专利名称：多目标大气监测及采样远程无线测控系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种大气监测及采集(或采样)系统，尤其涉及一种能在同一时间对一定区域(如以大中城市为监测中心)该区域内的各目标点的大气进行远程无线监测和采样的系统。
背景技术：
目前，地面大气的监测和采集通常是分别进行的，而且一般只能对单个目标单独进行，并且要测量多次，取其平均值；如果要对多个目标进行大气监测和采集，只能依次分别进行，每变换一个目标点，要搬动和重新安装仪器，费时费事，使其测得的结果在时间上的相关性很小。由于气象条件变化无常，有害有毒气体的排放和扩散情况复杂，所以，由此得到的结果颇具片面性，不能实时真实地反映该区域的大气状况。而且，高空大气的监测和采集耗费更为巨大，通常采用专用飞机或放升探测气球进行，而且也不能实现同时对多个目标点监测和采集的目的。
发明内容
本发明的目的在于克服上述高空大气的监测和采集现有技术中的不足，而研制了一种多目标大气监测及采样远程无线测控系统。
该系统的主要任务及技术要求是①测定目标点(子机)的距离，为主机与子机间通信作准备(子机至少16个，主机与子机间的作用距离大于2公里，既能进行语音通信，又能进行数据通信)；②对目标点(子机)大气的大气压、环境温度、风速、风向等大气参数进行实时测量；③把目标点测到的数据传回测控中心主机；④完成对目标点大气样本的采集。
本发明所涉及的多目标大气监测及采样远程无线测控系统，包括一个测控主机和多个测控子机，测控主机与多个测控子机之间采用半双工通信。其中，测控主机包括计算机(1)、单片机(2)、指令生成装置(3)、指令编码装置(4)、信号调制装置(5)、信号发射装置(6)，接收部分包括信号接收装置(6)、信号解调装置(7)、信号译码装置(8)、数据处理装置(9)、单片机(2)、计算机(1)。单片机及PC机及天线等为发射与接收的共用部分。测控中心主机系统的具体结构框图如图3所示。图3中，虚线上面为指令发射部分，虚线下面为指令接收部分。指令的发射与信号的接收组合在一起。天线为发/收共用天线。整个系统在PC机的控制下协调工作。
每个测控子机包括传感器组(10)、大气采样装置(11)、单片机(12)、指令解码装置(13)、信号解调装置(14)、信号接收装置/信号发射装置(15)、信号调制装置(16)、信号编码装置(17)、信号处理装置(18)、多路开关装置(19)，传感器组(10)、多路开关装置(19)、信号处理装置(18)、信号编码装置(17)、信号调制装置(16)、信号发射装置(15)依次相连构成测控子机的信号发射部分，信号接收装置(15)、信号解调装置(14)、指令解码装置(13)、单片机(12)、大气采样装置(11)依次相连构成测控子机信号接收部分。
大气采样装置包括控制电缆(20)、采气管(21)、电磁阀(22)、手动阀(23)、真空采气瓶(24)，控制电缆(20)与电磁阀(22)相连，采气管(21)、电磁阀(22)、手动阀(23)、真空采气瓶(24)依次相连。
该测控系统的高空目标点(子机)由氢气球搭载，根据需要人工放升气球进行高空布点。整个测控系统简单、价廉、使用灵活、操作方便，子机及附属装置轻巧、可靠。
本发明所涉及的高空大气的监测和采集系统能在一定区域内对多个目标点的大气进行连续的监测和采集，并能分析、计算、存储、显示分析结果。监测和采集速度快，可靠性高，节省了大量的人力物力。该系统由测控中心(主机)和多个目标点的监测及采样装置(子机)组成，形成多位一体的立体大气环境参数监测及采样平台，能在较短的时间内完成对多个目标点的监测和采样操作，能对一定区域(如以大中城市为监测中心)的大气环境参数进行实时监测和采样，通过对所得数据和空气样本的分析处理，给出当前该区域的大气环境质量的统计特性，为经济的发展和环境保护活动的开展提供可靠的、科学的依据，从而减小环保工作的盲目性。这对确保有限资源的合理利用，同时减小环保耗费具有重大的意义。
