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圖 1 環(huán)境監(jiān)測起步包結構
"為了滿足社會可持續(xù)發(fā)展的要求，環(huán)境保護受到越來越多的重視。以現代測量技術為基礎的環(huán)境監(jiān)測技術可對各種環(huán)境參數進行測量與分析，是研究環(huán)境質量變化趨勢的重要手段和環(huán)境保護的基礎。"
- 李 誠, 上海聚星儀器有限公司應用工程師
挑戰(zhàn):
環(huán)境監(jiān)測要求系統能夠在戶外較惡劣環(huán)境下監(jiān)測多種環(huán)境參量，包括氣象、振動、噪聲、電磁場、圖像等，主要應用領域包括人居環(huán)境監(jiān)測、結構健康監(jiān)測以及節(jié)能減排項目監(jiān)測，需采用分布式結構。
解決方案:
NI CompactRIO是一款工業(yè)級嵌入式數據采集平臺，基于該平臺開發(fā)的采集系統具有很好的穩(wěn)定性和實時性，并能適應野外工作環(huán)境，我們采用NI CompactRIO豐富的C系列模塊采集各種傳感器輸出的模擬信號，通過TCP/IP協議傳輸到上位機，工作人員可以實時監(jiān)測各種環(huán)境參數。
作者:
李 誠 - 上海聚星儀器有限公司應用工程師
系統結構及主要特點
環(huán)境監(jiān)測起步包基于NI的嵌入式硬件平臺CompactRIO和圖形化設計平臺LabVIWE開發(fā)而成，起步包結構如圖 1所示。
圖 1 環(huán)境監(jiān)測起步包結構
各種環(huán)境參量通過相應的傳感器轉化為電信號，電信號通過C系列模塊輸入到CompactRIO中，CompactRIO對采集到的原始信號進行處理，并將處理后的數據通過路由器發(fā)送到監(jiān)控端以及網絡服務器。監(jiān)控端通過TCP/IP協議與CompactRIO通信，實現數據的實時顯示以及控制命令的發(fā)送。瀏覽端用戶通過網頁瀏覽器訪問服務器中的監(jiān)測數據，實現數據的網絡共享和歷史數據分析。
環(huán)境監(jiān)測起步包的主要特點有：
- 自定義的FPGA模塊和豐富的I/O模塊，能夠與幾乎所有的傳感器進行方便的連接；
- 模塊化的軟件結構，能夠輕松地實現系統的維護與升級；
- 采用WIFI和3G技術，實現監(jiān)測數據的無線傳輸，有利于分布式監(jiān)測和數據管理。
監(jiān)測項目
環(huán)境監(jiān)測起步包的監(jiān)測項目如下：
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應用領域
監(jiān)測項目 |
人居環(huán)境監(jiān)測 |
結構健康監(jiān)測 |
節(jié)能減排監(jiān)測 |
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氣象——風向、風速、溫濕度、氣壓、雨量 |
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振動——高低頻振動（結構、地震） |
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環(huán)境噪聲 |
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低頻電磁場 |
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圖像 |
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運動控制 |
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數字I/O |
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自定義 |
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系統指標
1. CompactRIO板卡指標
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模擬輸入
接口類型 |
電壓、電流、IEPE、電橋 |
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外接傳感器
類型 |
溫度（熱電偶、RTD）、電壓、電流、電阻、電荷、壓力、應變、
扭矩、位移、加速度、振動、轉速等 |
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模擬通道數 |
單機箱4-256通道，支持多機箱級聯至上千通道 |
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模擬I/O
通道特性 |
最高采樣率 |
100kS/s（同步）、800kS/s（多路復選） |
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耦合方式 |
AC/DC |
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AD分辨率 |
12位（經濟型）/16位（通用型）/24位（高性能） |
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動態(tài)范圍 |
70dB（經濟型）/80dB（通用型）/120dB（高性能） |
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通道間串擾 |
<-110dB |
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輸入阻抗 |
1MΩ（典型值） |
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最高采樣精度 |
±0.04%×讀數值+±0.07%×量程(典型值) |
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信號輸入模式 |
單端，差分 |
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抗混疊頻率 |
0.45fs |
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數字I/O
通道特性 |
最高頻率 |
20MHz |
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信號類型 |
5V/TTL/24V |
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工作方式 |
計數器/編碼器/PWM/繼電器 |
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通訊接口 |
以太網、光纖、CAN、RS232/422/485 |
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觸發(fā)采集 |
數字觸發(fā)（邊沿、脈沖），模擬觸發(fā)（閾值、區(qū)域、滯后） |
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存儲容量 |
片上4G Flash（網絡硬盤擴展） |
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數據吞吐量 |
單機箱6.4MB/s |
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功耗 |
10W(典型值) |
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工作溫度 |
-40oC-70oC |
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可承受隨機振動 |
5g rms，10-500Hz（IEC 60086-2-64） |
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可承受正弦振動 |
5g ，10-500Hz（IEC 60086-2-64） |
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可承受沖擊 |
30g，11ms半正弦；50g，3ms半正弦（IEC 60068-2-27） |
2. 監(jiān)測指標（標配、可擴展）
溫度：測量范圍-5～55℃
濕度：測量范圍0～100%
振動：測量范圍±250g，頻率范圍0.3～10KHz，靈敏度20mV/g，最小分辨率0.0005g
聲音：頻率范圍20～20KHz，動態(tài)范圍127dB，靈敏度50mV/Pa
電磁波：頻率范圍10～20KHz
系統指標大多受限于選配的傳感器，起步包為了降低系統門檻采用了較低成本的傳感器，對于大多數驗證和科研可以適用，如果用戶須要更高精度的系統，聚星工程師可以選配更高等級的傳感器。
實物圖及軟件界面
圖 2 系統實物圖
圖 3 系統軟件界面
總結
基于NI CompactRIO平臺開發(fā)的環(huán)境監(jiān)測起步包能夠監(jiān)測多種環(huán)境參量，系統具有很高可靠性和擴展性。采用NI的嵌入式硬件平臺CompactRIO進行系統開發(fā)，能夠縮短開發(fā)周期，提高系統可靠性，使得用戶能夠把精力放在數據的分析處理上。
聚星儀器是NI的金牌系統聯盟伙伴，同時也是NI CompactRIO大陸地區(qū)獨家代理商和增值服務商。聚星儀器擁有一支全球頂尖的LabVIEW開發(fā)團隊，以NI CompactRIO為核心開發(fā)了許多創(chuàng)新應用，您可登陸聚星儀器主頁www.vi-china.com.cn 查看更多產品和應用案例，或聯系聚星儀器CompactRIO技術支持。
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