（环境工程专业论文）基于labview的大气污染远程监测技术的研究.pdf

西 安 工 程科 技 学院 硕士 研究 生 举 位 场文 摘鉴 大气环境作为人类赖以生存和发展的必要条件， 越来越受到重视，空 气质量己成为评价一个城市优劣的重要标志。 作为大气保护基础工作的人 气环境监测也越来越显示出其重要性。在实际丁作中随着监测项 日的增 多，监测范围的扩大，点位的密布，手工监测己难以满足要求。但现有的 大污染 自动监测网络也基本 1 局限于通过电话线的点对点式的通讯， 地区 之间缺少利用 工 n t e r n e t实现监测站间的横向联系，尤其是需要多部门合 作解决的大气污染问题，较少应用 i n t e r n e t技术进行解决。而且，我国 大气污染 自动监测系统基本上是靠引进国外技术及设备来完成的， 不但价 格昂贵，而且我国的具体实际结合不够， 尤其是在系统结构、数据采集、 远程控制与诊断方面同我们韵实际要求相去甚远。 为 了解 决土述种种 问题 ，本文从用户需求和功能分析入手 ，采用 了虚 拟仪器技术和 i n t e r n e t 技术开发大气污染监测系统， 通过 i n t e r n e t网对 一 个 城 镇 或 一 i1 地 区 的 杏 气 污 染 清 况 进 行 远 程 监 测 、 分 析 和 处 理 。 本文主要完成了三方面的工作:选择测试精度高、反应速度快的在线 测试仪器以及其它硬件 正确设 计数据库结梅、 软件构建数据采集系统:合理选 择数据库系统 ， 妙咖畴 的监测 源 、用 户 和 监 测 数 求开发远程通 讯应用系统 全 。 据库技术 与 i n t e r n e t 结合起来实现基于 w e b 的信息管理系统:按照大气污 染监测 的实际要 以保证监测数据传送的正确、快速 、准确、安 通过本系统 的开发得 出 了以下结论 : 木系统采用 了b / s结构的大气污染信息管理方式， 优越于现有大多系 统使用 的 us结构。采用远程实时监测方式，可及时 了解某地区或某企业 的 大 气污染物排放情况， 并 可保 证数 据的可信 度。 可同 时对多点 进行 监测， 使得数据具有可比性。 本系统的优势在于利川了 i n t e r n e t 网覆盖范围广、 信息传递速度快、 无地域限制，一节省巨额建网费等优势，解决了人气污染的大范围、实时、 长期、在线监测难题。将代表 了仪器发展方向的虚拟仪器技术引入到 了大 l 西安工程科技学院硕士研究生学位论文 气污染监测系统 ，克服了传统大气污染监测仪器 由厂家定义，用户无法 改 变的缺点，使系统具有界面美观，灵活性高，扩充性好，开发周期短，开 发成本低等优点。 伴随着i n t e r n e t 的迅猛发展以及现代测量理念的变化，特别是 “ 软件 就是仪器”的概念逐步深入人心，基于l a b v i e w 开发的大气污染远程监测 系统必有广阔的发展前景 。 关键词 : l a b v i e w , i n t e r n e t ，大气污染，虚拟仪器，远程监测 q / s 西安工程科技学院硕士研究生学位论文 l a b v i e w b a s e d r e s e a r c h o f r e m o t e m o n i t o r i n g t e c h n o l o g y f o r ai r p ol l u ti o n a b s t r a c t t h e a t m o s p h e r e a s t h e e s s e n t i a l e n v i r o n m e n t f o r m a n k i n d s e x i s t e n c e a n d d e v e l o p m e n t , b e i n g m o r e a n d m o r e i m p o r t a n t , t h e a i r q u a n t i t y h a s b e c o m e i m p o r t a n t m a r k i n g t h a t e v a l u a t e a c i t y s r i v a l r o u s n e s s a a t m o s p h e r e p o l l u t i o n m o n i t o r i n g i m p o r t a n c e i n c r ea si n g i s t h e f o u n d a t i o n w o r k o f a t m o s p h e r e p r o t e c t i o n。i t d i s p l a y i t s g r a d u a l l y。 i n p r a c t i c e， a c c o m p a n y w i t h m o n i t o r i n g i t e m s ，s c o pe s e x t e n d i n g a n d s t a t i o n s a u g m e n t i n g , h a n d i c r a f t a l r e a d y h a s d i f f i c u l t y t o a d a p t t o t h e d e m a n d 。