畢業(yè)論文-液壓生物反應(yīng)器多參數(shù)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

HUNANUNIVERSITY畢業(yè)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)論文題目：液壓生物反應(yīng)器多參數(shù)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)學(xué)生姓名：學(xué)生學(xué)號(hào)：專業(yè)班級(jí)：測控技術(shù)與儀器1101班學(xué)院名稱：電氣與信息工程學(xué)院指導(dǎo)老師：學(xué)院院長：2015年 月日第頁緒論1.1課題背景和研究意義生物反應(yīng)器，是一種用來提供生物活性變化的環(huán)境的工程設(shè)備，生物反應(yīng)器進(jìn)行的反應(yīng)涉及到生物或生物中某種活性物質(zhì)由特定情況產(chǎn)生等情況的化學(xué)反應(yīng)，這些化學(xué)反應(yīng)有可能是在有氧或者無氧的情況下進(jìn)行的。生物反應(yīng)器利用如微生物等生物體或者酶等所具有的生物特性和功能來進(jìn)行生化反應(yīng)，生物反應(yīng)器在生活中應(yīng)用廣泛，在醫(yī)藥生產(chǎn)、果汁發(fā)酵、酒類發(fā)酵、有機(jī)污染降解等方面作為發(fā)酵罐、固定化酶反應(yīng)器被使用。生物反應(yīng)器，就是一種生物功能的模擬器。組織工程就目前在醫(yī)學(xué)研究中是最受關(guān)注的領(lǐng)域之一，是細(xì)胞生物學(xué)、材料學(xué)、人體醫(yī)學(xué)、分子生物學(xué)、設(shè)計(jì)工程等許多學(xué)科的交叉領(lǐng)域。在組織工程的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)干細(xì)胞體外擴(kuò)增技術(shù)，設(shè)計(jì)和制造人體組織甚至制造整個(gè)器官，解決組織、器官確實(shí)或功能障礙或喪失等問題在現(xiàn)在成為可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。未來組織工程產(chǎn)業(yè)將成為21世紀(jì)世界經(jīng)濟(jì)的一個(gè)重要的支柱產(chǎn)業(yè)，組織工程產(chǎn)業(yè)也將面向患者來提供組織工程修復(fù)材料，其市場規(guī)模巨大、社會(huì)效益顯著。生物反應(yīng)器的研究方向已被列入國家科技部863項(xiàng)目生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域“十二五”、“十三五”發(fā)展計(jì)劃，這在多方面有極大的促進(jìn)作用，如促進(jìn)組織工程基礎(chǔ)研究成果轉(zhuǎn)化，構(gòu)建智能化、自動(dòng)化的產(chǎn)品，引進(jìn)多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)，構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，使傳統(tǒng)組織工程生物反應(yīng)器的實(shí)驗(yàn)環(huán)境由人工變成全天候無菌智能化遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制。1.2生物反應(yīng)器測測系統(tǒng)研究現(xiàn)狀與進(jìn)展目前對于生物反應(yīng)器的檢測主要包括三個(gè)部分的參數(shù)，分別是生物反應(yīng)器進(jìn)行工程中的物理?xiàng)l件（如壓力、溫度、濕度等）、化學(xué)條件（如pH值、含氧量等）、生化參數(shù)（葡萄糖值、生物體營養(yǎng)和代謝產(chǎn)物濃度等）。在生物反應(yīng)器的測控系統(tǒng)領(lǐng)域，國外的研究要比國內(nèi)起步早一些，國內(nèi)一些技術(shù)仍不成熟。國內(nèi)一些產(chǎn)業(yè)已經(jīng)研制出具有轉(zhuǎn)速、pH值、溶解氧、罐壓、空氣流量、溫度等多項(xiàng)參數(shù)的自動(dòng)監(jiān)控、記錄顯示等功能的組織工程生物反應(yīng)器。國內(nèi)在物理參數(shù)、化學(xué)參數(shù)方面已經(jīng)達(dá)到或者接近國際先進(jìn)水平，但是在生化參數(shù)方面的測控仍然處于比較落后的情況。