图1多目标大气监测及采样远程无线测控系统模型。
图2计算机测控操作界面。
图3测控主机系统组成原理框4测控子机系统组成原理框5采气装置的外形结构图具体实施方式
下面结合附图对本发明所涉及的多目标大气监测及采样远程无线测控系统作进一步描述1)系统组成及功能描述本系统由测控主机和若干远程目标子机组成。远程目标子机可根据大气环境监测的需要，在测控主机有效半径内的地面或高空进行目标布点。高空布点采用放飞有线气球的方式完成。“多目标大气监测及采样远程无线测控系统”模型如图1所示。
系统的布局方式为以某地(如重庆大学)为测控中心，1至8号子机均匀布置在距离测控中心1Km的地面圆周上，其余的9至16号子机，通过有线气球搭载，均匀布置在距离测控中心2Km的高空圆周上，构成一个立体的远程多目标大气环境监测及采集系统。当然，也可根据实际需要，灵活布点。
系统的通信工作方式为半双工方式。在实际工作中，由于传输信息量不大，采用半双工方式，即发射时不接收，接收时不发射。
该系统的信号调制方式为调频方式。在信号调制方式上，采用调频方式，以提高系统的抗干扰能力。
系统的信号编码方式为DTMF编码。在信号编码方式上，由于系统要传送数据和的命令字较少，可采用DTMF编码，DTMF编码较之PCM编码实现简单，可靠性高。目标地址编码在16种双音频编码中，选取十进制数字代码(如0～9)进行2位地址编码，类似电话号码的目标地址编码识别。控制指令编码在其余的非十进制数字代码(如A、B、C等)的6种特定代码进行3位编码，便可实现多种指令编码。
系统载波频率的选择为了避免目标子机间的干扰，主机的发射频率与子机的发射机频率拉开一定的频率间隔。主机采用90MHz，子机采用120MHz。因此，各子机的接收频率调谐在90MHz，不能接收子机的120MHz信号，避免了目标子机间的收/发信号的干扰。
系统的工作程序为(1)系统自检和目标测距主机首先自检，然后向1号子机发送地址码，1号子机收到自己的地址码后，触发该子机进入测控状态，并开始对大气环境参数的测量。同时，向测控主机发回应答信号。主机收到该子机的应答信号，测出该子机的距离，并创建该子机的测控档案。如此，按照1～16的编号顺序对各目标子机进行建档。(2)对子机数据的读取主机读取各子机的数据是通过向各子机发送数据读取指令实现的。数据读取指令字由该子机地址码与子机数据储存器的地址指针构成。发送数据读取指令有按序发送和特邀发送两种方式。一般情况下，顺序读取数据，在特殊情况下，需要及时知道某子机的数据时，可以中断顺序读取，而以特邀读取方式，向该子机发送数据读取指令，读回该子机的数据。(3)对子机大气采集的控制主机对各子机采气瓶的控制是通过向各子机发送采集控制指令实现的。采集控制指令字由该子机地址码与子机控制指令编码构成。发送采集指令也有按序发送和特邀发送两种方式。
为了使用方便，整个系统的工作由测控主机的PC机控制，系统操作员不必了解本系统许多复杂的技术问题，只需通过运行本系统的专用测控软件，便会在PC机显示器自动上面生成“VB操作窗”。操作员通过该操作窗实现人机对话，对系统实施各项操作。“VB操作窗”界面友好，操作方便，其主界面如图2所示。