b u t ，t h e m o s t m o n i t o r i n g a t m o s p h e r e m o n i t o r i n g s y s t e m r e s t r i c t t o p o i n t - t o - p o i n t c o m m u n i c a t e b y t e l e p h o n e a t p r e s e n t , t h e r e i s a l a c k o f t e a m w o r k w o r k a m o n g s t a t i o n s b y i n t e r n e t , e s p e c i a l l y , l a c k o f c o r p o r a t i o n a t r e s o l v e t h e c o m p l i c a t e d q u e s t i o n o f a i r p o l l u t i o n。 f u r t h e r m o r e , o u r a t m o s p h e r e m o n i t o r i n g s y s t e m s b e i n g u s e d i s i n t r o d u c e d f o r e i g n t e c h n o l o g y a n d e q u i p m e n t , n o t o n l y e x p e n s i v e b u t a l s o d o n o t a d a p t t o o u r p r a c t i c e . e s p e c i a l l y , i t i s f a l l s h o r t o f o u r d e s i r e a t t h e a s p e c t s o f s y s t e m c o n s t r u c t i o n , d a t a a c q u i s i t i o n , r e m o t e c o n t r o l a n d d i a g n o s e。 f o r r e s o l v i n g a l l k i n d s o f i n s t r u m e n t a n d i n t e r n e t t e c h n o l o g y q u e s t i o n a b o v e , t h e p a p e r a d o p t v i r t u e t o d e v e l o p a t m o s p h e r e m o n i t o r s y s t e m b y a n a l y s e s t h e c o n s u m e r d e m a n d s a n d s y s t e m f u n c t i o n s . t h i s s y s t e m r e m o t e m o n i t o r , a n a l y s e s a n d m a n a g e a t o w n o r a c i t y s a i r p o l l u t i o n s t a t u s t h r o u g h i n t e r n e t。 t h i s p a p e r c o m p l e t e t h r e e a s p e c t s w o r k p r i m a r i l y : s e l e c t a c c u r a c y、 f a s t a n d o n - l i n e i n s t r u m e n t ，o t h e r h a r d w a r e a n d s o f t w a r e f o r d a t a a c q u i s i t i o n s y s t e m s c o n s t r u c t i o n; s e l e c t d a t a b a s e a p p r o p r i a t e , d e s i g n d a t a b a s e s s t r u c t u r e c o r r e c t l y , r e a l i z e w e b - b a s e d m a n a g e o f s t a t i o n s , c u s t o m e r s a n d d a t a b y i n t e g r a t e d a t a b a s e a n d i n t e r n e t ; d e v e l o p r e m o t e m o n i t o r i n g s y s t e m a c c o r d i n g t f 西安工程科技学院硕士研究生学位论文 t o a c t u a l d e m a