國內(nèi)的一些啤酒生產(chǎn)或大型制藥企業(yè)的監(jiān)控設(shè)備都是由國外進(jìn)口。目前國內(nèi)有許多企業(yè)在組織工程的生物反應(yīng)器領(lǐng)域上有很快的發(fā)展，但是其技術(shù)仍然處于相比較下的中端或者低端水平，有許多仍然是防早一些國外的產(chǎn)品，然而高端市場還是被國外的較大公司壟斷，主要有美國NBS、德國B.Braun、瑞士BioEngineering、日本丸菱等等。國際大公司如瑞士（BIO）生物工程公司，產(chǎn)品已經(jīng)具有溫度、pH值、壓力等多參數(shù)測控的功能。又如美國NBS公司的臺(tái)式和中式發(fā)酵罐就采用微處理機(jī)來控制，可以控制壓力、溫度、pH值、溶解氧、消泡、液位、空氣流量等13個(gè)數(shù)據(jù)。生物反應(yīng)器的尾氣組成成分的監(jiān)控方面的技術(shù)在國外已經(jīng)比較成熟了，比如：瑞士比歐公司的生物反應(yīng)器系統(tǒng)可檢測尾氣成分。國內(nèi)華南理工大學(xué)研究的生物反應(yīng)器能夠進(jìn)行尾氣分析；上海國強(qiáng)生化工程裝備有限公司的FUS--D系列發(fā)酵罐配有氣體分析儀，可以檢測尾氣中的二氧化碳和氧；航天部502所康拓總公司研制的FK—l型發(fā)酵過程控制系統(tǒng)帶有尾氣C02和02的凈化處理裝置。生物反應(yīng)器的檢測系統(tǒng)的主要目的就是對生物反應(yīng)器的物理、化學(xué)、生化參數(shù)進(jìn)行檢測，進(jìn)而使其達(dá)到預(yù)期的水平。從近幾年所有的生物反應(yīng)器檢測產(chǎn)品來看，生物反應(yīng)器的檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)最關(guān)鍵的技術(shù)就是生物過程的檢測技術(shù)以及整體監(jiān)測系統(tǒng)的集成。1.3生物反應(yīng)器系統(tǒng)的測量目的及意義生物反應(yīng)器作為生物反應(yīng)過程中的關(guān)鍵設(shè)備，它的操作方式、結(jié)構(gòu)和操作條件和生物技術(shù)產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化率、質(zhì)量和能耗有著很緊密的關(guān)系。在微生物發(fā)酵及組織工程的生物反應(yīng)過程中，為了使生產(chǎn)更加高產(chǎn)和穩(wěn)定、減少原材料的消耗、節(jié)省勞動(dòng)力和能量、防止事故發(fā)生、實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)，所以我們需要對生物反應(yīng)器系統(tǒng)進(jìn)行檢測和控制。生物反應(yīng)器的檢測和控制是指利用各種傳感器及其它檢測手段對反應(yīng)器系統(tǒng)中的各種參量進(jìn)行測量和控制。之一的生物過程的基本特征是進(jìn)程屬于開放系統(tǒng)，也就是說，從外部環(huán)境中的材料的攝取到細(xì)胞生物連續(xù)的，經(jīng)過一系列的獲得生化反應(yīng)所需的能量的生存生活物資，以及代謝物排泄。生化過程的另一特征是多樣性和檢測參數(shù)的全面性..測量為我們觀察生化過程僅窗口中，如果觀察到的失真，將發(fā)生數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，并且也知道出現(xiàn)了錯(cuò)誤。通過各種生化參數(shù)的檢測，我們可以理解的生化過程，進(jìn)行的生產(chǎn)過程中的定性和定量的描述，并以控制的過程。與此同時(shí)，通過對生化過程進(jìn)一步分析檢測環(huán)境變量，反映生活的變化在細(xì)胞水平上的信息。在發(fā)酵過程中監(jiān)測的主要目的是：（1）了解變化過程變量預(yù)期目標(biāo)值是否和相等;（2）決定種子罐轉(zhuǎn)移發(fā)酵罐和發(fā)酵時(shí)間;（3）測量變量可以間接估算;（4）根據(jù)上述手動(dòng)或自動(dòng)控制的設(shè)定值的過程變量;（5）通過的模型實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制的處理;（6），收集知識(shí)發(fā)酵過程中的數(shù)據(jù)。