在图2中，按钮区的图形按钮为重启按钮。按此按钮，系统重新启动并完成自检，最后出现该控制界面。目标地址菜单栏，录入目标地址(如子01～子16)。系统在“顺序测控工作模式”时，默认起始目标地址为“子01”，按“子01”～“子16”的顺序进行循环测控(循环次数可任意设置和修改)。子机地址底色变黑，表示系统已选中该子机，并准备对该子机实施测控，这时按启动按钮“启”，则测控主机开始对该子机发送测控指令并实施测控，同时，目标地址菜单栏的字符变暗，表示这时系统已屏蔽对目标地址菜单栏的一切操作；且目标地址菜单栏下部的“send”字符闪烁，表示系统正在向当前目标子机发送测控指令。当指令发送完毕后，“send”字符停止闪烁，系统进入数据接收状态，同时“receive”字符开始闪烁，表示系统正在接收当前目标的数据。当数据接收完毕后，“receive”字符的闪烁停止，同时，目标地址菜单栏恢复到可操作状态。这样，系统对该子机的测控完成，即将进入下一个目标子机的测控。如果需要对某个目标子机进行优先测控，首先需要按停止按钮“停”，中断当前的测控过程，系统便会自动进入“特邀工作模式”，然后在目标地址菜单栏中选中所特邀的目标地址，再按启动键即可。
对于不很熟悉该系统的操作员，可点击“操作规程”按钮，会弹出该系统的帮助信息，用户可以通过学习帮助文件，达到学会操作的目的。
在界面的下部，还有一个“系统简介”窗口，滚动显示系统的有关情况，以便让用户很好的了解该系统。
当不准备继续进行测控操作时，按停止按钮“停”，系统停止工作，保存好当前数据。若准备离开此操作界面，按“退出”按钮即可。
当系统准备完毕，可在桌面双击该可执行文件的图标即可进入该测控操作界面。测控主机的PC机为各目标子机分配了数据存储单元，测回的数据会自动存放到相应的位置，可以随时调用进行统计分析。调用并运行“多目标规划”分析程序，对测回的多目标参数进行分析，便可得出该参数状态下大气坏境的统计特性。从而实现本系统所要求达到的目的。
2)测控主机系统组成测控中心主机主要山发射部分和接收部分组成。发射部分包括计算机(1)、单片机(2)、指令生成装置(3)、指令编码装置(4)、信号调制装置(5)、信号发射装置/信号接收装置(6)、信号解调装置(7)、信号译码装置(8)、数据处理装置(9)。接收部分包括信号接收装置(6)、信号解调装置(7)、信号译码装置(8)、数据处理装置(9)。测控主机系统的具体结构框图如图3所示。图3中，虚线上面为指令发射部分，虚线下面为指令接收部分。指令的发射与信号的接收组合在一起。天线为发/收共用天线。整个系统在PC机的控制下协调工作。
测控中心主机系统主要对各子机进行多目标识别、监控和管理，读取各子机测量到的大气环境参数，遥控各子机完成对目标点大气样本的采集。
计算机(PC)通过单片机对整个系统进行管理，单片机直接对系统实施智能化控制。指令生成与地址生成器，主要用于生成各目标地址和各种测控指令。指令编码器，实现对各目标地址和各种测控指令的DTMF编码。信号调制器采用调频方式，对DTMF信号进行调制。发/收信机采用半双工模式，发射工作状态时，用于对主机已调频信号进行发射；接收工作状态时，用于接收被选中目标子机发回的信号。信号解调器，对发/收信机接收到的高频信号进行解调，得到DTMF信号。信号译码器，对DTMF信号进行译码，得到数字信号。数据处理器对得到的数据进行处理并送数据存储器。单片机从数据存储器读取数据并送入PC机进行显示和存储，以备分析调用。主机从而完成一次对某目标子机的测控。
3)目标子机系统组成目标子机系统主要由接收部分和发射部分组成。接收部分包括信号接收装置(15)、信号解调装置(14)、指令解码装置(13)、单片机(12)、大气采样装置(11)。发射部分包括传感器组(10)、多路开关装置(19)、信号处理装置(18)、单片机(12)、信号编码装置(17)、信号调制装置(16)、信号发射装置(15)。单片机及天线等为发射与接收的共用部分。目标子机系统的具体结构框图如图4所示。在图4中，虚线上面为指令接收部分，虚线下面为测量数据发射部分。指令的接收与信号的发射组合在一起。天线为收/发共用天线。整个系统在单片机的控制下协调工作。
