在线实时智能监控

在线实时智能监控（精选7篇）

在线实时智能监控 篇1

摘要：本文分析了目前煤矿定量装载系统存在的弊端, 利用统计学、连续体振动力学、信号调理技术、无线传感器网络以及宽带无线通信、智能结构等理论, 在不破坏原有提升系统的前提下研究了提升机承载在线实时智能监控技术。

关键词：提升机,在线,智能监控

1 煤矿定量装载系统现状及存在问题

依据《煤矿安全规程》第382条规定“提升装置的最大载重量和最大载重差, 应在井口公布, 严禁超载和超载重差运行”。然而不论是矿井多绳摩擦式提升机还是单绳缠绕式提升机, 不论是主井提升还是副井提升系统, 依据我国目前的设备和设施装备水平, 都不能真正意义上的实现“严禁超载”, 只能是依靠“定性”管理, 而不能实现电梯式的“定量”超载闭锁的本质安全型管理。如矿井实际生产中对于副井提升系统矿车装料多少、吊运大件的单重、配重等, 很难精确控制吨位数量, 对于主井提升系统虽有装载定量系统, 但箕斗的粘堵问题, 时有造成二次装载问题, 在煤矿行业就发生过多起因超载提升造成重大机电事故, 这不仅使矿井的生产设备受到破坏, 影响矿井的正常生产, 而且还会危及作业人员的生命安全, 给国家和人民造成巨大的经济损失。煤矿运输提升事故所占比例仅次于瓦斯和顶板事故, 是煤炭系统的第三大灾难事故。

2 承载实时在线智能监控技术主要研究内容

2.1 提升机运行状态与钢丝绳终端载荷关联性研究

对提升机运行状态参数特征进行评估, 基于统计学理论, 构建提升机工作状态与钢丝绳终端载荷关联性判定方法;基于连续体振动力学理论, 建立钢丝绳终端张力参数特征与提升机运行状态关联模型, 解决提升机运行状态无法实时准确表征的难题。

2.2 提升机运行状态感知技术研究

基于动力学理论, 对正常与非正常提升工况下钢丝绳终端张力状态分析, 开展高精度、抗冲击性强的称重式传感器研发, 解决现有传感器精度低、抗冲击性差的难题;结合信号调理技术, 开发精度高、响应快的钢丝绳终端张力状态感知技术和设备, 实现钢丝绳终端张力的实时、可靠检测。

2.3 钢丝绳终端载荷无线传输技术研究

基于无线传感器网络技术以及宽带无线通信技术, 建立井下无线监测无线传感器拓扑结构, 探求拓扑控制机制;设计与井下无线传感器网络具体应用环境与所采用的无线通信平台相适应的MAC协议;结合宽带无线通信技术与网络拓扑结构设计井下无线传感器网络的时间同步机制;开发适应于井下无线监测网络结构的数据管理技术;构建实时、稳定、可靠、高效的钢丝绳终端载荷无线传输系统。

2.4 提升机承载智能调控技术研究

结合提升机运行状态、钢丝绳终端载荷以及提升机电控系统, 基于智能结构理论, 以提升时间、提升载荷以及无线传感器功耗为目标, 建立提升机承载的多目标归一智能结构最优控制模型, 采用逐步线性规划法求解, 实现提升机承载智能调控, 有效避免提升机超载、二次装载等提升事故。

3 项目技术关键和实施方案

3.1 技术难点

(1) 由于井筒环境恶劣, 提升机在井筒中运行状态无法直接获得, 而钢丝绳终端载与提升机运行状态具有紧密的相互关联性。因此, 需掌握钢丝绳终端载荷的变化趋势, 寻求提升机运行状态与钢丝绳终端载荷关联性模型, 利用钢丝绳终端实时检测的张力来判断当前提升机运行状态。

(2) 随着煤炭资源的日渐开采, 矿井的设计井深、提升距离逐渐增大, 提升钢丝绳运行与装载过程中的动载荷也越来越大, 而提升钢丝绳绳受到的动载荷需要直接传递到实时监测钢丝绳终端载荷的称重式传感器上;同时, 称重式传感器监测的数据需要快速的存储、分析与判断。因此, 需开发以大量程、高精度、抗冲击性的称重式传感器为核心的提升机运行状态的感知技术与设备, 实现提升机的安全可靠运行。

(3) 随着矿井开采深度的增加, 有线传输系统由于自身的局限性难以对矿井提升系统实施全面、有效和灵活的数据传输, 而无线传输系统在井筒内无线信号衰减异常严重, 对无线传输的可靠性、稳定性和准确性要求越来越高。

(4) 提升机是矿井生产的咽喉, 提升效率将直接影响矿井生产效率:钢丝绳终端载荷、提升时间与提升效率密切相关;有效控制提升载荷将降低超载、二次装载等提升事故, 增加提升机安全可靠性, 缩短维修时间;监测钢丝绳终端载荷的无线传感器的更换频率也影响提升时间。

3.2 实施方案

(1) 提升机运行状态与钢丝绳终端载荷关联性研究技术路线

首先, 对提升机运行状态参数特征进行评估;接着, 基于统计学理论, 构建提升机工作状态与钢丝绳终端载荷关联性判定方法;然后, 基于连续体振动力学理论, 建立钢丝绳终端张力参数特征与提升机运行状态关联模型;最后, 分析并掌握相互关联特性。

(2) 提升机运行状态感知技术研究技术路线

首先, 基于动力学理论, 对正常与非正常提升工况下钢丝绳终端张力状态分析;其次, 基于张力变化特性, 开展高精度、抗冲击性强的称重式传感器研发;再次, 结合信号调理技术, 开发精度高、响应快的钢丝绳终端张力状态感知技术和设备, 最终实现钢丝绳终端张力的实时、可靠检测。

(3) 钢丝绳终端载荷无线传输技术研究技术路线

首先, 基于无线传感器网络技术以及宽带无线通信技术, 建立井下无线监测无线传感器拓扑结构, 探求拓扑控制机制;其次, 设计与井下无线传感器网络具体应用环境与所采用的无线通信平台相适应的MAC协议;再次, 结合宽带无线通信技术与网络拓扑结构设计井下无线传感器网络的时间同步机制;最后, 开发适应于井下无线监测网络结构的数据管理技术。

(4) 提升机承载智能调控技术研究技术路线

首先, 结合提升机运行状态、钢丝绳终端载荷以及提升机电控系统, 基于智能结构理论, 建立优化控制模型;其次, 以提升时间、提升载荷以及无线传感器功耗为目标, 建立提升机承载的多目标归一智能结构最优控制模型;最后, 采用逐步线性规划法求解, 实现提升机承载智能调控, 有效避免提升机超载、二次装载等提升事故。

4 结语

4.1 建立了钢丝绳终端张力参数特征与提升机运行状态关联模型, 解决了提升机运行状态无法实时准确表征的难题;开发了精度高、响应快的钢丝绳终端张力状态感知技术和设备, 实现了钢丝绳终端张力的实时、可靠检测。

4.2 建立了井下无线监测无线传感器拓扑结构, 设计了与井下无线传感器网络具体应用环境与所采用的无线通信平台相适应的MAC协议, 开发了适应于井下无线监测网络结构的数据管理技术;构建实时、稳定、可靠、高效的钢丝绳终端载荷无线传输系统。

4.3 建立了提升机承载的多目标归一智能结构最优控制模型, 实现了提升机承载智能调控, 有效避免了提升机超载、二次装载等提升事故。

参考文献

[1]中华人民共和国能源部.煤矿安全规程[M].山西科学技术出版社, 2006.

[2]于励民, 仵自连.矿山固定设备选型使用手册[S].北京:煤炭工业出版社, 2007.

[3]陈维健, 齐秀丽, 肖林京, 张开如.矿山运输与提升设备[M].徐州:中国矿业大学出版, 2011.

