多点噪声远程自动采集系统设计

秦学伟　曹银杰

摘 要 设计了一种基于嵌入式工控机和低功耗、高性能噪声传感器结合在一起的方案，通过串口设置实现数据自动采集，本机数据的采集、处理、存储和上传，C#网络连接上位机数据库并对数据进行随时上传和调用，并提供良好的人机交互界面，以及下拉式菜单的管理和数据的实时动态显示。通过TCP/IP网络编程与上位主机通信，可实现多机连接，多点采集的功能，达到远程实时检测传输数据。噪声传感器具有体积小、功耗低、采集速度快等优点，在气象监测、室外检测噪声等相关行业中具有广泛的应用前景。

关键词 噪声传感器 远程传输 实时采集 人机交互

中图分类号：TP274 文献标识码：A

随着城市化、工业化的发展，噪音污染与大气污染、水污染并列为三大污染，但是噪声污染常被人们忽略，以至于噪音污染只是有增无减。噪音污染会引起人的工作效率低下、注意力不集中、记忆力减退、疲劳、耳聋耳鸣、高血压等疾病。因此研究噪音污染的监测和制约有着一定的必要性和紧迫性。

随着科学技术的发展，出现各种各样的噪声检测传感器，很多企业设计出的噪声检测仪器，可快速准确检测实时周围环境噪声情况。但是这有很多局限性，检测当前有限时间内噪声，采集数据无法实时上传至上位主机，限制了检测点长时间，大数据的分析处理。

本设计克服以上不足，使用体积小、功耗低、速度快的噪声传感器，保证采集数据的准确性，通过对城市多点布点，在工控机上基于C#编程设计出具有远程自动噪声采集系统，同时结合工控机易操作的优点，完全等同于个人电脑一样，系统稳定、高效，实现数据的自动采集、处理、存储及远程传输至远端中心，并提供良好的人机交互界面，以及下拉式菜单的管理和数据的实时显示，这样组成的一个小型传感器采集系统，具有体积小、工作稳定、采集数据准确等优点。

1系统整体方案介绍

1.1系统功能要求

（1）可在工控机上实时自动采集周围环境信息，具有本机存储和记录和上传远端数据库功能，可连续24小时全天候采集。

（2）用户可以根据需要设置阈值和显示采集时间间隔和上传频率。

（3）可通过串口连接数据库调用显示历史数据。

（4）可靠稳定的TCP/IP协议，保证数据的正确性和有效性。

1.2传感器介绍

由于噪声采集传感器安装位置不定，必须能在各种恶劣的气候环境下长时间工作，这就要求传感器性能可靠、功耗低、使用寿命长、响应速度快，且有很强的防水、抗寒和耐腐蚀性等。一般的传感器难以满足这些要求，必须使用专业的防护等级高的传感器模块。系统采用专业级别传感器，具有较低的功耗。采用噪声传感器通过RS485接口连接至工控机进行数据的采集。

噪声传感器的特点：实时监控噪音，可以数据回传，支持多种接口，体积小巧，方便兼容其他设备，方便安装，支持多种接口输出，广泛应用于工业设备噪音检测，办公，学校，广场等需要噪音检测的场合。

1.3 C#简介

C#语言是用于创建要运行在.NET上的应用程序语言之一，它从C和C++语言演化而来，是Microsoft专门为使用.NET平台而创建的。C#只是用于.NET开发也是.NET平台下最好的一种语言。C#的优点是唯一为.NET Framework设计的语言，是在移植到其他操作系统上的.NET版本中使用的主要语言。

本设计使用C#对串口初始化设置保证准确的数据采集，通过对modbus协议分析对传感器上传的数据有效读取显示出来，使用chart控件设置可动态实时显示当前噪声数据，然后与数据库建立，通过网络TCP/IP协议将采集数据上传中心服务器处。

1.4 SQL Server数据库

SQL Server是数据库管理系统。在开发人员生产力方面，SQL Server2005引入使用了Microsoft.NET语言来开发数据库目标的性能，为开发人员在SQL Server查询开发方面提供了更高的灵活性和控制力，SQLServer代理为各个级别的可伸缩性提供了一种创新的、分发的、异步的应用系统体系结构。

