多物理量环境监测起步包

作者：上海聚星仪器有限公司应用工程师 李诚

"为了满足社会可持续发展的要求，环境保护受到越来越多的重视。以现代测量技术为基础的环境监测技术可对各种环境参数进行测量与分析，是研究环境质量变化趋势的重要手段和环境保护的基础。"

- 李诚

挑战：环境监测要求系统能够在户外较恶劣环境下监测多种环境参量，包括气象、振动、噪声、电磁场、图像等，主要应用领域包括人居环境监测、结构健康监测以及节能减排项目监测，需采用分布式结构。

方案：NI CompactRIO是一款工业级嵌入式数据采集平台，基于该平台开发的采集系统具有很好的稳定性和实时性，并能适应野外工作环境，我们采用NI CompactRIO丰富的C系列模块采集各种传感器输出的模拟信号，通过TCP/IP协议传输到上位机，工作人员可以实时监测各种环境参数。

系统结构及主要特点

环境监测起步包基于NI的嵌入式硬件平台CompactRIO和图形化设计平台LabVIWE开发而成，起步包结构如图 1所示。


图 1 环境监测起步包结构

各种环境参量通过相应的传感器转化为电信号，电信号通过C系列模块输入到CompactRIO中，CompactRIO对采集到的原始信号进行处理，并将处理后的数据通过路由器发送到监控端以及网络服务器。监控端通过TCP/IP协议与CompactRIO通信，实现数据的实时显示以及控制命令的发送。浏览端用户通过网页浏览器访问服务器中的监测数据，实现数据的网络共享和历史数据分析。

环境监测起步包的主要特点有：

自定义的FPGA模块和丰富的I/O模块，能够与几乎所有的传感器进行方便的连接；
模块化的软件结构，能够轻松地实现系统的维护与升级；
采用WIFI和3G技术，实现监测数据的无线传输，有利于分布式监测和数据管理。

监测项目

环境监测起步包的监测项目如下：

应用领域监测项目	人居环境监测	结构健康监测	节能减排监测
气象——风向、风速、温湿度、气压、雨量	●	●	●
振动——高低频振动（结构、地震）	●	●	○
环境噪声	●	○	●
低频电磁场	●	○	○
图像	●	●	○
运动控制	●	○	○
数字I/O	●	●	●
自定义	——	——	——

系统指标

1.  CompactRIO板卡指标

模拟输入接口类型	电压、电流、IEPE、电桥
外接传感器类型	温度（热电偶、RTD）、电压、电流、电阻、电荷、压力、应变、扭矩、位移、加速度、振动、转速等
模拟通道数	单机箱4-256通道，支持多机箱级联至上千通道
模拟I/O通道特性	最高采样率	100kS/s（同步）、800kS/s（多路复选）
	耦合方式	AC/DC
	AD分辨率	12位（经济型）/16位（通用型）/24位（高性能）
	动态范围	70dB（经济型）/80dB（通用型）/120dB（高性能）
	通道间串扰	<-110dB
	输入阻抗	1MΩ（典型值）
	最高采样精度	±0.04%×读数值+±0.07%×量程(典型值)
	信号输入模式	单端，差分
	抗混叠频率	0.45fs
数字I/O通道特性	最高频率	20MHz
	信号类型	5V/TTL/24V
	工作方式	计数器/编码器/PWM/继电器
通讯接口	以太网、光纤、CAN、RS232/422/485
触发采集	数字触发（边沿、脉冲），模拟触发（阈值、区域、滞后）
存储容量	片上4G Flash（网络硬盘扩展）
数据吞吐量	单机箱6.4MB/s
功耗	10W(典型值)
工作温度	-40oC-70oC
可承受随机振动	5g rms，10-500Hz（IEC 60086-2-64）
可承受正弦振动	5g ，10-500Hz（IEC 60086-2-64）
可承受冲击	30g，11ms半正弦；50g，3ms半正弦（IEC 60068-2-27）

2. 监测指标（标配、可扩展）

温度：测量范围-5～55℃
湿度：测量范围0～100%
振动：测量范围±250g，频率范围0.3～10KHz，灵敏度20mV/g，最小分辨率0.0005g
声音：频率范围20～20KHz，动态范围127dB，灵敏度50mV/Pa
电磁波：频率范围10～20KHz
系统指标大多受限于选配的传感器，起步包为了降低系统门槛采用了较低成本的传感器，对于大多数验证和科研可以适用，如果用户须要更高精度的系统，聚星工程师可以选配更高等级的传感器。

实物图及软件界面


图 2 系统实物图



图 3 系统软件界面

总结

基于NI CompactRIO平台开发的环境监测起步包能够监测多种环境参量，系统具有很高可靠性和扩展性。采用NI的嵌入式硬件平台CompactRIO进行系统开发，能够缩短开发周期，提高系统可靠性，使得用户能够把精力放在数据的分析处理上。
聚星仪器是NI的金牌系统联盟伙伴，同时也是NI CompactRIO大陆地区独家代理商和增值服务商。聚星仪器拥有一支全球顶尖的LabVIEW开发团队，以NI CompactRIO为核心开发了许多创新应用，您可登陆聚星仪器主页www.vi-china.com.cn 查看更多产品和应用案例，或联系聚星仪器CompactRIO技术支持。

Author Information:
李 诚
上海聚星仪器有限公司应用工程师