多目標大氣監測及採樣遠程無線測控系統的製作方法

2023-05-03 12:27:31 1

專利名稱：多目標大氣監測及採樣遠程無線測控系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種大氣監測及採集(或採樣)系統，尤其涉及一種能在同一時間對一定區域(如以大中城市為監測中心)該區域內的各目標點的大氣進行遠程無線監測和採樣的系統。
背景技術：
目前，地面大氣的監測和採集通常是分別進行的，而且一般只能對單個目標單獨進行，並且要測量多次，取其平均值；如果要對多個目標進行大氣監測和採集，只能依次分別進行，每變換一個目標點，要搬動和重新安裝儀器，費時費事，使其測得的結果在時間上的相關性很小。由於氣象條件變化無常，有害有毒氣體的排放和擴散情況複雜，所以，由此得到的結果頗具片面性，不能實時真實地反映該區域的大氣狀況。而且，高空大氣的監測和採集耗費更為巨大，通常採用專用飛機或放升探測氣球進行，而且也不能實現同時對多個目標點監測和採集的目的。

發明內容
本發明的目的在於克服上述高空大氣的監測和採集現有技術中的不足，而研製了一種多目標大氣監測及採樣遠程無線測控系統。
該系統的主要任務及技術要求是①測定目標點(子機)的距離，為主機與子機間通信作準備(子機至少16個，主機與子機間的作用距離大於2公裡，既能進行語音通信，又能進行數據通信)；②對目標點(子機)大氣的大氣壓、環境溫度、風速、風向等大氣參數進行實時測量；③把目標點測到的數據傳回測控中心主機；④完成對目標點大氣樣本的採集。
本發明所涉及的多目標大氣監測及採樣遠程無線測控系統，包括一個測控主機和多個測控子機，測控主機與多個測控子機之間採用半雙工通信。其中，測控主機包括計算機(1)、單片機(2)、指令生成裝置(3)、指令編碼裝置(4)、信號調製裝置(5)、信號發射裝置(6)，接收部分包括信號接收裝置(6)、信號解調裝置(7)、信號解碼裝置(8)、數據處理裝置(9)、單片機(2)、計算機(1)。單片機及PC機及天線等為發射與接收的共用部分。測控中心主機系統的具體結構框圖如圖3所示。圖3中，虛線上面為指令發射部分，虛線下面為指令接收部分。指令的發射與信號的接收組合在一起。天線為發/收共用天線。整個系統在PC機的控制下協調工作。
每個測控子機包括傳感器組(10)、大氣採樣裝置(11)、單片機(12)、指令解碼裝置(13)、信號解調裝置(14)、信號接收裝置/信號發射裝置(15)、信號調製裝置(16)、信號編碼裝置(17)、信號處理裝置(18)、多路開關裝置(19)，傳感器組(10)、多路開關裝置(19)、信號處理裝置(18)、信號編碼裝置(17)、信號調製裝置(16)、信號發射裝置(15)依次相連構成測控子機的信號發射部分，信號接收裝置(15)、信號解調裝置(14)、指令解碼裝置(13)、單片機(12)、大氣採樣裝置(11)依次相連構成測控子機信號接收部分。
大氣採樣裝置包括控制電纜(20)、採氣管(21)、電磁閥(22)、手動閥(23)、真空採氣瓶(24)，控制電纜(20)與電磁閥(22)相連，採氣管(21)、電磁閥(22)、手動閥(23)、真空採氣瓶(24)依次相連。
該測控系統的高空目標點(子機)由氫氣球搭載，根據需要人工放升氣球進行高空布點。整個測控系統簡單、價廉、使用靈活、操作方便，子機及附屬裝置輕巧、可靠。
本發明所涉及的高空大氣的監測和採集系統能在一定區域內對多個目標點的大氣進行連續的監測和採集，並能分析、計算、存儲、顯示分析結果。監測和採集速度快，可靠性高，節省了大量的人力物力。該系統由測控中心(主機)和多個目標點的監測及採樣裝置(子機)組成，形成多位一體的立體大氣環境參數監測及採樣平臺，能在較短的時間內完成對多個目標點的監測和採樣操作，能對一定區域(如以大中城市為監測中心)的大氣環境參數進行實時監測和採樣，通過對所得數據和空氣樣本的分析處理，給出當前該區域的大氣環境質量的統計特性，為經濟的發展和環境保護活動的開展提供可靠的、科學的依據，從而減小環保工作的盲目性。這對確保有限資源的合理利用，同時減小環保耗費具有重大的意義。