n d , i n s u r e m o n i t o r i n g d a t a t r a n s m i s s i o n c o r r e c t l y , r a p i d l y . a c c u r a t e l y a n d s e c u r e . w e d r a w f o l l o w c o n c l u s i o n s t h r o u g h t h i s s y s t e ms d e v e l o p m e n t : t h i s s y s t e m a d o p t t h e b / s m o d e f o r d a t a m a n a g e . i t s s u p e r i o r t o c / s m o d e t h a t m o s t s y s t e m a r e u s e d c u r r e n t l y . w e c o u l d u n d e r s t a n d t h e a t m o s p h e r e p o l l u t i o n s t a t u s i n t i m e a m o n g r e g i o n s a n d c o r p o r a t i o n s， e n s u r e t h e r e s u l t s r e l i a b i l i t y b y m o n i t o r i n g i s r e a l t i m e m o n i t o r i n g . d a t a s p e r t i n e n c e i s b e t t e r , b e c a u s e s y n c h r o n o u s a m o n g s t a t i o n s . t h i s s y s t e m s i n n o v a t i o n i s t h e t a k e a d v a n t a g e o f i n t e r n e t s a d v a n t a g e t h a t d i s t r i b u t i n g b r o a d , i n f o r m a t i o n t r a n s m i t r a p i d l y , h a v e n o r e s t r i c t o f t e r r a i n a n d r e d u c e c o s t o f n e t c o n s t r u c t . t h i s m e t h o d r e s o l v e a t m o s p h e r e s f a r g o i n g , r e a l t i m e 、l o n g t i m e a n d o n l i n e m o n i t o r 。 t h i s s y s t e m i n t r o d u c e v i r t u e i n s t r u m e n t t e c h n o l o g y t h a t r e p r e s e n t t h e n e w d i r e c t i o n。t h i s s y s t e m p o s s e s s t h e a d v a n t a g e o f b e a u t i f u l i n t e r f a c e 、a g i l e 、g o o d e x p a n s i b i l i t y 、s h o r t d e v e l o p m e n t p e r i o d s a n d l o w d e v e l o p m e n t c o s t , a n d i t o v e r c o m e t h e d i s a d v a n t a g e o f t r a d i t i o n i n s t r u m e n t s f u n c t i o n i s d e f i n e d b y p r o d u c e r a n d c o n s u m e r c a n n o t c h a n g e。 a c c o m p a n y w i t h t h e d e v e l o p m e n t o f t h e i n t e r n e t a n d t h e c h a n g e o f t h e m o d e r n m o n i t o r c o n c e p t i o n , e s p e c i a l l y s o f t w a r e i s i n s t r u m e n t i s g r a d u a l l y a c c e p t b y p e o p l e , t h e r e m o t e m o n i t o r i n g s y s t e m f o r a i r p o l l