基于无线局域网的虚拟仪器施工现场环境温度监测系统
韶华江
中国大连科技大学基础工程系
电子邮箱:shjiang@dlut.edu.cn
夏华
中国大连科技大学基础工程系
电子邮箱:leoxia0624@hotmail.com
温度控制是确保施工质量和安全重要因素之一。自动多通道实时监控系统是根据施工现场环境的特点和施工现场的环境温度，基于虚拟仪器技术开发的。结合ZigBee无线传输技术,该系统可以实现远程实时监测建筑工地温度。系统硬件主要由控制器、网关、无线传感器节点和热电偶温度传感器。信息收集的热电偶的温度。通过无线传感器网络节点,数据发送给主控制器通过网关终端。虚拟仪器图形化编程语言是用于程序设计。实时远程温度信息数据显示功能,数据分析,极限值报警、趋势监测和数据存储多个对象同时实现这个系统。自动温度监控系统可以为施工现场的温度管理提供支持。
索引 工程管理;自动实时监控，无线局域网，虚拟仪器，温度传感器温度
简 介
建设规模的逐步扩大,大量的资源投入到施工过程,如劳动力、材料、设备、工具等。施工过程是动态且日益复杂的。成功有效的管理施工现场资源项目在管理中发挥着重要作用。实时监控是可以使项目管理从整个施工过程中受益的关键。温度、湿度、光线和其他指标是施工现场中的重要因素,以保证施工质量和安全，在施工管理过程中,很多工作受施工现场环境影响严重影响,有效的监控这些因素对施工管理至关重要。比如说大体积混凝土施工、冬季施工、安全管理建筑工地的危险材料等。因此,及时获取施工现场环境温度信息和有效的温度控制措施对于施工的质量和安全是非常重要的。传统的监测方法是基于手工数据测量、报告、分析和存档。以前建筑工地上的观测表明,平均而言, 管理者花费在网站上的数据记录和分析达到工作时间的30 - 50%。并且2%的工作是手动跟踪和控制。这种监测方法会导致员工工作强度高、低效率、高资源消耗、高成本和较低的测量精度,在实时数据传输和反馈控制发挥不了太大的作用,不能满足现代施工管理的要求。
施工现场的实时信息动态采集动是施工管理的基本前提。缺乏现场实时信息可以直接减少管理者发现或应对建设项目的可变性和不确定性的能力[3]。在施工过程中,活动的平均持续时间计算在当天,但定期报告,使得项目经理了解项目进展的详细信息通常一周甚至一个月。这是不利于施工管理的项目经理做出有效的决策。
建设自动化的实现需要先进的科学和技术的支持。近年来,先进的计算机和网络技术的出现对施工现场自动监控提供了潜在的可能。目前,一些自动监测技术已经被广泛的研究。这些技术的独特的潜力也为建筑工地的自动监测提供很大的发展空间。例如条形码技术可以用于基于阅读标签识别的资产管理; 射频识别技术,基于电子信号检测,可以弥补的接触限制条形码技术,可用于人员识别、授权访问和资源跟踪其体积小和非接触式识别;GPS技术可用于户外建筑工地上的资源定位;超声波和红外技术可以用于室内定位和监控,虽然GPS不能实现,但是他们也受到视线限制的影响;蓝牙、wi – fi、宽带和ZigBee无线网络技术可用于无线传输信息的建筑工地,摄像机、激光扫描和其他监测技术也可以用独特的方式自动监测建筑工地。
上述研究主要强调建筑资源跟踪管理,但施工现场包括通用的环境条件和大量的不确定性因素。目前,很少有研究实时监控温度、湿度、光、有害气体以及其他建筑工地已发表的重要的环境因素。然而,这些环境因素发挥着重要的作用,他们需要监控及时促进施工管理。
自动实时监控建筑工地的环境因素,无线局域网和虚拟仪器技术为此提供了巨大的潜力。从改善和扩大IEEE802.15.4标准，无线局域网是一个新兴的全球无线网络技术的标准。拥有着短程、低功耗、低数据速率和高可靠性的特点,它主要适用于自动控制和远程监控,它可以嵌入到各种各样的硬件设备。基于多通道通讯,无线局域网技术提供设备在网络路由相互通信和传送功能。同时,无线局域网网络可以通过增加节点扩展网络能力。低数据速率的无线局域网,网络中的节点可以在低功耗时进入睡眠状态不需要与其他节点进行通信。因此,采用无线局域网技术对施工现场环境监测不仅可以满足数据传输的要求,而且也可以达到很好的节能效果。