浅谈幼儿园实时在线监控系统 篇2

1 幼儿园实时在线监控系统

实时在线监控系统,多用于一些设备信号的监测或一些环境参数的监测,并有着较为成熟的技术经验。本文将实时在线监控系统作为幼儿园建设过程中视频监控的一部分,使其满足孩子家长对孩子成长环境的实时监控需求,也对幼儿园教育起着监督的作用。

2 系统组成

幼儿园实时在线监控系统在安防监控系统的基础上,运用网络数据资源,将监控信息传输到网络服务器上并存储到数据库中。用户(家长)通过终端设备(智能手机、平板、电脑)来访问该服务器并获取实时数据信息,也可以从数据库中调出想要获取的数据信息。

如图1所示,幼儿园实时在线监控系统有三个重要的组成部分:(1)整体的系统架构;(2)终端与服务器的网络连接;(3)数据库。

2.1 B/S网络架构

在整体的系统架构上选用的是近些年伴随Internet快速发展起来的B/S (Browser/Server,浏览器/服务器模式)网络架构,如图2所示。B/S结构是用户特别看重的一种网络形态。在Web浏览器流行之后就成为了一款较为重要的实用型浏览器形态。这种形态为简化系统的开发、维护和使用,使服务器完成了对中心组成的统一,还将客户端进行了集中管理。在用户机上简单地放置一个浏览器软件,如Internet Explorer或Netscape Navigator等数据库。利用Web Server,浏览器和数据库之间可以很方便地信息通信。如此就大大降低了用户端计算机承载,降低了每次对于系统进行修理、更新的预算和劳动力,节省了消费的开支。

2.2 ASP技术

在系统服务器设计ASP (Active Server Pages)动态服务器页面,用户在浏览器端访问ASP文件过程就是WWW响应http的请求,来调用ASP引擎对访问的文件进行解释,同时还能拥有对应的脚本引擎。ASP技术在动态网页开发中的使用相当广泛。ASP的特点如下:

(1)利用ASP可以对静态网页的一些限制功能实现突破;

(2)易于修改和测试,HTML代码所组成的文件中包含ASP文件;

(3) ASP所产生的网页可以用任何浏览器进行搜索,原因是服务器中的ASP内容能够在服务器上采用ASP方式,而且能够在用户浏览器中展现HTML模式;

(4) ASP提供了一些可以让服务器端脚本功能更强的内置对象;

(5) ASP能够通过服务器端ActiveX组件来完成各种各样的任务;

(6)用户没有知晓ASP原代码的权限,这样能够防范ASP源代码的丢失或被偷。

(7)能够便捷的联系Access和SQL数据库;

(8)为防止留出漏洞让骇客利用进行注入攻击,开发需要具备丰富的经验。

ASP主要是可以使包含在HTML页面内的脚本语言运行的一种环境,其自身并不是脚本语言,把ASP程序文件放在服务器的wwwroot文件夹下,搭建好IIS环境,就可以通过浏览器来访问。

在ASP网页的创建完成之后,要运行ASP网页,必须在计算机上把信息服务器IIS配置好,使其可以对ASP进行对应的解析,之所以把制作的网站内容上传到网络的服务器就能立即浏览,是因为服务器已经事先安装了IIS。也就是说,ASP网页存储在服务器中,由IIS负责运行。服务器是指面向网络用户提供各种服务的电脑,这些服务包括:网站存储与运行服务、使用FTP方式的数据上传与下载服务、邮箱管理与邮件收发服务等。这些服务都是由IIS提供并进行管理的。此外,服务器安装的系统与个人PC相比,其最大的不同之处就在于具有极强的网络交互能力,如Windows Server 2008等。在如图3所示的流程中,可以看到服务器是如何处理客户端浏览请求的。首先客户端通过浏览器向服务器发出访问请求,服务器查找客户端要求访问的网页是否存在。如果不存在,则反馈相应的错误信息到客户端浏览器窗口中;如果存在,则检查网页代码中是否包含程序代码。如果包括,则调用ASP.dll进行编译并生成最终内容,然后输出到客户端浏览器窗口中;如果不包括,则直接将网页内容输出到客户端的浏览器窗口。对于包含程序代码的ASP网页,必须由IIS进行编译后才能向客户端的浏览器中输出内容。

2.3 SQL Server 2008数据库

SQL Server 2008是微软旗下的产品,功能强大,比较适合中型系统的后台数据存储和管理。在数据库中,各表的管理与关联关系容易建立,同时在数据的安全性和移植性方面也有特色。SQL Server2008具备一定的智能性,可以集成多种数据,具有能够扩充的数据仓库,具有分析功能。另外还具备资源监控和分区表进行、数据压缩和备份等功能。对于各种数据管理和信息系统的数据存储,有一定的优势和特性。数据库种类比较多,各种数据库都有自己的特点,结合集中供热应急模拟演练系统的特点以及用户对象的需求,综合考虑数据量以及安全性、开放性和经济性价比等特点。结合调研比较,根据此系统的功能需求分析,后台数据选用微软公司的SQL Server2008数据库作为存储工具。

3 系统展示

搭建好整个系统,经调试,部分界面展示如图4、图5所示。家长通过授权的账号密码对服务器进行访问,选择想要浏览的摄像头。幼儿园内摄像头依据位置不同进行编号,家长在选择时更具有针对性。

4 结束语

实时在线监控系统在幼儿园教育上的应用不止于此,随着现代互联网+时代的到来,我们也可以开发出移动端APP和PC端服务器,将实时监控或是家长的其他需求通过网络得以实现,这些还需我们进一步去思考。

参考文献

[1]乔少杰,杨燕,葛永明,张翠芳,戴奇.基于B/S架构的多用户在线程序评判系统设计与实现[J].计算机工程与科学,2011

[2]郭郑州,陈军红等.SQL Server 2008完全学习手册[M].清华大学出版社,2011

[3]洪芸.现代幼儿园建筑空间探析[J].工业建筑,2013

在线实时智能监控 篇3

近些年来,全球气候的逐渐变暖对全世界的自然环境、社会经济和国家安全等方面产生了重大的影响。在这样的背景下,很多国家都在致力于研究如何度量气候变化对人类生存环境带来的这些影响。通过分析光经过红外傅里叶变换光谱仪产生的干涉条纹即可得到大气精细成分分析报告[1]。

摆臂控制系统作为红外光谱仪的核心部件,是实现红外干涉以及系统采样的关键所在,它根据系统光谱分辨率的要求,控制音圈电机带动摆臂在一定的角度内循环摆动,摆动过程中采集激光系统反馈的脉冲信号,构成闭环调节系统,使得光学系统的光程差达到匀速。摆臂受控运行的稳定性直接关系到光谱仪的最大分辨率,以及光谱的有效性。在系统初期的调试过程中,存在着如下困难:(1) 为了满足系统光谱分辨率的要求,下位机数据产生周期必须非常短(微秒级),导致通信时数据量很大,在没有专用软件的条件下,上位机无法实时显示,实时通信时会丢掉很大一部分数据;(2) 系统控制模式及参数配置等需全手动操作,使得参数镇定困难、效率低而且容易出错;(3) 关键性能指标(如系统稳定度)计算繁琐且不够直观等。

摆臂的在线实时监控系统正是为了解决上述问题而设计的,通过建立上位机与摆臂控制电路的通信链路,在上位机实现系统的实时监控:(1) 采用多线程的方法解决系统实时性及大量数据处理的相关问题;(2) 设计图形显示相关类来直观显示系统运行状况;(3) 将各种情况下的配置集成到系统中,方便人机交互;(4) 实时计算并显示系统关键性能指标等;(5) 系统还设计了相应的非实时模式,用来监视那些无法实时监控的数据。

在以PC机或者工控机为核心的监控系统中,串口通信是上位机与下位机常用的通信手段之一,它具有开发简单、通信可靠等优点。本文设计并实现了一种红外光谱仪摆臂的在线实时监控系统,重点介绍了在Win32环境下使用Visual C++多线程串口类开发相应上位机监控软件的设计及实现过程。

1监控系统总体设计

红外光谱仪摆臂的在线实时监控系统包括上位机和下位机两部分,其被控对象为一台固定在摆臂上的音圈电机。其系统结构示意图如图1所示。

上位机监视软件是一个在Windows环境下由Visual C++设计并实现的人机交互界面;下位机部分为摆臂系统主控电路板的一部分,它主要配合整个监控系统通过串口进行数据收发,其主控芯片为TI公司的TMS320LF2407;而系统被控对象为安置在摆臂上的音圈电机。

上位机监视软件为本监控系统的主体部分,它主要包括如下功能:(1) 与下位机进行通信功能:上位机向下位机配置各种控制模式及调节器参数等,下位机向上位机回送相应数据;(2) 信号的分析处理功能:分析采集到的数据,对几个关键的性能指标进行实时的分析;(3) 存储功能:可根据采集数据的不同类型存储相应的原始数据,也可存储界面上的波形图像;(4) 数据与图形显示功能:可以根据用户设置的显示类型,显示周期等能对系统几个关键的指标进行实时的监视。也能通过读取关键中间变量的数据并显示波形以帮助调试。