圖1多目標大氣監測及採樣遠程無線測控系統模型。
圖2計算機測控操作界面。
圖3測控主機系統組成原理框4測控子機系統組成原理框5採氣裝置的外形結構圖具體實施方式
下面結合附圖對本發明所涉及的多目標大氣監測及採樣遠程無線測控系統作進一步描述1)系統組成及功能描述本系統由測控主機和若干遠程目標子機組成。遠程目標子機可根據大氣環境監測的需要，在測控主機有效半徑內的地面或高空進行目標布點。高空布點採用放飛有線氣球的方式完成。「多目標大氣監測及採樣遠程無線測控系統」模型如圖1所示。
系統的布局方式為以某地(如重慶大學)為測控中心，1至8號子機均勻布置在距離測控中心1Km的地面圓周上，其餘的9至16號子機，通過有線氣球搭載，均勻布置在距離測控中心2Km的高空圓周上，構成一個立體的遠程多目標大氣環境監測及採集系統。當然，也可根據實際需要，靈活布點。
系統的通信工作方式為半雙工方式。在實際工作中，由於傳輸信息量不大，採用半雙工方式，即發射時不接收，接收時不發射。
該系統的信號調製方式為調頻方式。在信號調製方式上，採用調頻方式，以提高系統的抗幹擾能力。
系統的信號編碼方式為DTMF編碼。在信號編碼方式上，由於系統要傳送數據和的命令字較少，可採用DTMF編碼，DTMF編碼較之PCM編碼實現簡單，可靠性高。目標地址編碼在16種雙音頻編碼中，選取十進位數字代碼(如0～9)進行2位地址編碼，類似電話號碼的目標地址編碼識別。控制指令編碼在其餘的非十進位數字代碼(如A、B、C等)的6種特定代碼進行3位編碼，便可實現多種指令編碼。
系統載波頻率的選擇為了避免目標子機間的幹擾，主機的發射頻率與子機的發射機頻率拉開一定的頻率間隔。主機採用90MHz，子機採用120MHz。因此，各子機的接收頻率調諧在90MHz，不能接收子機的120MHz信號，避免了目標子機間的收/發信號的幹擾。
系統的工作程序為(1)系統自檢和目標測距主機首先自檢，然後向1號子機發送地址碼，1號子機收到自己的地址碼後，觸發該子機進入測控狀態，並開始對大氣環境參數的測量。同時，向測控主機發回應答信號。主機收到該子機的應答信號，測出該子機的距離，並創建該子機的測控檔案。如此，按照1～16的編號順序對各目標子機進行建檔。(2)對子機數據的讀取主機讀取各子機的數據是通過向各子機發送數據讀取指令實現的。數據讀取指令字由該子機地址碼與子機數據儲存器的地址指針構成。發送數據讀取指令有按序發送和特邀發送兩種方式。一般情況下，順序讀取數據，在特殊情況下，需要及時知道某子機的數據時，可以中斷順序讀取，而以特邀讀取方式，向該子機發送數據讀取指令，讀回該子機的數據。(3)對子機大氣採集的控制主機對各子機採氣瓶的控制是通過向各子機發送採集控制指令實現的。採集控制指令字由該子機地址碼與子機控制指令編碼構成。發送採集指令也有按序發送和特邀發送兩種方式。
為了使用方便，整個系統的工作由測控主機的PC機控制，系統操作員不必了解本系統許多複雜的技術問題，只需通過運行本系統的專用測控軟體，便會在PC機顯示器自動上面生成「VB操作窗」。操作員通過該操作窗實現人機對話，對系統實施各項操作。「VB操作窗」界面友好，操作方便，其主界面如圖2所示。
