在线监测基站控制软件设计

172009 02 在线监测基站控制软件 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 与 数据预处理技术研究 摘　要　对水环境在线监测基站控制软件的各个功能模块进行详细设计，应用数据库技术保存采集的数 据。实现了嵌入式web服务器和浏览器，现场和远程都能以网页方式控制系统。在分析水环境监测数据 特点的基础上，运用统计学中质量控制图的理论对数据进行预处理；通过判断数据产生过程是否处于受 控状态，提高数据的可靠性和有效性。 关键词 水环境；在线监测；预处理；质量控制图 引言 长期以来水环境污染一直是我国面临的严峻问题。 虽然，我国在水监测方面已做了大量工作，但面对新的 水利发展需求，我国水监测工作还存在着一些亟待解决 的问题，如自动化程度低，信息处理及时性与管理工作 需要不相适应等[1-2]，因此，一个能够满足现实需要的 水环境在线监测系统将具有重要的社会意义。 在水监测工作中，监测基站工作是重中之重，它主 要负责着数据采集。这些数据与其它领域的数据相比有 较高的有效性、完整性、准确性、可靠性及可比性，但 对实时性要求不高[3-4]。要满足这些要求，一是采用最新智 能仪表，二是有针对性地设计基站监测软件。本软件系 统是在基于三星的s3c2410x硬件平台上进行设计的。 1 软件系统结构 软件系统的主要功能是控制各个仪器进行数据采 集、数据保存和数据上传。它主要分为操作系统、系统 服务和应用软件。系统结构层次如图1所示。系统服务 主要指web服务和数据库服务，与操作系统共同提高应 用软件运行环境。应用软件是指实现具体功能的监测控 制软件。 比较常用的嵌入式操作系统有WinCE，VxWork 和Linux系列。Linux开源免费，资源众多，并且已证 明能够长时间稳定运行。Linux符合系统实际需求，因 此，系统选择了Arm-Linux作为基站的操作系统。 张 齐 王永光 华南理工大学计算机科学与 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学院 广州 510640 基金项目：广东省科技 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 项目(2007B030100001) R esearch & D evelopm ent 18 信息通信技术 数据采集任务越来越复杂，要求越来越多，数据存 储与查询要求也越来越高，考虑到系统以后的改进、升 级和完善，本系统放弃了以往常采用的文件保存数据的 方式，采用了开源的嵌入式数据库Sqlite3。Sqlite3拥有 很多优点，如原子、一致、孤立、持久、零配置、简单 易用的API、执行速度更快[5]。 本系统顺应测控系统从集中式控制转向分散式网络 控制的趋势，从以前的C/S式管理，转向B/S式管理。 为能远程控制本基站的设备，基站系统必须在自身实现 Web服务器。为方便技术人员与维护人员现场操作， 必须实现一个Web浏览器，以统一控制本站所有仪表， 避免分别控制的麻烦。最终，系统选择了移植Boa作为 Web服务器[6]，Konqueror/embedded做为浏览器[7]。 2 控制软件的详细设计 如图2所示，系统软件要承担对上执行上位机软件 的指令和上传数据，对下控制各个仪表的工作和接收处 理采集到的原始数据。 控制软件具体分为7个模块：数据库设计，采集模 块，数据传输，预警模块，系统设置，查询模块和数据 预处理[8-10]。各个模块之间的关系见图3。 控制软件各个模块的操作都与数据库密切相关。以 下对各个模块进行具体说明和设计。但数据预处理模块 将单独说明。 1) 数据表 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 采集的数据，保存系统运行状态、警报记录与 系统配置信息，保存相关用户、角色和权限信息。 2) 采集模块 主要负责三方面工作，一是获得采集的数据，存进 数据库，通知数据预处理模块进行预处理；二是监测设 备运行状态，如发现设备停止运行或运行异常，向报警 模块 报告 软件系统测试报告下载sgs报告如何下载关于路面塌陷情况报告535n,sgs报告怎么下载竣工报告下载 ；最后根据系统设置命令，配置底层仪表。 3) 数据通讯传输模块 负责向上传输数据，有以下几种方式实现与监控中 图2 系统结构示意图 图3 控制软件的模块关系图 研究与开发 图1 系统结构层次图 192009 02 心的数据实时通信： ① 应答上传，对监控中心发出的数据呼叫请求能 及时响应上传数据； ② 定时上传，能根据设定的间隔时间定时上传现 场数据给监控中心； ③ 异常主动上报，如发现预警模块向它报告发现 异常情况，主动上传数据给上一级监控中心。 4) 预警模块 如果发现设备停止运转或运行异常，本模块就在数 据库里把这个情况记录下来，并向数据通讯模块发出向 上级预警的信息。预警模块有超标预警功能。以往的超 标预警只是简单地根据采集的记录数值进行上下限的判 断，并向上级中心预警超标。本模块增强了这个功能， 能够根据预先设定的判断公式，对一段时间内多条记录 以及不同影响因素判断是否需要进行预警。如需要向上 级进行预警，数据库会记录当前信息，并向数据通讯模 块发出向上级预警的信息。 5) 系统设置与查询模块 通过远程或本地浏览器访问这两个功能。查询模 块，支持即时显示当前的记录信息与设备运行状态信 息，可复合查询历史记录数据、预警信息和设备运行信 息，并提供图形显示。系统设置模块，一是能够发送命 令，对各个仪表进行配置；二是配置本机基本运行参 数，具体包括：自动上传时间与方式，预警模块中各指 标的上下限与预警判断公式，本地保存数据的策略，以 及数据预处理方式等；还支持向基站发送各种其他的命 令，为以后的扩展预留通道。 这两个模块的程序用cgi技术实现，作为Boa服务器 的服务端程序。 3 数据预处理模块 在数据产生阶段，如对数据进行预处理，对保证 数据的可靠性和有效性会起到重要作用。 3.1 控制图理论 统计学中的控制图方法经常用来控制与检验数 据产生过程中数据是否处于受控状态. 处于统计控制 中则标志着：重复样本来自一个稳定的概率分布的随 机样本。控制图能依据一定的概率判定数据的质量指 标是偶然变异，还是出现了异常情况。