2监控系统的串口实时通信设计

监控系统通过串口进行上下位机之间的通信,上位机软件需要通过处理下位机上传的数据来实时监视系统的运行状况。

2.1Win32环境下串口通信多线程编程方法及设计

Windows环境下编程的一大特征是设备无关性,通过设备驱动程序可将Windows应用程序与不同的外部设备隔离。Win32中把其提供的串行口看作是由文件系统访问的设备,通过使用Win32中相应的文件I/O函数与通信函数,可以进行规范的串口通信编程[3]。

Win32环境下进行串口通信编程一般有三种方法[2,3]:(1) 采用ActiveX控件;(2) 采用Win32 API;(3) 采用第三方提供的类库函数。本上位机软件采用由Remon Spekreijse提供的串口类CSerialPort并进行了相应的改进,使用它可以很轻松地搭好串口通信框架,快速地进行串口通信编程。

在进行串口通信编程时,如果将串口通信部分与数据处理等部分划分在同一个线程中,当要传送或接收的数据量很大时,数据处理部分就会和通信部分抢占CPU时间,导致系统实时响应困难。使用多线程设计方法能解决这些冲突,保证系统的实时性。Win32支持多进程及多线程,CPU以线程为调度单位,不停地在线程之间切换,轮流执行。CSerialPort类正是基于多线程的,其提供的多线程环境为实现实时串口通信提供了一个很好的解决办法,该类具有简单的接口,使用重叠I/O方式实现,不会导致线程阻塞[4]。

为了保证串口通信的准确性、实时性以及系统时间的合理利用,根据系统功能及任务的划分,将本监控系统上位机软件分为三个线程:主线程、串口通信线程和数据处理线程。线程间的关系如图2所示。

其中,主线程主要完成主监视界面和调试界面的生成、数据校验及打包、人机交互等;串口通信线程主要完成串口数据的接收与发送;数据处理线程主要完成图形的绘制、数据的显示、性能参数的分析以及数据与图形的存储等。将耗时较高的两个任务放至两个辅助线程中,在主线程中调用这两个线程。其中,主线程到辅助线程的采用事件的通信方法,而辅助线程通过发送自定义的Windows消息的方法同主线程通信[5]。

多线程通信很重要的一个要求就是线程间的同步管理,Windows下提供了如下四种同步化机制:Critical Section、Semaphore、Event和Mutex。本上位机软件使用Critical Section变量来保证线程间的同步,以保护独占性的共享资源,保证对数据的读写不会冲突。

2.2监控系统下位机串口通信设计

下位机的串口通信主要分三大部分:串口数据接收、串口数据发送以及数据存储。将串口通信部分较为耗时的校验、解析与打包等部分放在主循环中,而发送与接收由中断处理,具体设计如下:

(1) 串口数据接收部分

接收中断及其相关中断服务程序、数据接收、数据校验、指令解析参数设置及状态设置。

(2) 串口数据发送部分

发送中断及其相关的中断服务程序、数据格式转换、数据校验、数据发送设置及数据发送。

(3) 控制系统数据存储部分

在控制算法一个调节周期结束后,对实时与非实时数据分别采取片内RAM存储与片外RAM存储。实时数据存储时,考虑到系统产生数据的速度相对于实时发送数据的速度要快许多,对该片内RAM开辟四个缓冲区,保证通信的实时性。

2.3通信实时性分析及通信协议的制定

使用RS232接口进行串口通信的最大波特率为115200bit/s,即每ms可以传输的数据大约为14个字节。而需要实时传输的速度、电流数据按ASCII码传输各占4个字节。由于下位机速度环每0.4ms产生一个新数据,单独传送速度或者电流,则每ms需传送10个字节。由上述分析可知,单独传输速度与电流数据能保证实时性。

为确保串口通信的可靠性,需要按照一定的通信协议对设备来进行编程。本调试系统在分析通信实时性的基础上制定了如下的帧格式。

(1) 典型通信包帧格式

系统上行和下行通信包帧格式可以统一为图3所示的典型通信包帧格式,它包括起始位、数据位、校验位和结束位。其中数据位根据不同帧类型具有不同的长度,起始位始终为0x24,结束位始终为0x0D。

下行通信包帧信息包括控制模式、调节器参数以及上行数据类型,比如控制模式帧数据位占三个字节,第一个字节表示控制模式的类型,而后两个字节则表示控制模式参数的大小。

上行通信包信息帧长度始终为52个字节,其中数据位占用48个字节(所有上行数据长度的最小公倍数),它根据上行数据类型的不同而不同,比如上行的数据为速度信息,则这48个字节代表每帧有12个速度数据,每个数据占用四个字节。

(2) 下位机校验结果回复帧格式

下位机校验结果回复帧包括下位机校验正确回复帧和下位机校验错误回复帧,每帧占两个字节。第一个字节为0x06(正确帧)或0x15(错误帧),第二个字节始终为0x0D。

3监控系统的实现

红外光谱仪摆臂的在线实时监控系统包括上位机和下位机两部分,上位机监视软件是在Windows环境下由Visual C++实现的人机交互界面,这是整个监控系统的主体部分;下位机部分主要配合整个监控系统通过串口进行数据收发,它通过对主控芯片TMS320LF2407进行汇编编程实现。

3.1系统实时监控界面

系统实时监视界面在上位机实现,主要包括下位机控制模式的配置、数据与图形的实时监视和性能指标的实时显示等功能。

从图4可以看出,本上位机监控界面实现了设计的所有功能:能直观显示系统的实时运行状况;能方便地对下位机进行相应配置;能实时显示系统关键性能指标;能对数据与图形进行实时保存;能对系统实时运行状况进行不同周期下的显示;能方便进行模式的切换等等。其中,设置两个监控界面的目的是为了对系统最为关键的两个指标(速度与电流)进行同时监控,方便实时了解系统运行状况。

另外,上位机监视软件还可运行在非实时模式,非实时模式在调试界面下实现。它可以配置下位机需要的调节器参数以及监视一些非实时的中间变量,同时,调试模式下还包括了相应的通用串口通信功能,方便系统调试。

3.2监控系统上位机实现

本上位机监视软件是Visual C++ 6.0环境下基于对话框实现的界面程序,它可分为串口通信、数据处理、主监控与调试四个模块。根据各模块来进行上位机软件程序设计,其关键技术主要包括实时通信与数据处理,系统软件流程图如图5所示。

3.2.1 串口通信的实时性实现

(1) 通信协议相关实现

通信数据的主体部分为上行的数据包,主线程中先对上行的数据包进行校验,校验错误则丢弃相应数据包。而如果校验正确,则根据上行数据类型的不同,在上位机定义相应的结构进行接收。例如,对速度或电流数据,定义了如下结构:

主线程将接收到的上行数据打包进入RECDATA结构中,作为链表的一个节点进行后续数据处理操作。

(2) 多线程实现

从前文可知系统划分为三个线程:主线程、串口通信线程以及数据处理线程。串口通信线程包括串口发送、串口接收和串口关闭这三个事件,其中,串口发送与关闭事件在主线程中通过相应按钮动作进行触发;串口接收则通过相应通信事件进行触发。数据处理线程包括启动数据处理和关闭数据处理这两个事件,其中启动数据处理事件在主线程数据预处理完成后相应触发。

主线程到辅助线程的采用事件的通信方法,而辅助线程通过自定义消息同主线程通信。辅助线程在创建时即被挂起,等待相应事件的触发,此时它不消耗CPU任何时间。

串口通信线程的优先级要高于数据处理线程,以保证数据通信的实时性。而数据处理部分在满足通信实时性的前提下,通过链表会有一个相应的缓冲,这就在保证实时性的同时又保证了数据的准确性。

3.2.2 数据处理部分的相关实现

数据处理又包括数据显示、图形显示以及数据存储等部分。监控系统上位机软件顶层数据流图如图6所示。

上行数据在经过主线程的校验、打包等预处理后存入链表中,然后触发相应数据处理事件,使得挂起的数据处理线程开始动作。数据处理时,依次读取链表节点,进行相应数据与图形显示,数据存储以及相应系统关键性能指标的计算与显示。