u t i o n u s i n g l a b v i e w w o u l d b e h a s a e x t e n s i v e a p p l i c a t i o n . w r i t t e n b y : y i n h a i - m i n g ( h v a c ) d i r e c t e d b y : w a n g h u i - r a n ( k e y w o r d s : l a b v i e w , m o n i t o r ， i n t e r n e t , a i r p o l l u t i o n , v i r t u e i n s t r u m e n t , r e m o t e b / s 份 西安工程科技学院硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 . 1 课魔来源 “ 菜于 l a b v i g w的大气污染远程监测技术的研究” 是陕西省教育厅 2 0 0 1 年科学研究计划项目一一 “ 基于 i n t e r n e t的大气污染监测技术的研究”的 科技攻关课题 ( o . o i j k 1 8 5 , 2 0 0 2 . 1 -2 0 0 3 . 1 2 ) 0 1 . 2本课题研究的背景和意义 我国经济正处在高速发展期， 如能源、交通规模的扩大、城市人口的膨 胀、大型工业开发区的发展等，这使大气污染物排放总量不断增加，污染范 围不断扩大，大气环境污染问题日趋严重 ， ， 。据世界卫生组织 1 9 9 8年公布 的 5 4个国家 2 7 2个城市大气污染评价结果表明: 大气污染最严重的 1 0个城 市中， 我国就占了 7个。大气污染的形成及其对人类、其他生物和环境要素 造成的危害己被世人所知 9 , , , 4 , 5 1 大气环境作为人类赖以生存和发展的必要条件，随着社会的发展，越来 越受到重视，空气质量己成为评价一个城市优劣的重要标志。作为大气保护 基础工作的大气环境监测也越来越显示出其重要性。鉴于此，2 0 0 1 年 7月， 国务院专门召开会议做出一个重要决定:国家将在今后加大资金投入，加大 对大气环境方而的监测力度。江泽民总书记也曾指示:“ 监测是环境管理的 重要手段之一，连续监测、定时监测和严格的管理相结合，才能准确反映环 境质量状况，才能有针对性地加强监督管理。 ” 日前，虽然大部分城市建成了大气监测系统，但大多数仍停留在人工监 测的水乎卜 ，只能进行定时、定点的抽检或临检，其监测结果的代表性差， 难以反映监测对象参数的连续变化情况。 在监测单位内部， 监测过程也大都 依靠手工操作，导致工艺运行的直观性差、对操作者要求高等缺陷。在实际 工作中随着监测项目的增多， 监测范围的扩大， 点位的密布， 距离越来越远. 大量的数据需要进行处理、分类， 还要进行分析、比较，一个监测站多时段 数据分类， 多个监测站同类数据的对比， 上级管理部门对下一级数据的抽查、 西安工程科技学院硕士研究生学位论文 趋势分析等己变得越来越重要，因此手工监测己难以满足要求。 但是现有的 大污染自动监测网络基本上仍局限于通过电话线的点对点式的通讯， 地区之 间缺少利用 i n t e r n e t实现监测站间的横向联系，尤其是对需要多部门共同 合作完成的大型工程和运行期间遇到的大气污染问题，较少利用 i n t e r n e t 技术进行解决。 而 且， 我国大气污染 自动监测系统基本上是靠引进国外技术及设备来完 成的” 。而引进的设备和系统不但价格昂贵，而且往往与我国的具体实际结 合不够。 尤其是在系统结构、数据采集、远程控制与诊断方面同我们的实际 要求相去甚远。 由于生产厂家开发的侧重点不同， 设备的硬件水平参差不齐， 软件的供应也不相同， 直接影响到了运行效果。 为了解决上述种种问题， 本文尝试研究出一套基于l a v i e w 的大气污染远 程监测系统，通过i n t e r n e t 对一个城镇或一个地区的大气污染情况进行监 测、 分析和处理。 该系统能够利用i n t e r n e t 网覆盖范围广、 信息传递速度快、 无地域限制等特点，以及虚拟仪器技术的优势，解决了大气污染的大范围、 长期 、在线监测。 国内外大气污染监测系统研究现状 国内大气污染监测系统研究现状 1 9 7 2年全国第一次环境保护工作会议以来，我国环境 自动监测经历 j从 时a3 实tt 了从无到有，逐步发展和完善的过程。上世纪八十年代我国北京、f 几 海等城 市即开展了大气污染自动监测系统的研制工作， 并陆续建立了大气污染自动 监测系统 丁 。自 1 9 8 4年北京市环境监测中心建设中国第一个环境空气质量 自动监测系统以来， 国家环保重点城市基本 卜 都建设 了环境空气质量自动监 测系统: 旧 三 。 该系统的建立对于我国现行的“ 粗放监测“ 来说可谓是一次飞跃， 为我国进一步强化监督管理、 污染控制作了必要的技术储备， 对于推动我国 环境监测技术现代化，加强国际间学术交流合作无疑起了积极作用。 