此外，在SQL Server 2005与C#的结合，达到了完美的储存效果。

2硬件设计

2.1单点采集结构

采集结构如图1所示，由工控机、RS485接口、网络连接、数据上传、中心服务器部分。

2.2系统总体结构

系统总体结构如图2所示

3软件设计

软件采用模块化的设计方法对系统的各项功能进行封装，各个模块完成特定的功能，模块之间相互独立并提供必要的接口，如图3。对串口初始化，串口设置，如下所示。

serialPort1 = new SerialPort（"Com1"， 9600， Parity.None， 8，

StopBits.One）；//初始化串口

serialPort1.Open（）；

if （serialPort1.IsOpen）

{ textBox1.Text = "COM口成功打开"； }

3.1数据通信协议

采集软件中的通信分为两个部分：一是将工控机作为主机与传感器之间的通讯；二是将工控机作为从机与监控中心主机的通讯。前者采用RS485总线主从式的通讯方法，使用MODBUS协议的主机查询和从机回复的帧消息结构，只有主机先发送命令，传感器接受特点的指令，就会返回带有噪声数据给主机，这样有利于避免数据一直不间歇传输，而导致主机处理进程时突然涌入的大量数据产生异常。后者则利用网络协议TCP/IP通讯与远程监控中心进行数据传输，对下位机进行监控。

3.1.1 MODBUS协议

目前使用的Modbus有三个版本：Modbus ASCII、Modbus RTU和Modbus/TCP。本设计采用的是Modbus RTU版本。Modbus RTU通信采用主-从方式，最多传送255个字节的数据。主设备与一个或多个从设备进行通信，当Modbus RTU主设备想要从一台从设备得到数据的时候，主设备发送一条包含该从设备站地址、所需要的数据以及一个用于检测错误的CRC校验码。网络上所有其它设备都可以接收到这条信息，但是只有地址被指定的从设备才会作出反应。Modbus网络上的从设备不能发起通信，它们只能在主设备对它说话的时候回答。

3.1.2 TCP/IP协议

TCP/IP协议是现在互联网的基础。TCP/IP协议主要有如下的特点。

（1）TCP/IP协议是一个开放的协议标准。

（2）TCP/IP协议是不区分网络硬件，在局域网，广域网和互联网中都广泛使用。

（3）TCP/IP协议使用统一的网络地址分配方案。网络中每台电脑都具有唯一的IP地址。

（4）TCP/IP协议是标准的高层协议，拥有极高的可靠性，可以为用户提供可靠的服务。

3.2人机交互接口

良好的人机交互接口为工作人员提供了可视化的操作环境，方便工作人员对自动气象站进行监视、参数设置、故障检测、数据导出、配置传感器等，极大地提高了自动气象站的灵活性、可扩展性和可维护性。C#具有优良的页面发开特点，如图4所示，是前端采集显示效果图。

3.3上位机服务器

监控中心主机在Internet中有固定的IP地址和主机名称，方便与下位机间的数据传输。除了操作系统外，主机安装Visual Studio 2010开发环境和SQL Server2005数据库管理软件，采用C#编写数据接收与管理软件，实现对数据的实时显示、接收、处理，具有分类存储、数据保存、曲线显示、统计分析，历史数据查询等功能。如下所示与数据库建立连接。

SqlConnection connection = new SqlConnection（）；

connection.ConnectionString =

@"Server=qinxuewei；uid=sa；pwd=****；DataBase=NoisyCollectingSystem"；

connection.Open（）；

4结语

设计的噪声数据采集系统观测精度高、自动化程序高、性价比高，可长时间全天候不间断地进行检测，具有良好的可靠性和稳定性，适用于各种需要检测噪声的场合。软件设计采用模块化的设计方法，工作环境变化时不需对原有软硬件进行任何改动，只需要将配置好的硬件系统中，并进行简单的软件配置或升级即可，提高了系统的可扩展性。同时进行的多点检测使其覆盖面积广、接入速度快、稳定性高，数据传输的实时性和准确性好，对偏远或人工难以完成的地区通过远程上传提供了方便，使得系统具有很高的应用价值和广阔的市场前景。

参考文献

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