(1) 过程曲线显示实现

过程曲线的显示通过编写相应绘图类实现。绘图时采用双缓冲方法,把要显示的图形先在内存中绘制好,然后再一次性的将内存中的图形覆盖到屏幕上,这样可以防止屏幕闪烁。其中,使用失效矩形方法使相应区域失效,并对界面进行定时刷新。另外,绘图类基于系统实时显示的要求设计了多种显示周期,对于需要看细节的,在界面上显示每一个数据点;而对于要求看整体的,则采取多个数据中取一个数据进行显示。这样既保证了数据的准确性,又保证了系统的实时响应速度

(2) 数据显示实现

在监视界面编辑框上显示相应数据,每显示完一屏数据立即清除,重新开始显示。

(3) 数据储存相关实现

数据处理线程将接收到的原始数据以文件形式存储在上位机PC中,存储时以数据类型加存储起始时间为文件名进行追加存储,可以通过监视界面上相应复选框来选择是否要进行数据的存储。

3.3监控系统下位机串口通信实现

监控系统下位机采用TI公司提供的CCS编译器对主控芯片TMS320LF2407进行汇编编程。程序实现时首先在主循环内判断是否接收完一帧数据,从而确定程序是否进入数据校验与解析分支;接着判断发送缓冲区中数据是否发送完成,决定是否进入数据发送打包分支。而接收与发送则由SCI中断处理,每次处理一个字节。

数据接收通过接收中断实现,当接收到帧头时,复位接收缓冲区指针和数据接收计数器,并存储数据值至接收缓冲区;接着每接收一个字节数据,接收缓冲区指针和数据接收计数器值自动加1;当接收到帧尾时,接收缓冲区指针和数据接收计数器不再自加,完成一帧数据的接收,此时,置相应标志并复位接收缓冲区指针。

数据发送通过发送中断实现,在主循环中循环判断发送缓冲区中的数据是否发送完成,一旦发送完,根据发送标志值的不同,从不同的数据源读取相应数据经格式转换后计算相应校验和并进行打包,同时初始化要发送的数据长度,触发发送中断进行逐个字节循环发送。

4结语

本文针对红外光谱仪摆臂系统调试中遇到的各种困难以及控制系统实时性对实时性及大量数据处理的相关要求,设计并实现了一种摆臂系统的在线实时监控系统,并重点介绍了在Win32环境下使用多线程串口类实现的上位机监视软件。该系统很好地满足了控制系统的监控与调试要求并且已经成功地应用于摆臂控制系统的调试,同时,上位机监控部分各模块具有很强的通用性,可方便地移植到其他系统。

参考文献

[1]顾聚兴.用于大气化学实验的傅里叶变换光谱仪的设计(上)[J].红外月刊,2004(10):40-45.

[2]龚建伟,熊光明.Visual C++/Turbo C串口通信编程实践[M].2版.北京:电子工业出版社,2007:16-17.

[3]姚国春,陈寿孙,杨卫列,等.多线程串口类在微型涡轮机控制中应用[J].计算机应用与软件,2007,24(12):67-68.

[4]龙飞,李晓帆,蔡志开,等.一个利用多线程及重叠I/O实现的串口通信类[J].微机发展,2004,14(3):50-51.

在线实时智能监控 篇4

矿井地面变电所担负矿井全部供电负荷,属一类负荷,它的正常运转与否直接关系矿井人员的生命安全和煤矿正常生产。温度是考证一次设备正常运行的一个重要参数,设备严重超负荷运行、触点氧化等原因造成压接不紧、压力不够、触头接触部分发生变化、最终导致接触电阻增大,在大电流通过时,温度升高,从而引起设备老化,绝缘下降,严重的还能触发电弧短路,烧坏设备,扩大设备损坏范围,降低设备使用寿命,尤其是隔离刀闸的动、静触头部分更加严重,故障率高,这些都时时刻刻威胁电力设备的安全运行。因此对电力设备接触部位温升故障点的运行状态进行实时追踪监测,可以有效防止此类事故的发生,确保矿井安全供电。

1 电气设备常用检测温度的方法

通常检测电力设备温度的方法分为接触式测量和非接触式测量,具体有以下几种:(1)热像仪或点温仪测温:定期用热像仪或点温仪对设备进行检测,不能实现实时监测和及时告警,会造成设备测温不准的现象发生。(2)光纤有线测温:是用光纤传导的方式进行温度监测,由于光纤要和感温一起紧贴在被测物体表面,而被测物体的表面都是高压部分,这样对光纤的本身和使用的环境要求很严格,光纤本身的绝缘要老化,安装不方便,总之使用光纤有线测温对电力设备的安全运行本身就存在安全隐患。(3)红外线测温:是通过红外线信号接收设备接收来自一次设备上的红外线信号来测量温度,这种方法测量的温度值误差较大,而且受到外界的环境的干扰影响较大。

2 智能无线实时温度在线监测系统原理

智能无线温度在线监测系统是根据电力系统运行的特点对电力设备接触点、刀闸动静触头、电缆头实现温度实时监测。将感温元件紧贴在被测物体的表面,它能真实地反映设备的实时温度,对运行设备没有任何影响。当设备的运行温度超过预设告警温度值时,系统自动告警,避免由于温度升高而引起设备故障,保证供电安全可靠运行。

根椐矿井电力设备分布特点,采用工控机无线温度监测系统,由高频无线温度采集单元、高频无线温度接收单元、数据传输单元、集成后台监控单元等组成,可同时处理600个电气接点温度的实时温度数据(每个温度发射模块具有独立的地址码)。

(1)智能无线温度传感器(温度采集单元)采集变电所开关柜动静触头、开关柜出线母排接点及电缆接头、变压器接头等电气接点温度,并进行处理、保存、发送。(2)接收模块收到温度、校验信息等数据后,通过RS485总线传输到后台监控,发射模块与接收模块采用超高频载波通信,发射与接收模块之间通讯距离最大为100m。(3)接收模块与后台监控通过有线方式连接,最远传输距离为10km。(4)后台监控处理单元将采集数据进行显示、处理、保存等操作,同时还具有无源报警讯号输出,进行报警、预警。

电脑的组网拓朴图如下:

3 智能无线实时温度在线监测系统结构

智能无线温度监测系统在物理上和功能上均采用分层分布式结构,保证了系统组态的灵活性和功能配置方便性。系统整体上分为采集层、收集层、监测层三层采集层与收集层之间采用无线通讯方式,收集层与监测层采用通讯网络线相连。系统还充分考虑了远传调度端,实现远端监测,其通过光纤通讯网PCM将数据传至调度端。

采集层的无线测温装置将感温元件采集到温度通过无线通讯的方式发送给收集层的无线接收管理终端,无线接收管理终端将各无线测温装置温度数据进行数据处理,处理后通过RS485及数据线传给监测层本地计算机,本地计算机同时经过光纤通道网转发给调度端监测计算机,计算机对数据进行管理,并定时存储于数据库,根据用户设置的周期对实时数据库中相应点进行记录,形成历史数据库,能够提供分、时、日曲线显示,报表打印,记录温度越线时间及数值等,发出告警信号。

4 智能无线实时温度在线监测系统功能

电力设备及线路接点温度无线实时监测系统是一个基于超高频无线通信、CAN(或RS485)现场总线、以太网相结合的分层分布式实时监测系统,实现对地面电力设备、电力线路电气接点温度的在线监测。系统功能简介如下:(1)现场通过工控机,采集、监测地面变电所高压系统所有开关柜手车接点、母排接头、主变接头、电缆搭接头温度状况。通过浏览其的显示界面,运行人员可直观方便地观察各个电气接点当前温度数据、历史报警事件记录及其变化曲线等数据信息。(2)系统设置预防报警和事故报警两级报警功能,并可现场设定警戒值,在温度超过预警线时系统发出声、光报警,进行报警提示。(3)通过查询系统的后台电脑,管理人员可直观方便浏览地面电力设备危险温度电子分布图、实时温度值、温度变化曲线,在电子地图界面,值勤人员可快速方便的查找到报警点位置。(4)通过查询系统历史温度记录表及其变化曲线,值班人员可很容易地对本电力线路及设备的所有接点温度进行分析,预测温度变化趋势。(5)报警方式详述:a.预防报警。超过一定的温度值,需要提醒值班人员,此时仍可继续运行;温度上升过快;和室温相差过大,报警输出:报警灯亮,报警接点动作;相间温差过大。b.事故报警。超过一定的温度值或温升速率超过一定值(默认设置为8℃/5min),严重影响到正常操作,报警灯亮,报警接点动作。

