSR 設備的即時數(shù)據(jù)直接保存到服務器的數(shù)據(jù)庫當中,并可以啟動記錄、下載,參數(shù)設置,停止記錄,同步時鐘。軟件界面采用不同顏色提示,鮮明奪目,可實時查看各臺儀器運行狀況。
(2)子網管理
本系統(tǒng)采用的是RS485 組網方式,每個DSR 通過485 組網連接,再連入對應轉換器中,轉換器將485 信號轉換成以太網信號,每個轉換器組成為一個子網。
(3)設備管理
監(jiān)控PC 通過IP 地址訪問到轉換器,通過儀器的序列號來分辨儀器的類型,所以需要將設備逐一添加,由于每臺儀器都有對應的IP 地址,所以IP 地址要與儀器的序列號所在子網一一對應。
(4)設備工作參數(shù)設置
右鍵后臺軟件上的儀器圖標即可出現(xiàn)上圖顯示的對話框,在此對話框中可以設置儀器的屬性參數(shù),包括刷新間隔、記錄間隔、報警上下限、啟動方式與結束方式等。如果所有設備均使用同一設置,點擊對話框中的“應用參數(shù)到同類設備”便可以將所有的儀器信息設置成統(tǒng)一參數(shù)。
(5)實時顯示與記錄功能
不間斷地采集和記錄被監(jiān)測實驗室環(huán)境內溫濕度參數(shù)的情況,以數(shù)字、圖形、表格的方式進行實時顯示和記錄監(jiān)測信息。
(6)超限報警功能
DSR 溫濕度記錄儀內置蜂鳴器,具有超限報警功能,報警時能自動改變記錄頻率,確保記錄數(shù)據(jù)真實反映環(huán)境變化,在出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)的時候,如溫濕度超過上下限時,可以按照管理人員指定的方式輸出多種報警。如:郵件報警、電話報警、短信報警、蜂鳴報警、聲光報警等。
(7)數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析功能
實時統(tǒng)一顯示各個監(jiān)測點的溫濕度情況,可查詢歷史數(shù)據(jù),顯示各個被測環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)曲線變化,數(shù)據(jù)分析功能可獲得某監(jiān)測點某段時間內的最大值、最小值、平均值等情況。
(8)數(shù)據(jù)存儲功能
DSR 溫濕度記錄儀本身帶有內置存儲功能,可記錄26 萬條溫度數(shù)據(jù),最多可擴展208 萬條數(shù)據(jù),所以可將數(shù)據(jù)保存在記錄儀內部,同時服務器將監(jiān)控軟件界面的數(shù)據(jù)按自我設定的時間間隔保存至數(shù)據(jù)庫,對數(shù)據(jù)實行雙重保護,避免丟失溫濕度數(shù)據(jù)。
(9)數(shù)據(jù)導出功能
實時顯示每個實驗室的溫濕度實時數(shù)據(jù)、趨勢曲線,數(shù)據(jù)報表、圖表、記錄、存儲、導出、打印等功能,同時也可以包含部分控制和報警功能等,管理員可導出各個監(jiān)測點溫濕度數(shù)據(jù)變化曲線圖或數(shù)據(jù)列表,并按照特定的要求,輸出不同格式的報表,如:DOC、EXCEL、TXT 等。
(10)用戶端查看功能
該系統(tǒng)可設置用戶端訪問權限,在同一局域網內的PC 可通過專業(yè)的用戶端軟件訪問服務器,查看實時數(shù)據(jù)。若服務器連接進入互聯(lián)網,遠程PC 也可通過網絡訪問服務器,查看實時數(shù)據(jù)。
為了檢驗系統(tǒng)設計的合理性和準確性,選取測試點對系統(tǒng)進行監(jiān)控和測試。
如上圖3 曲線所示,在時間序列中選取08∶00、10 ∶00、12 ∶00、14 ∶00、16 ∶00 點測得的數(shù)據(jù)分別為20.0℃、23.0℃、25.0℃、26.5℃、26.0℃,而用精確溫度計測量的數(shù)據(jù)為20.2℃、22.5℃、25.4℃、26.5℃、26.2℃。其誤差分別為+0.1℃、-0.5℃、+0.4℃、0.0℃、+0.2℃,誤差絕對值均在1.0℃內(如下表1 所示),說明氣溫測試數(shù)據(jù)可用(如下表1 所示)。
圖3 日氣溫測試變化曲線
表1 檢測與實際溫度比對表
如圖4 曲線所示,在時間序列中選取08∶00、10∶00、12∶00、14∶00、16∶00 點測得的數(shù)據(jù)分別為35.60%RH、39.50%RH、42.30%RH、37.60%RH、35.60%RH,而用精確濕度計測量的數(shù)據(jù)為35.80%RH、39.40%RH、42.10RH%、37.30%RH、35.70%RH。其誤差分別為+0.20%RH、-0.10%RH、-0.20%RH、-0.30%RH、+0.10%RH,誤差絕對值均在3.0%RH 內,說明相對濕度測試數(shù)據(jù)可用(如表2 所示)。
圖4 相對濕度測試變化曲線
表2 檢測與實際相對濕度比對表
該系統(tǒng)的圖形化操作界面直觀簡單,用表格和曲線方式查詢顯示各監(jiān)測點實時測量值和任意日月年歷史數(shù)據(jù),支持表格或圖形方式顯示和打印,能統(tǒng)計任意區(qū)間的數(shù)據(jù)最大值、最小值及平均值,可設置各監(jiān)測點的上下報警值,并能記錄可查詢報警歷史。
該系統(tǒng)設計符合JJF1069-2012 規(guī)范的各項指標,實現(xiàn)了對溫濕度自動監(jiān)測分析查看、數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理、數(shù)據(jù)存檔及時超限報警,能夠跟蹤溫濕度環(huán)境數(shù)據(jù)同時能分析判斷數(shù)據(jù)是否影響檢定、校準結果的準確性和可靠性,支持多點監(jiān)測以及數(shù)據(jù)報表打印,分級管理功能強大,有利于質量控制工作的開展,實現(xiàn)對實驗質量活動的監(jiān)測和管理,以及對實驗環(huán)境及測試品進行有效的測量。系統(tǒng)采用濕度傳感器與溫濕度測控儀智能一體化設計,具有模塊化結構、分散布置、組態(tài)靈活、擴展方便等特點,可與各種帶標準通信接口的設備以及上級監(jiān)控網絡聯(lián)網運行,具有良好的兼容性。