近儿年来， 国内空气自动监测系统主要引进美国几家较有影响的专业生 产厂家的产品， 如美国热电子公司( 简称 t e 公司) 、 美国a p i 公司( 简称a p i ) , 美国m o n i t o r 公司、 美国达西比公司 等， 也有个别法国e s a公司和日 本公司 西安工程科技学院硕士研究生学位论文 的产.iin 。这些公司提供的产.nm均以千法仪器为主， 一台设备测量一个和最多 两个参数。图 1 - 1是美国 a p i公司比较完整的能够进行多点校准， 典型的全 干法系统结构图。1 -4是风速、风向、温湿度、气压，5是动态多点校准仪 7 0 0 的控制线， 6 一 1 0是阀门切换控制输出， a 一 h是各参数浓度输入， i 是 p m , 0 测量浓度。 - .认 内 废气出n 图 1 - 1干法监测子站配置图 国内也有一些城市引进瑞典 o p s i s公司或美国热电子公司、 法国e s a公 司的差分光谱法( 也称长光程法) 设备， 来替代 s o : 和 k 0 , 、 o , 等参数的测量。 这类设备由于除了一台设备能够分时测量以 卜 三个主要参数外， 还能测量如 t ii c / c t l , / n m i i c / b t x 等有机污染参数， 因此受到一些用户的青睐。 国内大部分空气质量 自动监测系统基本 卜 是采用传统的专用数据采集 器传输系统， 它的工作原理是子站中的分析仪对空气中的污染物进行直接监 测， 监测到的浓度值经过量程设定变换成模拟量后送入数据采集器， 也就是 大家熟悉的8 8 0 0 ( e s c 制造 美国a n采用) , 8 0 0 1 ( 美国达西比采用) , 6 0 0 2 ( 美 国t e 采用) ， s a m 3 2 ( 法国e s a 采用) 。 数据采集器对所采集的数据进行分类保 存， 中心站的微机通过调制解调器用拨号方式与子站联系，获取采集器中的 数据， 利用报表软件对所获得数据进行编辑处理。这种系统结构简单、造价 西安工程科技学院硕士研究生学位论文 低， 人民币 5 0万元左右即可建成一个子站， 但其可扩 一 展性与测控能力是相当 有限的， 譬如校准只能通过内标源和简单的零系统定时做零点校准和单点校 准 。 不过，随着 工 n t e r n e t 、虚拟仪器技术和计算机业的迅猛发展，我们已 具备了实现基于 l a b v i e w的大气污染远程监测技术的硬件体系基础， 如安徽 光机所于 1 9 9 9年、2 0 0 0年、2 0 0 1年分别研制成功了紫外荧光法空气质量 s o : 自动监测仪、化学发光法空气质量 n o , 自动监测仪、0射线法空气质最 p n ,o 自动监测仪以及长程差分吸收光谱 ( d a d s )环境空气质量监测系统，并 己投入生产， 丁 。此外，还有大连中环环保系统工程有限公司的z h - 2 5 2 1 烟气 在线自动监测系统，河北先河、武汉天虹等公司的产品。在软件方面，实时 监测，远程监测，虚拟仪器等技术也都有了一定的成果和经验。但是目前我 国大气污染监测对 工 n t e r n r t的利用只局限于重点监测站点间的监测报告传 输，因此，充分利用 i n t e r n e t的优势，开展大气污染远程监测技术的研究 完全可行且势在必行。 1 . 3 . 2国外大气污染监测系统研究现状 发达国家进入 2 0世纪中叶后，由于生产力的高速发展和科学技术的突 飞猛进，排放的工业污染物迅速增加，由此引发的环境公害事件接连不断。 如:1 9 4 8年 1 0月美国的多诺拉烟雾事件，1 9 5 2年 1 2月英国的伦敦烟雾事 件等 。 。 在经历了环境污染公害时代后， 一些发达国家采取了一系列的措施， 控制了污染，减少了排放总量。 6 0年代末一7 0年代初世界 l 许多发达国家相继建立了大气污染自动监 测系统 ( a p n s ) ,实现了在一个地区进行多点、同步、连续监测。对大的工 业锅炉、窑炉、烟尘、粉尘等大气污染源己实行在线连续监测系统，并实现 联网 ， 。目前，美国a p n s 有 6 0 0 0 个监测站， 其中2 5 0 个是国家级的， 其余 为州县级的，荷兰国家大气自动监测网点有 2 5 0个站，日本的神奈川县建有 7 个大气自动监测站 2 ， 。 这些大气自动监测网点和大气污染自动监测系统对 这些国家的大气环境保护起 了非常重要的作用。 根据最新资料， 法国e s a 公司也有成熟的测控系统推出， 图 1 - 2 是典型的 长光程测控系统结构图。 西安工程科技学院硕士研究生学位论文 其特点是使用了串行接口分配器通过 r s - 2 3 2接口将每台测量仪器的所 有数据通过调制解调器用电话线与中心站计算机系统相连， 随机配套一个通 讯软件， 可以通过拨号方式实现对子站的远程控制和诊断。仿真子站数据采 集器面板， 远程执行数据采集器功能， 它不仅可以通过自动呼叫获取子站的 监测数据， 更可以仿真子站单台仪器面板对设备进行远程设置和诊断。图中 所示是 长光程与干法共存的混合系统( 因长光程法还无法测得一氧化碳和可 吸入颗粒物) ， 它的主要特点是能在长光程主机故障时不影响其他参数的测 量 。 图 卜2长光程法混合子站配置图 1 . 4论文的主要工作 基于以 上 情况，本文的主要工作包括以下儿个方面: 1 . 