5 智能无线实时温度在线监测系统特点

电力设备及线路接点温度无线实时监测系统是基于无线数据采集、现场数据处理、高速实时数据传输的网络系统。具有以下特点:(1)先进性:系统采取无线射频技术,采用接触式的温度采集和无线数据取样,实现绝对的电气隔离。(2)实时性:对变电所开关柜的动静触头、母排接点、变压器电缆接点、电缆沟中的电缆及其接头、架空线路及其接头温度进行实时采样、无线数据传输、现场数据处理,由通信主机上传到数据监控中心。(3)开放性:所有数据传输协议都采用国际标准,采用485总线或CAN总线进行数据通信,为未来系统功能升级、扩充提供了技术基础。(4)易于扩展性:提供相应的数据接口与通信接口,485总线通信采用MODBUS协议,CAN总线采用iCan协议,单位内部采用以太网的TCP/IP通信。(5)可靠性设计:采用军工级要求进行设备的生产与测试,具有防雷、防火、防爆、防潮的特点。

6 结束语

智能无线实时温度监测系统和其它传统电力设备温度检测方法相比,它具有实时、准确、快速等优越性,为及时发现温度异变电气设备,消除故障点,保证变电所安全供电提供了时间保障,在广大电力设备地面变电所有着非常广阔的应用前景。

摘要：介绍了智能无线实时温度在线监测系统的原理、结构、功能、特点。该系统对电力设备接触部位温度进行实时追踪监测,可以有效防止设备超负荷运行引发的电气事故,确保了矿井安全供电。

在线实时智能监控 篇5

标签进入磁场后, 接收解读器发出的射频信号, 凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息 (Passive Tag, 无源标签或被动标签) [1], 或者由标签主动发送某一频率的信号 (Active Tag, 有源标签或主动标签) , 解读器读取信息并解码后, 送至中央信息系统进行有关数据处理。

一套完整的RFID系统, 是由阅读器 (Reader) 与电子标签 (TAG) 也就是所谓的应答器 (Transponder) 及应用软件系统三个部份所组成, 其工作原理是Reader发射一特定频率的无线电波能量给Transponder[2], 用以驱动Transponder电路将内部的数据送出, 此时Reader便依序接收解读数据, 送给应用程序做相应的处理。

以RFID卡片阅读器及电子标签之间的通讯及能量感应方式来看大致上可以分成:感应耦合 (Inductive Coupling) 及后向散射耦合 (Backscatter Coupling) [3]两种。一般低频的RFID大都采用第一种方式, 而较高频大多采用第二种方式。

阅读器根据使用的结构和技术不同可以是读或读/写装置, 是RFID系统信息控制和处理中心[4]。阅读器通常由耦合模块、收发模块、控制模块和接口单元组成。阅读器和应答器之间一般采用半双工通信方式进行信息交换, 同时阅读器通过耦合给无源应答器提供能量和时序。在实际应用中, 可进一步通过Ethernet或WLAN等实现对物体识别信息的采集、处理及远程传送等管理功能[5]。应答器是RFID系统的信息载体, 目前应答器大多是由耦合原件 (线圈、微带天线等) 和微芯片组成无源单元。

2 博物馆的展品实时监控系统的架构设计

2.1 基于RFID博物馆的展品实时监控系统的整体架构

2.2 基于RFID博物馆的展品实时监控系统的整体架构详解

2.2.1 定位服务

定位服务的主要作用是向读写器发送操作命令, 并且对读写器返回的标签数据进行处理并存入数据库。正常工作状态时, 定位服务不断向读写器发送命令, 读写器以遍历的方式逐个打开模块平板天线获取数据。当客户查询端发送导航命令时, 读写器停止遍历, 打开所在层的灯光, 显示给查询者, 导航结束后, 灯光停止闪烁。重新遍历读写器。

2.2.2 导航服务

导航服务的主要作用是当客户端发送导航请求时, 将导航数据发送给客户端。导航数据主要由包含路径的图片组成。这些图片将以动态的方式展示给用户如何找到所查展品。

2.2.3 读写器与天线

读写器与架位更新服务是网口连接, 读写器接受架位更新服务的命令, 并作出相应的操作。读写器最多可以连接64个模块, 但每次只能打开一个。读写器打开模块后接收数据并且传送到定位服务。

2.2.4 前台客户查询端

前台客户端查询的主要作用是让参观者可以很方便地找到所有参观的展品, 并显示导航的路径。主要工作方式有两种, 一种是读者可以根据展位查询, 读者在整体平面图上选择所要查询的展位, 并进入导航模块。导航模块以动画的方式显示所要的查询路径。第二种工作方式是参观者在输入框中写入自己所要查询的展品名称或者相关信息, 点击确认后, 界面会显示出所有符合条件的展品, 然后进行导航。

2.2.5 后台管理员管理端

后台管理员管理端主要包括展品定位, 报表查询, 以及一些统计功能。

2.2.6 报警信息

报警信息是在物品达到指定的时间内, 读写器没有读到其所在标签时发出报警, 可以通过音频信号驱动扬声器, 也可以发送短信给管理员。

3 基于RFID博物馆的展品实时监控系统的软件设计

3.1 参观客户端

3.1.1 首页模块

首页模块有展品查询功能按钮与展位查询功能按钮, 参观者点击相应的按钮就可跳至相关的界面。

3.1.2 展品查询模块

展品查询选项的主要功能给参观者通过触摸屏手写器输入想要查询的展品, 可以选择展品种类、年代、展品名等进行查询, 读者也可以在此页面自由地返回主界面。

3.1.3 展位查询模块

展位查询模块主要是根据读者点击平面图中的具体展位后, 让后界面进入查询结果模块。

3.1.4 查询结果模块

查询结果模块的主要功能是将展品查询模块或者展位查询模块的查询结果显示出来。参观者可以根据结果选择是否要动态导航。

3.1.5 导航模块

导航模块。该模块的主要功能是通过动漫的方式显示参观者从查询端到展品所在的位置所要走完的具体路径。同时该模块也会通过向读写器发送命令点亮具体架位模块的灯光, 并让灯光闪烁, 直到结束导航。

3.2 管理员端

3.2.1 展品定位

管理员需要在展品初次放入天线时给展品进行原始位置的定位, 这是展品报警信息的比较位置, 如果展品发生位移, 或者与原始位置有差别将会发生报警。同样如果馆方需要改变展品的位置也要通过此功能重新定位。

3.2.2 展品信息盘点

管理员可以在任意时间对所有的展品进行一次盘点, 盘点后管理员端将收到所有展品的位置信息。

3.2.3 报警信息设置

管理员可以通过此功能设置报警的阀值, 并且可以设置报警方式, 或者短信发送给任一管理员, 也可以取消误报。

3.2.4 统计报表

统计报表可以显示前台客户查询时的所有信息, 可以统计各个类别的展品查询排名。

参考文献

[1]刘岩编著.RFID通信测试技术及应用[M].北京:人民邮电出版社, 2010

[2]蔡孟欣.图书馆RFID研究[M].北京:国家图书馆出版社, 2010

[3]廖国琼.RFID实时中间件技术[M].成都:西南交通大学出版社, 2010

[4][美]Nagel著, 李铭译.C#高级编程 (第6版) [M].北京:清华大学车出版社, 2008

在线实时智能监控 篇6

智能车又称轮式机器人,是集传感器、计算机、自动控制、通信以及机械等技术于一身的综合系统[1]。在智能车的设计和制作过程中,控制算法调试是一个极其重要而又关键的环节,面临着许多急需解决的问题:智能车能否按照事先设计的思路运行;控制策略是否符合实际需求;运行中出现问题时,智能车的各项实时参数是什么。针对这些问题,许多学者提出了基于仿真的解决方案。有学者提出基于参数化的机械系统几何模型,使用拉格朗日方法建立系统动力学方程,来对虚拟机械系统进行动力学分析[2]。但由于车辆机械结构的复杂性,这种建模和仿真方式过于繁琐,影响了仿真和研究的效率。清华大学针对全国大学生智能车竞赛开发的Plastid仿真平台,其动力学模型虽然较为简单[3],但该模型是一种理想化的模型,对于影响智能车运行状况的一些参数的考虑较少,例如小车与路面之间的摩擦系数、小车的机械性能等因素,因而仿真结果与实际存在一定差距。有学者提出一种智能车硬件在环仿真系统,该仿真系统发挥了硬件在环的长处[4]。但该软件仍以虚拟仿真平台LabVIEW为基础,控制算法的分析和决策在上位机上运行,脱离了车模实体的软件运行环境,其仿真结果与实际也存在一定的差距,因此其应用有相当的局限性。