数据产生变异 有两个原因：一个是由“可指出的原因引起的，如仪 器的基准误差、试剂不纯、操作不当等，称为系统误 差，这时数据产生的过程处于脱控状态，需要按照它 的作用规律对它进行校正或消除，使数据产生过程回 到可控状态。另一个原因是由偶然变动的“一般原 因”引起，称随机误差。这是具有统计规律的误差， 当数据测定的次数足够多时，数据变异的概率服从统 计分布规律。如数据的变异是由“一般”原因引起， 可以认为数据处于受控状态。处于受控状态的数据更 可靠有效[11]。 控制图是判断数据变异的一种工具。它是根据已 经得出的样本数据，使用统计学的知识求出UCL(控 制上限)和LCL(控制下限)，然后观察数据点的分布状 态，判断数据产生过程是否处于受控状态。 在实际使用中， 控制图是最常用的过程统计 管理图。 假设样本容量为n，样本数为N，那么 控制图的 上、下控制限为： R控制图的上、下控制限为： 其中 , 为总均值， 为极 差均值， 为均值， 为极差， , , 为依赖样 本容量的常数。 如果所有数据点都落在 控制限内，即可过程 是否处于受控状态。 3.2 预处理模块 本模块主要采用了 控制图的方法来判断数据 的产生过程是否处于受控状态。所有要测量的指标的 测量数据都需进行预处理；但有些测量指标，应结合 测量仪器与测量指标的具体情况和特点，简单地使用 R esearch & D evelopm ent 20 信息通信技术 控制图的方法或不进行预处理。可以由技术人员进行 具体配置。配置参数为：是否对某个测量指标进行预 处理，采用何种方式，样本容量n，样本数N等。 根据配置参数，程序对每个需要测量的指标，分 别计算出均值与上、下控制限。程序不需要画出控制 图，只需根据数据判断过程是否受控，如：发现非受 控或出现可疑数据--数值超过某个上、下控制限或连 续一定次数(可配置)的数值出现在均值线的一边，就要 向预警模块报告。 注意：处理过程中应该根据实际要求来保持数据 精度，对于计算过程中出现的依赖样本容量的常数， 可以设计一个二维常量数组来加快程序的计算时间。 4 结语 在线采集系统基站的控制软件系统对于上位机系 统分析判断环境状况，处理突发情况，以及制定相关的 环境政策具有非常重要的作用。本控制软件系统采用数 据库管理，各个模块间分工清晰、结构合理。另外，系 统从以前的C/S集中式控制，成功地过渡为B/S分散式 控制，适应了技术发展趋势。系统还创新使用了统计学 中控制图方法来判断数据产生过程是否处于受控状态， 提高了数据的可靠性和有效性。系统的实现能够满足现 实需要，具有很大的社会价值。 参考文献： [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] 陈建江. 对我国环境自动监测发展的思考[J]. 环境 监测管理与技术, 2007.2:1-2,7 石田耕三.环境监测技术的现状及发展趋势[J]. 中 国环境监测. 2005，21(l):4-7 国家环保总局.地表水和污水监测技术规范[M].北 京:中国环境出版社.2002:21-26 国家环保总局.环境监测仪器发展指南[M].北京:中 国环境出版社.2000:l-11 尧有平, 薜小波. 基于ARM-Linux的SQLite嵌入 式数据库的研究[J]. 微计算机信息，2008，24(2- 2):64-66 崔承毅，姜相钧. 基于ARM9的嵌入式WEB服务 器的研究与设计[J]. 电子科技，2007,9:64-67 邓罡，张小梅，刘宏. Konqueror嵌入式浏览器的 分析及移植详解[J]. 微计算机信息，2007，23(8- 2):71-73 朱宁西, 张齐. GSM网络短信息无线通信SCADA 系统的实现[J]. 华南理工学学报(自然科学版), 2003, 31(12):9-12 王晓成, 蒋梁中. 嵌入式环境在线监测点系统的设 计与实现[J]. 工业控制计算机，2006,19(11):88- 89 郭鹏, 孙玮，韩璞.基于手机短消息(SMS)的远程 无线监控系统的研制[J].计算机测量与控, 2002, 5(8):506-507 徐子峰, 徐富春. 环境数据统计分析基础[M]. 北京：化学工业出版社. 2006:175-185 研究与开发 212009 02 作者简历 张 齐 副教授，主要从事智能控制、信息处理、监控软件方面研究。 On-line Monitoring Base Station Control Software Design and Data Pre-Processing Technology Research Zhang Qi Wang Yongguang Institute of Computer Architecture, South China Univ. of Tech, Guangzhou 510640, China Abstract This article detailly designed On-line monitoring of the water environment of the base station control software modules, and used database technology to preserve the data collection back. Achieving a embedded web server and embedded browser, the system can be controlled as a web page in on-site or remote place. Analysis of the water environment monitoring data characteristics, so used statistical quality control plan theory to preprocess the data. Through a process of judgement whether the data in a controlled state, enhanced the reliability and validity of data. Keywords water environment; online monitoring; pre-processing; quality control plans 王永光 华南理工大学 计算机科学与工程学院。 R esearch & D evelopm ent