"為了滿足社會可持續發展的要求，環境保護受到越來越多的重視。以現代測量技術為基礎的環境監測技術可對各種環境參數進行測量與分析，是研究環境質量變化趨勢的重要手段和環境保護的基礎。"
- 李 誠, 上海聚星儀器有限公司應用工程師
The Challenge:
環境監測要求系統能夠在戶外較惡劣環境下監測多種環境參量，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境監測、結構健康監測以及節能減排項目監測，需采用分布式結構。
The Solution:
NI CompactRIO是一款工業級嵌入式數據采集平臺，基于該平臺開發的采集系統具有很好的穩定性和實時性，并能適應野外工作環境，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測各種環境參數。
系統結構及主要特點
環境監測起步包基于NI的嵌入式硬件平臺CompactRIO和圖形化設計平臺LabVIWE開發而成，起步包結構如圖 1所示。
圖 1 環境監測起步包結構
各種環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送到監控端以及網絡服務器。監控端通過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送。瀏覽端用戶通過網頁瀏覽器訪問服務器中的監測數據，實現數據的網絡共享和歷史數據分析。
環境監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，實現監測數據的無線傳輸，有利于分布式監測和數據管理。
監測項目
環境監測起步包的監測項目如下：
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應用領域
監測項目 |
人居環境監測 |
結構健康監測 |
節能減排監測 |
| 氣象——風向、風速、溫濕度、氣壓、雨量 |
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● |
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| 振動——高低頻振動（結構、地震） |
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| 環境噪聲 |
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○ |
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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 |
| 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） |
| 耦合方式 |
AC/DC |
| AD分辨率 |
12位（經濟型）/16位（通用型）/24位（高性能） |
| 動態范圍 |
70dB（經濟型）/80dB（通用型）/120dB（高性能） |
| 通道間串擾 |
<-110dB |
| 輸入阻抗 |
1MΩ（典型值） |
| 最高采樣精度 |
±0.04%×讀數值+±0.07%×量程(典型值) |
| 信號輸入模式 |
單端，差分 |
| 抗混疊頻率 |
0.45fs |
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數字I/O
通道特性 |
最高頻率 |
20MHz |
| 信號類型 |
5V/TTL/24V |
| 工作方式 |
計數器/編碼器/PWM/繼電器 |
| 通訊接口 |
以太網、光纖、CAN、RS232/422/485 |
| 觸發采集 |
數字觸發（邊沿、脈沖），模擬觸發（閾值、區域、滯后） |
| 存儲容量 |
片上4G Flash（網絡硬盤擴展） |
| 數據吞吐量 |
單機箱6.4MB/s |
| 功耗 |
10W(典型值) |
| 工作溫度 |
-40oC-70oC |
| 可承受隨機振動 |
5g rms，10-500Hz（IEC 60086-2-64） |
| 可承受正弦振動 |
5g ，10-500Hz（IEC 60086-2-64） |
| 可承受沖擊 |
30g，11ms半正弦；50g，3ms半正弦（IEC 60068-2-27） |
2. 監測指標（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平臺開發的環境監測起步包能夠監測多種環境參量，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，能夠縮短開發周期，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開發團隊，以NI CompactRIO為核心開發了許多創新應用，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。
Author Information:
李 誠
上海聚星儀器有限公司應用工程師
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