笔者设计了一种基于无线通信技术的智能车运行状态实时监控系统。该系统以车模为实验主体,车载控制器完成智能车的数据采集、分析、决策等。上位机通过无线通信技术获得车模的各项运行参数,监控车模的运行状态。

1 系统总体设计

1.1 Zigbee技术分析

Zigbee技术是一种近距离、低功率、低成本的双向无线通信技术[5,6],工作频段为全球通用频段2.4 GHz,数据传输速率为10~250 kbit/s,免执照。Zigbee协议由应用层、网络层、数据链路层和物理层组成,其中物理层和链路层遵循IEEE802.15.4协议。一个Zigbee网络支持255个设备;采用先进的AES128加密算法,提供数据完整性检查;具有载波侦听多路访问、冲突检测(CSMA/CA)方式,有很好的兼容性。Zigbee定义了3种类型的节点设备,分别是协调器、路由设备(FFD)和终端设备(RFD)。Zigbee网络由这3种设备组成,但必须包括1个协调器,而且只能有1个协调器。协调器是整个网络的中心,它负责网络的组建、网络节点的管理、网络节点信息的储存,寻找节点之间的路由消息,不断地接收信息。路由设备也担当着协调器的作用,负责其他的路由器或终端设备入网,拓展网络范围;终端设备是实现具体功能的单元[7]。Zigbee网络可以实现星型、树型和网状型多种拓扑结构。

赫立讯公司的IP-Link产品是集射频收发器、微处理器、多拓扑网络功能于一体的无线通信模块[8]。IP-Link1200模块内含AVR微处理器,符合开放IEEE802.15.4协议的2.4 GHz免执照ISM频段的射频收发器,可以组成任意的网络拓朴。因此,IP-Link1200是一款完全满足智能车测控系统要求的无线通信模块。

1.2 监控系统的组成结构

为了能对多个智能车的运行状态实行在线监控,系统采用星形拓扑结构。该系统的网络节点分为协调器节点和终端节点,其中协调器与上位机相连,终端节点嵌入智能车。

上位机(即PC机)与下位机(智能车)采用无线通信。下位机采集智能车的行驶速度以及路况信息,判断智能车的行驶方向,并计算出下一步的行动数据。同时,下位机将采集的各项数据以及下一步的行动数据发给上位机,使得调试人员可以在上位机上观察小车当前的行驶参数以及对应的小车行驶状态。因此,上位机与下位机之间的通信方式是上位机首先向下位机发送通信指令,然后接收下位机发送来的小车运行状态信息。上位机对信息保存、显示、修正,并将修正的参数发送到下位机。

2 系统硬件设计

智能车以MC9S12XS128单片机为主控芯片,该芯片拥有丰富的内部资源[9,10]。利用单片机的脉宽调制模块对智能车的舵机和电机进行驱动,2路PWM通道作为舵机角度控制,1路PWM通道用于电机的转速控制;利用单片机的捕捉定时功能和A/D转换模块采集道路信号。单片机与IP-Link1200的连接比较简单方便。IP-Link1200的RXD可直接与单片机的SCI串行口发送端TXD相连接,TXD与单片机串行口接收端RXD相连接,RESET端接单片机的PE1口,通过PE1初始化IP-Link1200,即通过PE1输出10 ms的负脉冲。下位机电路图如图1所示。

IP-Link1200与PC相连接时必须经过电平转换,将TTL电平转换为RS-232C电平,用1片MAX232芯片便可以完成该转换。IP-Link1200的RESET端接在复位电路上,该电路在上电时使IP-Link1200复位或按RST按钮使IP-Link1200复位。上位机电路图如图2所示。

3 系统软件设计

3.1 通信协议

本系统中上位机与智能车之间采用全双工通信。无线网络采用星状网络拓扑结构。与上位机相连的IP-Link1200为协调器节点,与各个智能车相连的IP-Link1200为终端节点。无线网络中各个终端节点的节点号即为智能车的标识号。

通信协议的定义能够确保收发数据的正确率。实验证明,2个AAH后跟1个55H在数据中出现的概率小,因此,用2个AAH后跟1个55H作为1个数据包的起始标志。当发送数据时,在数据包前加上起始标志。当接收方收到1个数据包,首先检验前3位是否是起始标志,若是,则继续接收数据包,否则,放弃接收。命令码是上位机向下位机发出的指令,占1 byte。其中低4位是操作代号,用“0”表示上位机需要读取下位机中的数据;用“1”表示上位机需要向下位机中写入数据。高4位是指令代号,表示上位机需要读/写下位机的哪组数据,例如舵机参数、路况参数、速度参数等。数据长度位,表示数据包中数据的个数。数据的纠错处理采用CRC校验方式。

3.2 通信模块设计

通信系统的软件主要有两部分,一是上位机从串口接收和发送数据,二是智能车在MC9S12XS128单片机的控制下从IP-Link1200接收和发送数据。通信子程序在系统启动时设置串行口的波特率为38 400 baud,并通过IP-Link1200给通信网络中的各个子节点发送控制消息,查看各个节点是否连接正常。智能车中的通信子程序,上电时设置串行口的波特率为38 400 baud,设置无线网络中各个终端节点的节点号为智能车的标识号,设置IP-Link1200的网络拓扑结构为星型、传输波特率为38 400 baud、信道为11等。Zigbee网络的建立是由与上位机相连的协调器发起的。首先,协调器进行扫描搜索,发现一个未用的最佳信道来建立网络,然后再扫描搜索发现新的终端节点将其加入到这个网络中。

3.3 下位机软件设计

在上位机与上位机的通信中,上位机处于主动地位,下位机处于从属地位。当下位机没有收到上位机的通信指令时,小车就不断地采集前方的道路信息,提取引导线,采集小车行驶速度,生成控制参数,控制着小车沿引导线前进。当小车收到上位机的通信指令时,首先判断指令类型。若是上位机向下位机发来的修正数据包,下位机接收数据并修改运行参数;若是上位机要求下位机传送小车运行参数的指令,下位机立即将发送类型字打包并上传。

3.4 上位机软件设计

上位机软件采用VB语言来编写,基于Windows的窗口化程序设计MFC,使人机界面生动直观,操作简单[11,12]。上位机完成的主要功能是负责一次通信的发起,选择需要采集的参数组,将接收到的数据存储、显示,并对参数进行修正。它的功能模块分为主控模块、通信模块、数据库管理模块。主控模块由数据接收子模块、显示子模块和参数修正子模块组成。数据接收子模块由图像信息子项、舵机相关参数子项、PID参数子项组成;参数修正子模块完成对舵机转角参数和PID算法中各因子的修正,当参数修正完成,立即执行发送参数修正命令,以此修改下位机的相应参数。

4 实验及分析

应用本系统对智能车进行调试,能够及时获得智能车运行的各项参数,能够及时观察到智能车在给定参数控制下的运行状态。同时,通过修改相应参数,调整智能车的运行状态,使智能车的运行状态达到最佳状态。图3是智能车运行时电机控制的各项参数。在上位机上可以观察智能车在同一路段运行时,PID各项因子的变化对智能车运行状态的影响,通过不断调整各项因子,使智能车在同一路段的运行状态达到最佳。

5 结论

本文应用Zigbee无线通信模块设计并实现了智能车运行状态实时监控系统。该系统能够及时获得智能车运行时的各项参数,及时观察到参数的变化对智能车运行状态的影响,使智能车的调试不再盲目,而是有的放矢。同时,也为控制算法的离线改进提供了有效的依据。

参考文献

[1]黄开胜,金华民,蒋狄南.韩国智能模型车技术方案分析[J].电子产品世界,2006(5):150-152.

[2]李军,邢俊文,覃文洁.ADAMS实例教程[M].北京:北京理工大学出版社,2002.

[3]蒋荻南,黄开胜.基于虚拟仪器技术的智能车仿真系统[J].电子产品世界,2006(2):132-134.

[4]方兴,杨明,彭新荣.智能车硬件在环仿真系统的设计与实现[J].华中科技大学学报:自然科学版,2008(S1):258-261.

[5]凌志浩,周怡,郑丽国.Zigbee无线通信技术及其应用研究[J].华东理工大学学报,2006,32(7):801-805.

[6]赵妍,岳炳良,高大伟.Zigbee无线解决方案网络层研究[J].计算机测量与控制,2007,15(5):689-691.