虚拟仪器是基于计算机硬件和软件现代仪器技术。一般由测量和控制硬件,计算机和应用软件组成。虚拟仪器的功能可以根据用户的实际需求定制,通过强大的计算机软件和数据处理功能实现。在“软件就是仪器”的基本理念下,虚拟仪器灵活并且开放可以连接到网络和硬件设备，所以相比于比传统仪器它有一个更广泛的发展空间。在这个研究中，施工现场的自动多通道实时环境温度监控系统是建立在自动监测技术与施工管理的结合上。采用ZigBee无线传感器网络体系结构并选择热电偶作为温度传感器。虚拟仪器图形化编程语言是基于虚拟仪器技术用于程序的功能设计。长——远程实时温度信息显示功能,数据分析,极限值报警、趋势监测和数据存储能够在此系统中实现。
系统结构和原理
A系统架构设计
施工现场环境条件复杂,监测点的分布跨度很大，使用电缆作为实时监测施工现场输出并不容易实现。鉴于这一点,基于ZigBee分布式网络体系结构适用于施工现场环境温度自动实时监控系统。系统的架构是图1所示。系统的架构是由三层组成,即感知层、网络层和应用程序层。感知层主要包括温度传感器和用于建筑工地环境温度的实时信息收集;网络层由无线传感器节点和网关,它负责系统网络配置和数据传输;应用程序层包括基于虚拟仪器的主控制器和人机交互程序,它是用来为用户提供操作界面来管理和控制施工现场的温度信息。
基于ZigBee的星形网络和拓扑结构用于此系统。温度传感器与无线传感器节点实时测量温度信息。温度传感器收集的数据发送到无线传感器节点。无线局域网网络分布式处理功能和每个单一的无线传感器节点可以连接多个温度传感器来实现多通道数据采集。基于ZigBee协议网关与每个无线传感器节点通信是国际标准2.4 GHz的频率。通过路由功能,系统的无线传感器网络可以适宜改变传感器的数量,延长传输距离和加强网络节点能力来提高传输的可靠性。用户应用虚拟仪器图形化编程语言在主控制器,实现数据采集、处理、分析和其他特定功能，通过程序运行,能够达到自动远程监控的目的。
图1 系统结构示意图
B.系统组成
热电偶，热电阻两种类型的温度传感器在工业和实验室最常用的。热电偶具有结构简单，成本低，使用方便的特点。此外，鉴于施工现场的复杂环境特性，与热阻相比，这是适宜采用热电偶，因为它不要求一个外围电源。因此，热电偶用作系统的温度传感器。热电偶是两种不同的导体材料构成的温度测量器，并且可以直接与对象接触测量温度。测量温度利用热电效应的热电偶的碱，即的基本原理，当存在形成闭环的金属导体的两端之间的温度差，环路产生电动势。然后热电势信号可以被转换为温度信号，然后物体的温度可以被测量。根据构成热电偶的不同金属导体的材料，热电偶可以分为几个标准的类型，即，S，R，B，J，K，T，N和E考虑施工现场和热电偶自身的温度测量要求特点，镍 - 铬，镍 - 硅材料构成的K型热电偶被选择为系统的温度传感器进行温度测量施工现场。热电偶，网关和无线传感器节点的系统的组件都示于图2。
国家仪器公司的NI-WSN平台被用于该系统的无线传感器网络平台。两个NI-WSN -3212热电偶测量节点被采纳为系统的无线传感器节点，每个传感器节点可与4个热电偶同时连接。通过热电偶的正端子连接到TC 接口的节点和热电偶的负端子连接到TC - 节点的接口，八个热电偶多通道数据采集能够实现。此外，在NI-WSN-3212热电偶测量节点内部安装，四节AA电池以提供电源，因此它可以被灵活地布置在施工现场。此外，NI-WSN-9791以太网网关适用于网络配置和管理。网关与IEEE 802.15.4标准的NI-WSN-3212热电偶测量节点进行通信，接收由热电偶从节点测量的温度数据，然后将数据发送到主控制器。基于Windows的PC被采用为主要控制装置和基于LabVIEW软件被安装在主控制器上，以实现该系统的功能。
图2.（a）热电偶组件; （b）网关组件及（c）无线传感器节点组成部分
C人机互动平台系统D 实现
A.软件功能模块的设计
采用美国国家仪器公司开发的LabVIEW图形化编程语言实现自动施工现场环境温度监测系统的人机交互平台的软件设计。 LabVIEW的语言是一种图形化和模块化的编程语言。与以前的基于文本的编程语言的编程方式和陈述顺序执行程序的不同，LabVIEW的语言关于数据流编程为基本理念，采用了类似于传统的乐器来模拟方案的设计。
考虑施工现场的环境温度测量的特，提出了如图3所示软件功能模块的设计，系统软件功能模块主要包括五个模块，即数据显示，实时监测，数据分析，限制值报警和数据存储。
图3系统的软件功能模块
