基于Lab VIEW和Web服务器的光纤气体传感器监控系统

 程跃，刘  磊，张鹏，叶杨高

 （中国电子科技集团公司第八研究所，安徽合肥230051）

 摘要：光纤气体传感器作为本质安全的传感器，具有其独特的优势。传感器的光谱信号解调及数据远程传输是该传感器实用化的基础。基于Lab VIEW和Web服务器开发了一套光纤气体传感器的监控系统，实现了用户管理，传感器光谱信号采集、处理及气体浓度的信号解调等功能，并通过开发Web服务器实现了数据的远程监控。该系统为光纤气体传感器信号解调及工业现场远程实时监测和数据远程传输提出了一种实用方法。

 关键词：虚拟仪器；Lab VIEW；Web服务器；光纤气体传感；监控系统

 中图分娄号：TP212  文章编号：1006 - 2394( 2016) 04 - 0041  - 04

0  引言

 相比传统的电化学气体传感器，光纤气体传感器作为本质安全的传感器，其具有精度高、选择性好、可靠性高、不中毒、受环境干扰因素较小、寿命长等显著优点，应用范围更加广阔。目前，国内光纤气体传感器还处于研发阶段，该技术还没有实现国产化。其中，光谱信号解调及数据远程传输是该传感器实用化的基础。本文基于Lab VIEW和Web服务器研发了一套光纤气体传感器的监控系统，包括对传感器光谱信号的采集、处理及气体浓度的信号解调和对解调的数据进行远程发布。Lab VIEW是美国国家仪器公司( National Instruments，NI)推出的基于图形化语言的虚拟仪器开发平台，内置信号采集、测量分析与数据显示功能，集开发、调试、运行于一体，而且面向测试工程师，编程非常方便，人机交互界面直观友好，具有强大的数据可视化分析和仪器控制能力等特点，功能强大、开发效率高且应用广泛。数据远程传输结构包括客户端／服务器端( C/S)和浏览器／服务器端( B/S)两种模型，相对C/S模型，B/S模型无需开发用户客户端，通过浏览器可直接访问传感器的Web服务器，对数据变化情况进行远程实时监控，本文采用B/S模型进行数据远程监控的开发。

1  系统硬件组成

 如图1所示是系统硬件组成框图，系统硬件主要由光纤气体传感器、传感器终端计算机及远程监控终端计算机组成。光纤气体传感器是基于气体吸收光谱技术对气体浓度进行实时、在线监测，主要由高功率LED光源、吸收气室、光谱探测器及分析软件四大部分组成。相比传统光源，LED光源的使用寿命较长，可达50 000 h；吸收气室采用多次反射池结构，可

在有限的体积条件下大大增加气体的吸收光程，该气室最大吸收光程可达30 m，对应系统的测量灵敏度可达n mol/mol量级；光谱探测器采用海洋光学的微型光纤光谱仪，光谱探测范围为200~ 600 nm，光谱分辨率为0.2 nm，该光谱仪体积小、质量轻，便于系统集成；系统分析软件采用Lab VIEW进行自主开发，包括传感器的光谱数据信号采集、信号处理、信号解调及气体浓度分析。此外，传感器终端计算机还通过Web服务器对数据进行网页发布，通过浏览器便可进行数据的远程监控。

2  系统软件设计和开发

 如图2所示是光纤气体传感器系统程序流程图，运行传感器终端程序后，首先进入启动界面，启动界面显示软件名称、版本号及版权所有等信息；随后，程序进入用户登录界面，在用户输入正确的用户名和密码后，程序进入到传感器的主程序，用户登录界面还可对用户名和密码进行管理。传感器主程序用于对光纤气体传感器的光谱信号进行实时采集、光谱信号的处理及气体浓度的信号解调，并对获得的数据通过Web服务器进行远程发布，实现数据的共享。

2.1启动界面

  该界面显示软件系统的运行进度情况，包括了软件的名称、软件版权所有权情况及版本号等信息。

2.2用户登录

 系统启动界面运行结束后，程序进入到用户登录界面，如图3所示。该程序在用户输入正确的用户名和密码后才能进入到下一程序，下一程序在类型里面选择，包括分析系统和用户管理系统，选择分析系统，程序进入传感器主程序；选择用户管理系统，程序进入用户管理程序界面，如图4所示是用户管理程序，用于对用户名和密码进行管理，包括用户名及密码的查询、增加、修改和删除。该管理程序基于Microsoft Access 2000数据库和SQL(结构化查询语言，Structured QueryLanguage)进行开发，SQL是一种数据库查询和程序设计语言，用于存取数据以及查询、更新和管理关系的数据库。Lab SQL是一个免费开源的数据库访问工具包，安装方法就是先将Lab SQL文件解压，解压后的文件包括Lab SQL AD Ofunctions和Examples两个文件夹，Lab VIEW安装目录的user. lib文件夹下新建一个Lab SQL文件夹，然后将这两个文件复制进去，重启Lab VIEW就可以在后面板中函数选版的用户模板中找到Lab SQL工具包。如图5所示是用户管理程序框图，查询命令为SELECT*FROM TABLE;增加命令为