[7]Zigbee Alliance.Zigbee specification[EB/OL].[2011-01-21].http://www.Zigbee.org/en/spec_download,2007-02-07.

[8]刘晓燕,李孝安,段俊花,等.基于Zigbee的集控式足球机器人通信系统[J].计算机测量与控制,2007,15(6):740-744.

[9]杨玉君,陈佳品,程君实,等.基于行为的自主微小移动机器人智能体系结构研究[J].计算机工程与应用,2002,38(7):29-31.

[10]韩毅,杨天.基于HCS12单片机的智能寻迹模型车的设计与实现[J].计算机工程与设计,2008,29(18):4736-4739.

[11]邵贝贝.单片机嵌入式应用的在线开发方法[M].北京:清华大学出版社,2004.

在线实时智能监控 篇7

关键词：多Agent技术,冷链物流,智能监控系统

随着社会经济的高速发展以及现代生活、工作节奏的不断加快,人们的消费观念已经从传统的单一化向现代的多样化、快捷化转变。对时鲜产品的要求也越发严格,既要求产品卫生、营养且品种多样化,还要求产品具有新鲜、安全、快捷等特性。这就导致时鲜产品的物流方式发生重大的变革,冷链物流开始兴起并逐渐深入到时鲜产品的生产与运输过程中。目前,冷链物流问题是国内外广泛开展的前沿研究课题,是学术界、商业界的热点研究问题。国外学者结合欧美等发达国家冷链物流发展现状,指出现代冷链物流应以第三方物流为基础,以冷链物流各环节之间的协调为核心,建立高度协调运作的一体化冷链物流体系。国内学者分析了我国冷链物流起步阶段发展的特点,指出目前存在的问题表现在以下几方面:1)物流产品通过冷链流通的比例较低;2)冷链物流基础设施能力严重不足;3)冷链物流技术得不到广泛推广;4)第三方冷链物流企业发展滞后;5)冷链物流法律法规体系和标准体系不健全;6)缺乏政府引导和统一规划;7)冷链处在断链状态[1,2,3]。面对严峻的形势,如何一体化保障冷链产品质量成为我国面临的艰巨而紧迫的任务。其中,生鲜类冷链产品由于其保质期短、需求量大、储运技术性强等特点,决定了对其冷链物流运作过程中的质量安全问题特别关注的重要性。因此,应完善国内冷链物流的基础设施,从而真正实现从产品采集到销售的全程质量安全管理与有效监控。在冷链物流系统中应用Multi-Agent System技术,来实现对冷链物流各环节物流环境的监测与调控,这正是本文考虑的研究问题。本文研究一种基于MAS的冷链物流智能监控系统;第一部分阐述了MAS以及冷链物流的特点;第二部分阐述了MAS技术在冷链物流中的应用优势并构建了基于MAS的冷链物流智能监控系统结构,并分析了系统结构中各功能模块的组成及处理过程,以及论述了多智能体冷链物流监控系统的协调控制;最后给出结论。

1 Agent技术及冷链物流简介

1.1 Agent技术

从Agent技术产生到现在,一直没有一个明确的定义来描述Agent。麻省理工学院的研究者Minsky是最早提出Agent概念并应用在计算机领域的专家,他认为Agent是一个通过协商来处理复杂问题的个体。这一理论使得Agent技术有了更理性和明确的发展方向,为人工智能技术的研究奠定了理论基础[4]。目前虽然没有对Agent的统一的定义,但是通过对各专家对Agent的研究成果的总结可以将Agent的定义概括如下:Agent是以计算机软硬件为基础的,具有自主性、反应性、交互性、进化性、通信性、移动性等特点的智能实体。Agent实体能根据自身的知识储备和任务接受情况、对外界的信息收集能力、相关知识体系等特性来获得外部信息,然后通过逻辑分析、资源计算等手段来实现对问题的求解,并且依据结论作出适当的反馈,它具有极强的自我治理能力。

1.2 多Agent系统(MAS)

MAS(Multi-Agent System)是一个Agent的组合,其组成元素是多个具有不同功能的Agent个体。每个Agent拥有自己的职责,自身都具有丰富的知识和强大的功能,各个Agent之间相互独立、行为和目标不受其他Agent的限制,各个Agent之间相互协作共同完成任务的求解。MAS是在分布式人工智能的基础上产生的,所以通过MAS来解决的问题,基本上都是通过分布式问题求解方式进行的[4,5]。在MAS中,系统需要完成繁复的工作程序,这些工作程序主要包括任务的分配、目标的高度统一、冲突的识别和消解、建立其他Agent模型、通信管理、个体Agent推理等。一个多Agent系统通常为多范围的区域分布结构,每个Agent成员之间是相互对等的合作关系,不存在被控制或者是归属权关系。它们拥有自己的目标、意愿、行为,可以自主选择合作对象,接受或者拒绝任务。基于以上情形,当系统中有需要解决的问题时,Agent成员需要通过自己的推断学习能力和灵活运用已有知识的能力来解决系统遇到的问题。MAS系统的一般构造包括树形结构和非树形结构,例如星形结构、单线结构等等。MAS的应用领域非常广泛,随着Agent技术的快速发展,MAS已经应用于很多领域,用来解决许多工业、商业、娱乐和医疗中的实际问题。

1.3 冷链物流

冷链物流是指在产品(主要为生鲜产品、药品、冷藏冷冻产品以及对环境条件要求较高的产品)采购、加工、存储、运输及配送等的过程中,为保证产品的质量,时刻对产品所处的环境条件进行监控的一种特殊物品流通过程。它是随着科学技术的进步、制冷技术的发展而建立起来的,是以冷冻工艺学为基础、以制冷技术为手段的低温物流过程。

目前适合冷链供应的产品包括在0ºC~7ºC保鲜的新鲜果蔬、乳制饮料、加工肉类、药品;在-2ºC~2ºC下保存的冰冻肉制品;在-18ºC以下的冷冻食品;在-50ºC以下保存的超冷链食品等。由此可见冷链物流在整个供应过程中对产品所处的环境温度要求严格,对于产品配送、库存所需设备也有较高要求[6,7,8][6,7,8]。这些条件决定了冷链物流产业具有与其他物流方式不同的特点:产品全程温度监控、物流成本居高不下、物流服务水平要求严格、行业跨度大,专业需求广。

2 基于MAS的冷链物流实时智能监控系统

MAS是由一组功能各异的Agent所组成,不同功能的Agent代表不同的对象,拥有不同的权利和能力,能够完成不同的任务。而冷链物流是由不同环节和设备组成的相互关联的有机整体,从控制和系统的角度来看,是一类典型的分布式系统。冷链物流上的各环节都有自己的资源、能力以及目标,在冷链的管理下相互协作,使冷链物流系统上的物流、信息流与资金流通畅地流动,为用户提供产品和服务[9,10]。冷链物流系统与MAS之间相辅相成,可以应用MAS对冷链物流监控系统进行优化协调,进一步保障冷链产品的最终质量。

2.1 系统设计思路

MAS可以将大而复杂的冷链监控系统建立成小的、易于管理的简单系统;MAS对冷链的各个环节进行人工智能控制,容易实现冷链各环节的高组织协调性;由于MAS具有远程分布数据处理能力,采用基于MAS的远程数据采集与传输方式,不仅避免了监控系统数据流量较大时,远程监控主机负荷较重的问题,提高了系统的实时性和可靠性;更关键的是减少了远程监控主机与各监控点间频繁的数据交换,避免了网络延时带来的监控延时,降低了应用对网络连接的带宽及可靠性和稳定性的要求,提高了系统的远程实时交互性及运行的稳定性。同时,为冷链物流的运输、加工、冷藏仓储等环节提供及时、准确的监控信息。

冷链物流根据冷链产品的流通过程,可分为产品采购、低温加工、冷冻储藏、冷藏运输以及冷冻销售等环节。冷链物流智能实时监控流程图如图1所示。

一个完整的冷链物流实时智能监控系统中包含了多种Agent,它们担负不同的任务,根据Agent的功能进行分类,基于MAS的冷链物流智能实时监控系统中的Agent可以分为管理Agent、通讯Agent、决策Agent、监视Agent、执行Agent。整个监控系统由管理Agent进行协调;监视Agent感知系统环境,从各监控点通过传感器采集监控过程的各种实时信息,并转化成统一格式存入实时数据文件,发送给决策Agent和通讯Agent;决策Agent具有信息处理器、推理机、规则集、知识库以及Agent通信机制,在获得监视Agent发出的实时数据后,将其与自己的知识库和规则集进行比较判断,然后将决策信息传送给执行Agent,并反馈决策结果;通讯Agent负责其他各Agent之间的数据通讯,并将实时监控信息发送给系统操作人员;执行Agent在接受管理Agent以及决策Agent发出的信息后,调用相应的数据和功能,采取相应的行动。系统架构如图2所示。