建立数据采集系统 选择测试精度高、反应速度快的在线测试仪器和其他硬件， 选择合适的 数据采集软件开发平台完成数据采集工作。 2 .建立信息管理系统 合理选择数据库系统，正确设计数据库结构，保证大气污染数据的存储 西安工程科技学院硕士研究生学位论文 可靠和在 网上安全传送。依据大气污染监测专业知识、数理统计方法 和地方法规 ，对一个企业和整个城镇的大气污染情况进行分析处理， 、家 积 累历 史资料，绘制统计报表，提出处理和决策建议。将数据库技术与i n t e r n e t 结合起来实现基于 w e b的监测源 、用户和监测数据管理 。 3建立数据通讯系统 由于 大气污染监测的特殊性 ， 协议 协议 ， ( 如 s m p t , i i t t p , f t p等 ) ， 在进行数据传送时不能利用普通的应用层 而要按照监测的实际要求开发应用层通讯 以保证监测数据传送 的正确 、快速、准确 、安全。 西安工程科技学院硕士研究生学位论文 第二章系统开发环境 2 . 1 硬件开发环境 本系统的实验均采用 i b m - p c 兼容机，c p u 奔腾 i i以上，内存 1 2 8 兆以 l . ，显示器分辨率 1 0 2 4 * 7 6 8以l ，w i n d o w s 9 x / w i n d o w s 2 0 0 0 操作系统。 数据采集 卜 选用研华公司的p c 厂 8 1 8 l 与计算机通过 i s a 总线进行通信。 监测站配置 i n t e r n e t 接入设备，用于子站与中心站之间通讯。子站与 中心站之间通过 i n t e r n e t 进行通讯，中心站及子站内部计算机利用局域网 进行通 讯 。 2 . 2 软件开发环境 木系统的软件开发针对不同的功能模块选用了不同的开发环境， 例如数 据采集 、实时监测 以及子站 与 中心 站的数据通 讯等 功能模块 采用 了 l a b v i e w ( l a b o r a t o r y v i r t u a l i n s t r u m e n t e n g i n e e r i n g w o r k b e n c h 实验室 虚拟仪器工程平台) 进行开发， 而w e b 服务器采用了w i n d o w s 2 0 0 0 s e v e r + i i s ( i n t e r n e t i n f o r m a t i o n s e v e r ) ，动态网页以及用户与服务器的动态交互 功能的实现则采用了a s p ( a c t i v e s e v e r p a g e ) ， 数据库采用了m i c r o s o f t s q l s e v e r 2 0 0 0 。以下 对软件的主要开发环境虚拟仪器技术及虚拟仪器开发环境 l a b v i e w进行了介绍。 2 . 2 . 1虚拟仪器技术 虚拟仪器技术是 9 0 年代发展起来的一项新技术。 广泛应用于自动测试、 过程控制、仪器设计和数据分析等领域。基本思想就是在测试系统或仪器设 计中尽可能用软件代替硬件，即 “ 软件就是仪器” w。自1 9 8 6 年美国国家 仪 器 公 司 ( n a t i o n a l i n s t r u m e n t s， 简 称 n i ) 提 出虚 拟 仪 器 ( v i r t u a l i n s t r u m e n t ,简称 v i ) 的概念以来，虚拟仪器这种计算机操纵的模块化仪器 系统在世界范围内得到了广泛的认同和应用， 国内近几年的应用需求也急剧 高涨 。 虚拟仪器是一种具有虚拟仪器面板的 p c仪器，相对于传统仪器在概念 西安工程科技学院硕士研究生学位论文 和功能上有重大突破，形成了新一代的所谓 “ 智能化测量控制仪表”厂 1 5 1 ，能 解决许多传统仪表不能或不易解决的难题，同时还起到了简化仪表电路、提 高仪器的可靠性、降低仪器的成本以及节约新产品的开发时间和难度的作 用。它由通用 p c机、模块化功能硬件和控制软件构成，如图 2 - i 所示。操 作人 员可通过其 友 好的图形 化用户界面 以及 图形 化编 程语 言来控制仪 器的 图 2 - i 虚拟仪器的构成框图 启动、运行和结束 ，完成对被测试信号的数据采集 、信 号分析、谱图显示、 波形图显示、故障诊断、数据存储、数据回放以及控制输出等功能。 在虚拟仪器系统 中，硬件仅仅是为了解决信号的输入输 出，软件才是整 个仪器系统的关键。 任何使用者都可以通过修改软件的方法， 很方便的改变、 增减仪器系统的功能与规模，所以有 “ 软件就是仪器 “ 之说 6 ， 。 系统开发使用虚仪器技术的优点是: 虚拟仪器的硬、软件都具有开放性、模块化、可重复使用及互换性等特 点。 因此， 用户能够根据自己的需要定义大气污染监测仪器功能， 打破了传 统大气污染监测仪器 由厂家定义，用户无法改变的模式。 利用虚拟仪器，用户可以更好地组建自己的大气污染监测系统。我国高 档大气污染监测仪器主要依赖进日，这些仪器加工工艺复杂，对制造水平要 求高，生产突破有困难。采用虚拟仪器技术，可以通过只采购必要的通用仪 器硬件来设计自己的高性能仪器系统， 大大提高了使用效率， 减少了投资 丁 。 