INSERT INTO TABLE（用户名，密码）VALUES(’*，’*’)；修改命令为UPDATE TABLE SET密码

=’*’WHERE用户名=’*’；删除命令为DELETEFROM TABLE用户名=’*’。

2.3传感器主程序

 传感器主程序用于对传感器光谱数据的采集、处理及信号解调，并对数据进行网页发布。程序界面包括光谱仪参数设置、测量信息设置、光源信号显示、NO2浓度分析及数据统计与历史数据查询。光源信号显示模块用于实时显示采集到的光源光谱信号，具有光谱基线去除和光谱仪过饱和报警功能，光谱显示范围为400～505 nm。NO2浓度分析模块是根据气体的

光谱吸收理论，利用差分吸收解调算法和NO2气体数据库对传感器测量的吸收光谱信号进行反演，解调出NO2气体浓度，并对NO2气体浓度进行实时显示。传感器主程序界面如图6所示。

2. 3.1光谱数据信号采集及处理

 采用美国海洋光学Maya2000 Pro微型光纤光谱仪对传感器的光谱信号进行采集，利用海洋光学提供的Omn iDriver驱动进行采集程序的开发，该驱动支持Windows XP、Windows 7、Vista、Mac及Linux系统，支持Lab VIEW 7.1及更高版本的Lab VIEW。本文基于Windows XP系统利用Lab VIEW 2009进行程序的开发，如图7所示是开发的光谱信号采集和处理程序，

Wrapper_ Create. vi创建光谱信号采集任务；Wrapper_openAlISpectrometers. vi打开Maya2000 Pro光纤光谱仪；Wrapper_ getSerialNumber. vi、Wrapper-getName.  vi及Wrapper_ getMaximumlntensity. vi分别获得光谱仪的序列号、名称及最大发光强度；Wrapper -setlntegration-Time. vi、Wrapper-etBoxcarWidth. vi及Wrapper-setScansToAverage. vi设定对采集光谱进行去噪处理的参数，分别设定光谱仪的积分时间、Boxcar宽度及光谱平均数；Wrapper-getWavelengths. vi和Wrapper-getSpectrum. vi分别用于获得光谱信号的波长数据和

对应波长的发光强度数据。

2.3.2光谱数据信号解调

 光纤气体传感器对采集到的光谱信号需要进行信号解调才能获得相应的气体成分和浓度信息，解调算法采用差分光学吸收光谱法( DOAS)，该方法被广泛应用于大气气体监测领域。DOAS利用某些气体分子在紫外，可见波段有特征吸收，来解调气体的浓度。基于DOAS的光谱测量方法遵守朗伯-比尔定律：

2.4远程监控实现及测试结果

 基于浏览器／服务器端( B/S)模型进行数据的远程监控，首先要对传感器服务器计算机上的Web服务器进行配置。打开传感器的主程序，从菜单栏中的Tools—Web Publishing Tool打开配置页面，如图9所示，首先从“VI name”栏中选择要发布的VI程序名，在查看模式中有三个选项，分别为嵌入模式、快照模式和监视模式。内嵌模式是把VI前面板嵌入到浏览器中，使客户端能远程查看和控制前面板，只有选择内嵌模式中的方框，客户端才能向服务器发布控制请求；快照模式是在浏览器中显示前面板的静态图片；监视模式连续更新显示前面板的快照图片，并且可以设置更新的时间间隔。

  配置完Web服务器后，还需要在客户端计算机上安装Lab VIEW Run-Time Engine才能在浏览器中进行服务器访问。在客户端浏览器地址栏中输入想要控制的VI网址，其中，局域网格式为：http://PcName orIpAddr/ ViName. htm, Internet格式为：http://IpAddr/ViName. htm。如图10所示是光纤气体传感器远程测试结果，如果想实现远程对服务器上传感器程序的控

制，只需要单击鼠标右键，在下拉菜单中选择RequestControl of VI就可以获得其控制权限。

3结束语

 基于Lab VIEW开发了光纤气体传感器的监控系统，该系统利用Microsoft Access 2000数据库和SQL语言开发了用户管理程序，该管理程序开发为一个独立的子vi，可以应用到其他的程序中，具有很好的移植性。采用海洋光学提供的OmniDriver驱动开发了传感器的光谱信号数据采集程序及基于DOAS算法开发了传感器的信号解调程序；基于Web服务器开发了系统的数据远程传输，并进行了实际测试，结果表明该系统完全可以实现数据的远程监控。