在每个监控点都安放了多种智能传感器,通过各传感器来实时获取监控点的环境信息数据,并通过“有线网+无线网”的组合方式传输给智能监控系统。例如,在产品的采购、加工、存储等物流环节中,为了节省成本,可以采用有线网进行传输;而在产品运输、配送等环节中,可以采用无线移动网络来实现实时传输。

2.2 系统核心模块的设计

考虑到冷链物流实时智能监控系统应具有一定的扩展性和自适应性,以确保系统可以适用于多种环境场合中对多种物流产品进行实时监控,因此,在设计时采用面向对象的开发方法,通过面向对象的技术保证系统的扩展性;通过互联网技术来保证系统通信的实时性;通过多线程技术来确保系统出现大量数据时的稳定运行,防止系统阻塞[11]。系统中各核心模块的设计采用基于构件的开发思想,有效提高了系统的扩展性与健壮性,并且提高了整个系统的实用性与可靠性。

1)物流中心操作模块

通过该模块实现冷链物流产品信息数据采集、各监控环境参数设置;完成信息数据采集及监控系统的组态;实时显示当前各监控点的监控信息,绘制重要参数的变化趋势图。通过该模块,操作人员还可以对系统中各监控硬件参数初始化,可以选择关闭不使用的监控点,以及监视各监控点监控设备的运行状态。

2)Agent模块

该模块是整个冷链物流监控系统的核心,它包含了管理Agent、决策Agent、通讯Agent、监视Agent、执行Agent等构件。该模块负责对物流产品实施实时监测以及智能控制,绘制监控环境变化波形图。

管理Agent负责整个系统的监督、控制与管理,并协调、调度其他Agent之间的工作,因此采用混合逻辑型Agent表示。模块结构图如图3所示。

通讯Agent采用了基于经典逻辑的混合型Agent表示,根据FIPA协议,按照其规范要求,表现不同的信息动作过程。该模型自底向上共分7层:网络基础设施层、传输层、报文传输协议层、消息封装层、Agent通信语言层、内容语言层、会话层[12]。其基础语义可以表示为:

决策Agent采用基于决策理论的Agent表示,在接收到监视Agent发出的异常监控数据后,与知识库中的数据进行比较、分析,作出决策。并将异常数据打包生成数据簇后以波形图的方式显示,便于观察。同时,将决策结果发送给执行Agent。其结构如图4所示。

监视Agent采用基于决策理论的Agent表示,监视Agent中采用了多线程技术,使用每个监视串口的工作线程实时地监视串口状态,一旦有数据到达就立即读取,解析处理后将异常数据传送给决策Agent。其结构如图5所示。.

执行Agent也采用基于决策理论的Agent表示,它在收到决策Agent发出的信息后,对监控环境中的控制器(温度、湿度、氧气含量等)进行自动调节。执行Agent模块结构如图6所示。

3)故障报警模块

当系统运行中持续出现某项指标超过了正常值,自动报警,生成记录文件;当监控设备出现故障,发出故障信号或者失控时,监控系统发出警报显示,自动存储警报数据。模块结构如图7所示。

4)数据存储和报表生成模块

通过该模块自动生成各种信息统计报表,形成监控数据文件,存入监控数据库,需要时还可以通过打印机打印输出,方便查阅。

2.3 MAS冷链物流智能监控系统的协调机制

由于冷链物流各环节环境信息复杂,单个Agent的智能性有限,受物流环境条件的约束无法完成环境信息的监控,因此需要考虑多个Agent间的协调与合作。在冷链物流监控环境中,由于各个Agent的属性不一样,因此要选择最佳的Agent来完成监测任务,例如考虑Agent的资源利用率高的因素,这就是Agent的协调问题。在复杂的监测问题及监测系统中,基于多Agent的理论和技术,必须对复杂问题分解并运用多种方法进行监测,这就是多Agent如何使用的问题。为了实现冷链物流各环节的智能监控,需要所有Agent的团结协作,因此要求Agent之间对彼此的功能、效率充分了解[13]。在系统设计时,必须收集、归纳所有Agent的资料集中于数据库内,当实际情况变化时Agent能够对涉及自身的数据进行修改,并重新寻找合作对象解决问题。

各Agent间的协调与合作,通过算法表现出来。其中既包括单个Agent行为又包括由多个Agent合作的行为。它釆用传递函数,实现各Agent间的信息交换,多Agent系统中问题求解过程中协作算法如下所示。

设S为所有Agent的集合,S={s1,s2,…,sn},则Si,Sj表示S的不同的子集,Si、Sj∈S。具体的协作算法如下流程图8所示。

在上述协作算法中的,每个Agent所代表的任务执行的内容不同,所完成的时间不同,所付出的代价也存在差异,因此存在多种任务不同执行时间的调度方案。本着效率最优原则,在确保任务能够顺利完成的前提下,应寻找最短任务执行时间的调度方案。调度算法设计如下:

设有一项任务可划分为n个子任务,分别由n个任务执行Agent代理,任务的执行时间被限定在一定的时间窗口区域,凡在此区域外完成的任务都要付出额外代价[14]。一个任务执行Agent j包含三个重要的指标(Aj,Bj,Pj),其中Aj是任务j在时间窗口之前完成所需代价,Bj是任务j在时间窗口后完成所需的代价,Pj是执行任务j所需的时间。完成总任务的时间窗口为[t-a,t+a],其中2a为窗口大小,t为最佳完成任务时刻,t值待定。通过调度模块求解适当的时间安排方案,使执行该任务的额外代价最少。其目标函数表示为:

其中,tj是任务j的完成时间,

依次假定其中的每项任务完成时刻,作为共同完成任务时间窗口的开始时刻。它作为此次调度中在时间窗口内完成的一个任务,选取n个子问题中目标函数值最小的值作S的一个最优值,并确定S的最优解。算法求解步骤如下:

步骤1令L={1,2,...,n},i=i*=1,Sj=min{Aj,Bj}

步骤2令L i=L{i}(L中除去i后的集合),求解相应的最大准时完成的任务数可看作0-1背包问题,即求:

的最优值,记为Ti,并令

步骤3若fi<f,则令i*=i,f=fi。(5)

步骤4若i<n,则置i+1→i,转步骤2;若i=n,则最优值是f。

步骤5对Li*=L{i*},求解相应的0-1背包问题:

并求出式(6)的最优解,记V1={k|K∈Li*,Xk=1},V2={k|k∈L*i,Xk=0},V21={k|k∈V*2,Aj<Bj},V22={k|k∈V*2,Aj≥Bj}。

步骤6确定最优完成任务的时刻解

最终得到的结果是:由式(5)得系统的最小损失f;由式(7)确定最佳时间窗口位置为以最优完成任务时刻t为中心、长度为2a的区域系统中任务调度顺序的编号集合依次是:V21→{i*}→V1→V22。对于每个集合内部的任务,可以有不同的执行顺序方案,这对于系统的损失没有影响。

在MAS智能监控系统中,各Agent具有共同的全局目标,同时还有与全局目标一致的局部目标,各个Agent通过协调协作实现全局目标[15]。MAS冷链物流智能实时监控系统以监视智能体和执行智能体为核心,对冷链产品物流过程的低温环境进行全程的协调控制。决策智能体是开放式的物流信息协调监控中心,它通过通信智能体,不断地接受监视智能体反馈的各种环境监测信息,从而不断更新内部的数据库、知识库。同时,结合数据库内存储的专业知识,对反馈的信息进行人工智能的处理,做出相应的决策,要求执行智能体对各种环境调节器进行相应的调整。从而实现了冷链物流各环节的实时监测与控制。

基于MAS的冷链物流智能监控系统具有灵活性、智能性、实时性、适应性等特征。系统实现后将会取代传统复杂的监控系统,增强了冷链物流监控系统的远程实时交互性及运行的稳定性,为冷链物流的运输、加工、冷藏仓储等环节提供实时、准确的监控信息,加强了冷链物流领域各流通环节之间的协调性。并进一步提高对冷链产品时效性及其质量的保障。

3 结论