在圖2中，按鈕區的圖形按鈕為重啟按鈕。按此按鈕，系統重新啟動並完成自檢，最後出現該控制界面。目標地址菜單欄，錄入目標地址(如子01～子16)。系統在「順序測控工作模式」時，默認起始目標地址為「子01」，按「子01」～「子16」的順序進行循環測控(循環次數可任意設置和修改)。子機地址底色變黑，表示系統已選中該子機，並準備對該子機實施測控，這時按啟動按鈕「啟」，則測控主機開始對該子機發送測控指令並實施測控，同時，目標地址菜單欄的字符變暗，表示這時系統已屏蔽對目標地址菜單欄的一切操作；且目標地址菜單欄下部的「send」字符閃爍，表示系統正在向當前目標子機發送測控指令。當指令發送完畢後，「send」字符停止閃爍，系統進入數據接收狀態，同時「receive」字符開始閃爍，表示系統正在接收當前目標的數據。當數據接收完畢後，「receive」字符的閃爍停止，同時，目標地址菜單欄恢復到可操作狀態。這樣，系統對該子機的測控完成，即將進入下一個目標子機的測控。如果需要對某個目標子機進行優先測控，首先需要按停止按鈕「停」，中斷當前的測控過程，系統便會自動進入「特邀工作模式」，然後在目標地址菜單欄中選中所特邀的目標地址，再按啟動鍵即可。
對於不很熟悉該系統的操作員，可點擊「操作規程」按鈕，會彈出該系統的幫助信息，用戶可以通過學習幫助文件，達到學會操作的目的。
在界面的下部，還有一個「系統簡介」窗口，滾動顯示系統的有關情況，以便讓用戶很好的了解該系統。
當不準備繼續進行測控操作時，按停止按鈕「停」，系統停止工作，保存好當前數據。若準備離開此操作界面，按「退出」按鈕即可。
當系統準備完畢，可在桌面雙擊該可執行文件的圖標即可進入該測控操作界面。測控主機的PC機為各目標子機分配了數據存儲單元，測回的數據會自動存放到相應的位置，可以隨時調用進行統計分析。調用並運行「多目標規劃」分析程序，對測回的多目標參數進行分析，便可得出該參數狀態下大氣壞境的統計特性。從而實現本系統所要求達到的目的。
2)測控主機系統組成測控中心主機主要山發射部分和接收部分組成。發射部分包括計算機(1)、單片機(2)、指令生成裝置(3)、指令編碼裝置(4)、信號調製裝置(5)、信號發射裝置/信號接收裝置(6)、信號解調裝置(7)、信號解碼裝置(8)、數據處理裝置(9)。接收部分包括信號接收裝置(6)、信號解調裝置(7)、信號解碼裝置(8)、數據處理裝置(9)。測控主機系統的具體結構框圖如圖3所示。圖3中，虛線上面為指令發射部分，虛線下面為指令接收部分。指令的發射與信號的接收組合在一起。天線為發/收共用天線。整個系統在PC機的控制下協調工作。
測控中心主機系統主要對各子機進行多目標識別、監控和管理，讀取各子機測量到的大氣環境參數，遙控各子機完成對目標點大氣樣本的採集。
計算機(PC)通過單片機對整個系統進行管理，單片機直接對系統實施智能化控制。指令生成與地址生成器，主要用於生成各目標地址和各種測控指令。指令編碼器，實現對各目標地址和各種測控指令的DTMF編碼。信號調製器採用調頻方式，對DTMF信號進行調製。發/收信機採用半雙工模式，發射工作狀態時，用於對主機已調頻信號進行發射；接收工作狀態時，用於接收被選中目標子機發回的信號。信號解調器，對發/收信機接收到的高頻信號進行解調，得到DTMF信號。信號解碼器，對DTMF信號進行解碼，得到數位訊號。數據處理器對得到的數據進行處理並送數據存儲器。單片機從數據存儲器讀取數據並送入PC機進行顯示和存儲，以備分析調用。主機從而完成一次對某目標子機的測控。
3)目標子機系統組成目標子機系統主要由接收部分和發射部分組成。接收部分包括信號接收裝置(15)、信號解調裝置(14)、指令解碼裝置(13)、單片機(12)、大氣採樣裝置(11)。發射部分包括傳感器組(10)、多路開關裝置(19)、信號處理裝置(18)、單片機(12)、信號編碼裝置(17)、信號調製裝置(16)、信號發射裝置(15)。單片機及天線等為發射與接收的共用部分。目標子機系統的具體結構框圖如圖4所示。在圖4中，虛線上面為指令接收部分，虛線下面為測量數據發射部分。指令的接收與信號的發射組合在一起。天線為收/發共用天線。整個系統在單片機的控制下協調工作。