各子机系统在测控中心主机系统的统一控制下协调工作，主要完成对多目标点的大气监测和采集，并把测到的参数发送给测控中心主机。
收/发信机采用半双工模式，接收工作状态时，用于接收测控主机发来的控制信号；发射工作状态时，用于向测控主机发射子机的已调频信号。信号解调器，对收/发信机接收到的高频信号进行解调，得到DTMF信号。指令译码器，对DTMF信号进行译码，得到数字指令并送单片机，再山单片机向各执行机构发出大气采集控制指令、并将测得的大气参数发给测控主机。传感器组，将需要测量的大气环境参数变换成电信号，多路开关在单片机的编程控制下，将各传感器测得信号分时送入信号处理器，信号处理器将信号进行数字化处理并存入单片机指定的地址单元。单片机接受主机的读数指令后，将数据送入信号编码器。信号编码器对数字信号进行DTMF编码，信号调制器对DTMF信号进行调频，由信号发射机向主机发回数据。目标子机从而完成一次对本目标点的大气监测和采集工作。
权利要求
1.一种多目标大气监测及采样远程无线测控系统，包括一个测控主机和多个测控子机，其特征在于测控主机与多个测控子机之间采用半双工通信。
2.根据权利要求1所述的多目标大气监测及采样远程无线测控系统，其特征在于测控主机包括计算机(1)、单片机(2)、指令生成装置(3)、指令编码装置(4)、信号调制装置(5)、信号发射装置/信号接收装置(6)、信号解调装置(7)、信号译码装置(8)、数据处理装置(9)，计算机(1)与单片机(2)相连，指令尘成装置(3)、指令编码装置(4)、信号调制装置(5)、信号发射装置(6)依次相连构成测控主机信号发射部分，信号接收装置(6)、信号解调装置(7)、信号译码装置(8)、数据处理装置(9)依次相连构成测控主机接收部分；每个测控子机包括传感器组(10)、大气采样装置(11)、单片机(12)、指令解码装置(13)、信号解调装置(14)、信号接收装置/信号发射装置(15)、信号调制装置(16)、信号编码装置(17)、信号处理装置(18)、多路开关装置(19)，传感器组(10)、多路开关装置(19)、信号处理装置(18)、信号编码装置(17)、信号调制装置(16)、信号发射装置(15)依次相连构成测控子机的信号发射部分，信号接收装置(15)、信号解调装置(14)、指令解码装置(13)、单片机(12)、大气采样装置(11)依次相连构成测控子机信号接收部分。
3.如权利要求2所述的多目标大气监测及采样远程无线测控系统，其特征在于大气采样装置包括控制电缆(20)、采气管(21)、电磁阀(22)、手动阀(23)、真空采气瓶(24)，控制电缆(20)与电磁阀(22)相连，采气管(21)、电磁阀(22)、手动阀(23)、真空采气瓶(24)依次相连。
全文摘要
本发明所涉及的高空大气监测及采集系统，由测控主机和多个目标子机组成，形成多位一体的立体大气环境参数监测及采样平台，能在短的时间内完成对多个目标点大气的监测和采样操作，通过对所得数据和空气样本的分析处理，给出当前该区域的大气环境质量的统计特性，该测控系统的高空目标点子机由氢气球搭载，根据需要人工放升气球进行高空布点。该系统能分析、计算、存储、显示分析结果。整个测控系统简单、价廉、使用灵活、操作方便，子机及附属装置轻巧、可靠。且监测和采集速度快，可靠性高，节省了大量的人力物力。
文档编号G01N1/26GK1598591SQ20041004027
公开日2005年3月23日 申请日期2004年7月19日 优先权日2004年7月19日
发明者冯文江, 仲元昌 申请人:重庆大学