传统大气污染监测仪器一般设计成独立完成某一项具体的测试任务和 功能，其数据处理功能也比较简单:而虚拟仪器将仪器功能划分为一些通用 的模块， 将具有一种或多种功能的通用模块组建起来， 就能构成所需的大气 污染监测仪器。 与传统大气污染监测仪器相比， 虚拟仪器有以下显著特点， 如表 2 . 1 所 西安工程科技学院硕士研究生学位论文 j ,。 表2 . 1虚拟仪器系统与传统仪器的比较 引 传统大气污染监洲仪.皿拟仪.系统 仪器 由生产厂商定义 仪器 由用户 自己定义 硬件是关键 软件是关键 仪器功能、规模固定 系统功能、规模可通过软件修改、增减 系统较封闭， 与其他设各连接受到限制 开放的系统，可方便的同外 设、 网络及其他应用连接 价格贵 综合价格低，可重复利用 开发周期慢、技术更新慢 ( 周期 5 - 1 0年 ) 开发周期快、技术更新快 ( 周期 1 - 2年 ) 开发和维护费用高 软件结构，节省开发以及维护费用 2 . 2 . 2虚拟仪器开发环境 目前流行的虚拟仪器开发环境是图形软件开发环境，有 v b , v c + + , h p v e e , l a b v i e w 和l a b w i n d o w s / c v i 等多种 其中， l a b v i e w ( l a b o r a t o r y v i r t u a l i n s t r u m e n t e n g i n e e r i n g w o r k b e n c h 实验室虚拟仪器t程平台) 是一个杰出 的虚拟仪器开发环境。它的特点是使用图形化编程语言 ( g 语言)在流程图 中创建源程序，而非使用基于文本的语言来产生源程序代码, is l 。此外， l a b v i e w整合 了 诸如满足g p i b ( 通用接口总线) 、 v x i , p x i , r s - 2 3 2和 r s - 4 8 5 以及数据采集卡等硬件通讯的全部功能， 还内置了便于应用 t c p / i p , a c t i v e x 等软件标准的库函数, o l 系统开发平台之所以选中 l a b v i e w是由于它具有如下优点: ( i )简单的方案l a b v i e w使用 “ 所见即所得”的可视化技术建立人 机界面，提供大量的仪器面板中的控制对象【 川。此外，l a b v 工 e w 按其易用的 方式将复杂的任务包装起来， 从而使复杂任务得到简化。 先进的a c t i v e x 技 术溶合了简单的拖放编程方法， 仪器控制和数据采集在开发向导的引导下变 得非常简单 2 2 1 ，使用户非常容易的开发自己的系统，并将其立即投入使用。 ( 2 )灵活的仪器将 , a b v i e与一般的数据采集卡及仪器设备加以组 合，可以设计出灵活的虚拟仪器，并可以随时将仪器系统移植到最适合用户 西安工程科技学院硕士研究生学位论文 的平 台上使川。 ( 3 ) 方便的程序调试具有一些专用程序开发工具箱， 可以在源代码 中设置断点单步执行源代码， 连线上设置探针，动态执行程序观察程序运行 过程中数据流的变化。 ( 4 ) 完整的开发环境l a b v i e w 软件包中包含了功能强大的数据采集、 分析和表达的能力， 使用户可以在该平台上无缝的实现一个大气污染监测解 决方案。另外，它还有一个多线程和用于最大限度提高系统性能的优化图形 编译器。这样，不仅简化了开发过程，而且可生成按编译速度执行的可复用 代码。此外，l a b v i e w还可以生成在没有 l a b v i e w环境的目标机器上单独运 行的可执行文件。 ( 7 ) 快速的开发l a b v i e w 为用户提供了实现仪器编程与数据采集系 统的便捷途径。通过仪器驱动程序可以与大多数仪器进行通讯，简化了仪器 的控制，缩短了测试开发时间，提高了生产效率。 ( 6 ) 开放的平台提供 d l l 接口和c i n 节点， 使用户能在它的平台上 使用其他软件平台编译的模块。能调用c语言程序及己存在的d l l 库函数， 是一个开放的开发平 台。 西安工程科技学院硕士研究生学位论文 第三章系统总体功能结构设计 3 . 1 大气污染监测概述 3 . 1 . 1 大气污染与大气污染监测的特点 1 大气污染的特点 无论哪种类型的大气污染，均具有以下一些共同特 点: ( 1 ) 大气污染物的排放量和污染因素的强度都呈现出随时间变化而变 化的特点。 ( 2 ) 进入大气环境的污染物浓度或污染因素随空间分布的不同而不 同 。 3 )大气污染与污染物含量 或污染因素强度)有特定关系。 ( 4 )污染因素会对生物或物体产生复杂的综合效应。 ( 5 )容易形成二次污染物。 ( ti )污染物的形态、迁移和转化存在许多相互制约、相互影响的复杂 关系 。 2 大气污染监测的特点 ( l ) 大气污染监测的综合性 f 要表现在:监测手段的综合性以及对监测数据进行统计处理、综合分 析时，需涉及该地区的自然和社会各方面的情况。因此，必须综合考虑才能 阐明数据的内涵。 ( 2 )大气污染监测的连续性 ( 3 )大气污染监测的追踪性 综_ l 所述， 由于大气环境质量的污染因素繁多， 且 相互之间及其与大气 环境条件之间作用复杂，因而大气环境监测工作难度大、要求高。