各子機系統在測控中心主機系統的統一控制下協調工作，主要完成對多目標點的大氣監測和採集，並把測到的參數發送給測控中心主機。
收/發信機採用半雙工模式，接收工作狀態時，用於接收測控主機發來的控制信號；發射工作狀態時，用於向測控主機發射子機的已調頻信號。信號解調器，對收/發信機接收到的高頻信號進行解調，得到DTMF信號。指令解碼器，對DTMF信號進行解碼，得到數字指令並送單片機，再山單片機向各執行機構發出大氣採集控制指令、並將測得的大氣參數發給測控主機。傳感器組，將需要測量的大氣環境參數變換成電信號，多路開關在單片機的編程控制下，將各傳感器測得信號分時送入信號處理器，信號處理器將信號進行數位化處理並存入單片機指定的地址單元。單片機接受主機的讀數指令後，將數據送入信號編碼器。信號編碼器對數位訊號進行DTMF編碼，信號調製器對DTMF信號進行調頻，由信號發射機向主機發回數據。目標子機從而完成一次對本目標點的大氣監測和採集工作。
權利要求
1.一種多目標大氣監測及採樣遠程無線測控系統，包括一個測控主機和多個測控子機，其特徵在於測控主機與多個測控子機之間採用半雙工通信。
2.根據權利要求1所述的多目標大氣監測及採樣遠程無線測控系統，其特徵在於測控主機包括計算機(1)、單片機(2)、指令生成裝置(3)、指令編碼裝置(4)、信號調製裝置(5)、信號發射裝置/信號接收裝置(6)、信號解調裝置(7)、信號解碼裝置(8)、數據處理裝置(9)，計算機(1)與單片機(2)相連，指令塵成裝置(3)、指令編碼裝置(4)、信號調製裝置(5)、信號發射裝置(6)依次相連構成測控主機信號發射部分，信號接收裝置(6)、信號解調裝置(7)、信號解碼裝置(8)、數據處理裝置(9)依次相連構成測控主機接收部分；每個測控子機包括傳感器組(10)、大氣採樣裝置(11)、單片機(12)、指令解碼裝置(13)、信號解調裝置(14)、信號接收裝置/信號發射裝置(15)、信號調製裝置(16)、信號編碼裝置(17)、信號處理裝置(18)、多路開關裝置(19)，傳感器組(10)、多路開關裝置(19)、信號處理裝置(18)、信號編碼裝置(17)、信號調製裝置(16)、信號發射裝置(15)依次相連構成測控子機的信號發射部分，信號接收裝置(15)、信號解調裝置(14)、指令解碼裝置(13)、單片機(12)、大氣採樣裝置(11)依次相連構成測控子機信號接收部分。
3.如權利要求2所述的多目標大氣監測及採樣遠程無線測控系統，其特徵在於大氣採樣裝置包括控制電纜(20)、採氣管(21)、電磁閥(22)、手動閥(23)、真空採氣瓶(24)，控制電纜(20)與電磁閥(22)相連，採氣管(21)、電磁閥(22)、手動閥(23)、真空採氣瓶(24)依次相連。
全文摘要
本發明所涉及的高空大氣監測及採集系統，由測控主機和多個目標子機組成，形成多位一體的立體大氣環境參數監測及採樣平臺，能在短的時間內完成對多個目標點大氣的監測和採樣操作，通過對所得數據和空氣樣本的分析處理，給出當前該區域的大氣環境質量的統計特性，該測控系統的高空目標點子機由氫氣球搭載，根據需要人工放升氣球進行高空布點。該系統能分析、計算、存儲、顯示分析結果。整個測控系統簡單、價廉、使用靈活、操作方便，子機及附屬裝置輕巧、可靠。且監測和採集速度快，可靠性高，節省了大量的人力物力。
文檔編號G01N1/26GK1598591SQ20041004027
公開日2005年3月23日 申請日期2004年7月19日 優先權日2004年7月19日
發明者馮文江, 仲元昌 申請人:重慶大學