当主程序开始运行，用于温度测量的系统参数可以被首先设置，然后将温度数据可以被收集。数据显示模块显示的八个热电偶测量八通道温度信息的当前值，以便用户可以同时监控八个测量点的实时温度值。实时监控模块提供的各测量点的实时温度曲线图，从而，用户能够获得每个测量点的温度数据的历史和监视各测量点的温度变化趋势。通过数据分析模块，用户可以获取用于温度分析实时每个测量点的最大，最小和平均温度值。通过限制值报警模块，上限和每个测量点的下限可分别设置。该系统可以提醒时自动实时温度超过预定义的极限。由数据存储模块，每个测量点的实时温度信息和分析数据可以被存储在计算机中，这便于用户查询和分析的温度数据。
B.系统框图设计
软件设计由LabVIEW图形化编程语言手段主要包括两部分，即前面板设计和程序框图设计。前面板设计是设计用于用户的特定功能需求的人机交互界面。
框图设计是设计相应的守护进程的功能模块。当用户操作前面板上的功能的控制，该守护进程据此运行。施工现场的环境温度的自动监视系统的框图如图4.系统硬件的结构完成后，每个监测点的相应I / O变量设立在框图，然后由每个热电偶测得的实时温度数据可以被收集。 while循环结构被用作程序的主结构，那么时间等待功能被设置和它的输入控制被设定，以确保用户可以根据实际需要和实际设置采样时间间隔进行温度实时测量温度数据可以连续收集。
无线传感器节点的8个I / O变量输出的显示控制是为了表示由直接在每个热电偶测得的当前温度值分别建立的。在同一时间，为温度数据的每一个输出的图表显示控制被设定为图形显示每个监测点的实时温度数据，并提供每个监测点的温度变化趋势。
为限制值报警模块，用于上限输入控制和每个监测点的下限设置。不同上限和下限可根据各自不同的监测点的实际需求来设定。通过关系运算符，系统可以判断实时温度值是否超过限制。此外，布尔类型为每个监测点的判定结果的显示控制而建立。因此系统能够上述判断结果确定是否发出上限或下限报警。同时，通过采用上述逻辑运算和移位寄存器，当每个监测点的实时温度值超过上限或下限，系统可以记录每个监测点的报警数目，实现报警的自加功能号自动。此外，上限，下限和当前温度值的输出通过集群功能集成在一起，然后簇函数的输出被连接到各监测点的每个图表的显示控制，以确保每个温度图表可显示实时温度曲线以及上限曲线和下限曲线，并且系统可以动态监测温度值是否超过限制。
图4 系统的框图
，对于数据分析模块，各测点的温度数据输出连接分别意味着功能和极值函数，然后均值函数极值和函数的数据输出显示控件成立。因此，每个测量点的最大，最小和平均温度值可以实时显示。
数据存储模块，该写入在LabVIEW语言快速控制的测量文件VI用于写由每个热电偶的LabVIEW数据文件测量的实时温度数据。温度数据可被存储在TDMS高速数据流文件格式和已保存的文件可以自动根据系统操作顺序进行编号。同时，建筑路径功能用于设置保存的数据文件中的与当前的程序文件路径的路径。此外，TDMS高速数据流文件格式是与Microsoft Office Excel格式兼容。因此，所保存的TDMS文件可以导入到Excel文件，使用户能够对实时温度数据方便地查询，分析和处理。
C.系统接口的实现
系统接口设计的任务是使用LabVIEW语言来设计前面板。系统界面包含初始参数和输出的结果，数据的显示控制和输入控制。并要实现实时温度数据的显示和分析由八通道热电偶测量。
施工现场的自动温度监测系统的接口由两部分组成，即温度显示接口和温度趋势接口。温度显示界面示于图。 5.接口提供需要被初始设定为系统运行的主要参数，包括采样时间间隔，每个监测点的上下温度极限的输入控件。该接口还提供了系统的控制，即系统开始，暂停系统和退出系统。
此外，该接口提供系统时间，数据文件存储路径的输出控制，各监测点的实时温度值，报警通知和报警次数。另外，温度计图标用于图形和数字显示每个监测点的实时温度值。布尔类型的警示灯都采用了报警通知。警告灯是绿色时，温度值是在正常范围内。相反，当温度值超过极限，警告灯变红，并报警编号自动累计。此外，所有由每个热电偶和温度数据分析结果测得的温度数据可自动存储在LabVIEW数据文件。
温度趋势接口提供节点1和节点2的实时温度图表其中有八个热电偶连接。无线传感器节点1的温度趋势接口具有四个热电偶连接示如图。 6.无线传感器节点中的每一个温度趋势接口提供的图表中，极值和各4个监测点的实时温度的平均值的显示控制。在温度趋势接口，实时温度值，上限和下限都设置在不同的颜色来监测温度值是否同时超过极限阈值或不为每个监控点。在系统运行过程中，该接口可以同时
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