例如，监 测项目、种类繁多;待测物质的变异性较大，形态多样;待测物质的含量变 化幅度大，污染物浓度随空间或时间会发生巨大变化，有的浓度很低时己造 成污染，即闽值很低时，测定要求的灵敏度很高;毒性很大;在待测物中或 测定结束后不应对环境造成再次污染。 西安工程科技学院硕士研究生学位论文 3 . 1 . 2 大气环境监测分析方法 大气环境监测分析方法有 1 7 7余种，涉及面很广，内容很多。在大气环 境监测工作中，按监测项目的特点和要求，可以选用化学分析法、仪器分析 法、生物 ( 微生物)监测法、生态监测法以及自动和遥感监测法。 化学分析法利用化学反应对污染组分进行化学分析，特点是准确度高、 仪器设备简单、灵敏度低:仪器分析法使用较多的是光学分析法、电化学分 析法和色谱分析法，特点是灵敏度高、选择性好、响应速度快、可以组合使 用、误差比化学分析法大，仪器价格高:生物监测法是利用生物个体、种群 或群落对大气环境污染或变化所产生的反应，阐明大气污染状况，从生物角 度为大气环境质量的监测和评价提供依据的一种方法 ; 生态监测是利用生态 环境对大气污染或变化所产生的反应，阐明大气环境状况，从生态角度为大 气环境质量的监测和评价提供依据;由于大气污染的范围大，随时间变化， 受季节、气象、地形、地物等影响强烈 ，因此，自动监测方法是进行大气污 染监测的一种有效方法: 遥测方法是利用监测仪器或设备定性的或兼定量的 对远距离研究对象传感其有关物理参数的特殊方法。 3 . 1 . 3 大气环境质r评价 1 评价因子的选择 根据本地区大气污染例行监测资料并结合污染源评价结果， 就可 以确定 木地区的主要污染物，这些主要污染物可以列为评价因子。目前各地通常所 见的评价因子有: ( 1 )尘 :总悬浮微粒物、可吸入颗粒物; ( 2 )有害气体:二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳、臭氧; ( 3 )有害元素:氟、铅、汞、锅.砷; ( 4 ，有机物:笨并【 a 花、总碳氢。 在一个地区范围内进行评价，可以从上述因子中选择儿项。例如，以燃 煤为主要污染源的地区可以选总悬浮微粒物、二氧化硫、笨并【 a 花等为评 价因子:以有色金属冶炼为主要污染源的地区可以选总悬浮微粒物、二氧化 硫 、铅 ( 或汞、锅 、砷 )等为评价因子。 西安工程科技学院硕士研究生学位论文 2 大气环境质f评价方法 大气污染监测评价的方法， 在我国目前主要是采用大气质量指数。它是 评价大气质量的一种数量尺度，可以做到简明、可比、可以综合多种污染物 的影响，反映多种污染同时存在的情况下的大气质量。大气质量指数的形式 多样，建议选择时考虑以下几点。 ( 1 )指数能包括所选择的评价因子，不削弱主要因子的作用; ( 2 )所选指数能反映本地区各地点污染状况的差别: ( 3 )指数的表达形式本地区容易接受; ( 4 )希望能综合的表达污染水平: ( 5 )因为条件变化，评价因子有增有减，这时所选指数应力求简单， 又能适用因子变化后评价结果仍能比较 。 常用的大气质量指数有污染物标准指数 p s i 、 白勃考大气污染综合指数、 橡树岭大气质量指数 ( o r a q i ) a 3 空气污染指数 自1 9 9 8年 6月中国在4 6 个重点城市进行大气质量周报( 或日报) 以来， 统一使用空气污染指数 ( api). a n 的计算方法如下: 先计算第 i 种污染物的分指数 i i . 口 一 口 i 二 二一 c i , j+l 一 c r . jx ( b . j + i 一 1 i ， ) + i ( 3 . 1 ) i i 一 第， 种污染物的污染分指数; 。一 第， 种污染物的浓度监测值: g . ， 一一第 1 种 污染 物转 折点 的 污 染 分 项指 数 值; i i. j . ， 一 第 r 种污染 衡 + 1 转 折点 的 污染 分 项指 数 值; 。 . j 一一均转折点 上! 种 污染 物 ( 对应 于 i i , j ) 的 浓 度限 值; 。 . ， * : 一一物+ 1 转 折点 上 i 种 污 染 物 ( 对 应 于 1 , ， ， )的 浓 度限 值。 该地区或区域的空气污染指数 a p i 取各污染物分指数的最大值。 a p i = m a x( 1，1 2 1 1 3 1i ) ( 3 . 2 ) 4 大气污染生物学评价 利用植物的生理功能与形态特征的变化来指示大气污染的状况。 西安工程科技学院硕士研究生学位论文 利用植物的生理功能与形态特征的变化来指示大气污染的状况。 3 . 2本系统的总体结构及工作原理 通过以上分析我们发现，大气污染的特点是大范围的，受季节、气候、 地形、地物等因素的强烈影响，随时间、空间的变化而变化的，这就要求对 大气污染的监测必须在一个地域内进行多点的同时连续测定， 才能较准确的 掌握该地区的大气污染状况。目前， 对大气污染监测的最有效的方法是建立 大气污染 自动监测系统， 但如何使大气污染自动监测系统具有良好的连续性 和实时性，能够同步反应污染源、气象条件的变化对