1.4液壓生物反應(yīng)器多參數(shù)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容本課題將虛擬儀器技術(shù)、傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等相結(jié)合，設(shè)計(jì)對生物反應(yīng)器系統(tǒng)多參數(shù)的軟件設(shè)計(jì)。本課題設(shè)計(jì)的虛擬儀器可以檢測生物反應(yīng)器系統(tǒng)的溫度、pH值、含氧量、壓力、葡萄糖值和濕度六個(gè)參數(shù)。該虛擬儀器對一般生物反應(yīng)過程都可以進(jìn)行上述參數(shù)的檢測。本文主要包括以下內(nèi)容：第一章首先大體介紹了一下生物反應(yīng)器以及本文的用于組織工程的液壓生物反應(yīng)器的研究目的和目前的研究現(xiàn)狀，生物反應(yīng)器的測量目的以及意義。最后介紹了液壓生物反應(yīng)器多參數(shù)系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容。第二章主要介紹了液壓生物反應(yīng)器多參數(shù)在線監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)成和工作原理。簡述了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需求，以及系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)，這段主要介紹了系統(tǒng)的三個(gè)模塊的主要功能并介紹了系統(tǒng)的程序框圖。第三章介紹了液壓生物反應(yīng)器多參數(shù)在線監(jiān)測系統(tǒng)的通信單元的設(shè)計(jì)，這段的主體便是介紹美國國際儀器公司無線傳感網(wǎng)絡(luò)，并介紹了無線傳感網(wǎng)絡(luò)的工作原理和結(jié)構(gòu)等，并簡述了WSN的測量節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)和軟件的選擇和介紹，最后敘述了WSN的網(wǎng)關(guān)和測量節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)置。第四章是本文的主要組成部分，敘述了液壓生物反應(yīng)器多參數(shù)在線監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，首先介紹了軟件開發(fā)平臺(tái)，即虛擬儀器的介紹以及LabVIEW的介紹，之后通過程序的每個(gè)部分單獨(dú)介紹程序的登錄界面，主界面，信號(hào)采集功能，信號(hào)處理功能以及報(bào)警功能。液壓生物反應(yīng)器檢測系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)整個(gè)生物反應(yīng)器是一種復(fù)雜的過程，使生物反應(yīng)過程里的代謝產(chǎn)物更多，生物反應(yīng)更具有方向性，我們才能將生物反應(yīng)更好的應(yīng)用于更多領(lǐng)域。本章主要提出液壓生物反應(yīng)器的檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。2.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求分析組織工程生物反應(yīng)器，根據(jù)各種物種的結(jié)構(gòu)，生物反應(yīng)過程具有細(xì)胞，微生物，動(dòng)物和植物細(xì)胞，藻類，等等。不同的生物過程有科學(xué)儀器的不同要求。因此，生物反應(yīng)器中的測量和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中需要更加靈活，以適用于不同的生物過程分析的需要。隨著生物技術(shù)的深入研究，需要生物過程變得更加復(fù)雜，從靜態(tài)的研究擴(kuò)展到動(dòng)態(tài)的研究，從細(xì)胞外的因素研究到細(xì)胞內(nèi)的因素研究，統(tǒng)一了生命體和環(huán)境條件。在研究中，通過不斷地實(shí)驗(yàn)和研究從生物過程檢測中得到大量的數(shù)據(jù)并產(chǎn)生相應(yīng)的信息處理能力。所以，常規(guī)的參數(shù)檢測控制在對生物反應(yīng)器的檢測系統(tǒng)中已經(jīng)不足以滿足所有的需求，同時(shí)還需要更多參數(shù)的監(jiān)測。在研究中提高檢測手段，提高監(jiān)測手段、精度也是為生物反應(yīng)器所監(jiān)測到的信息的處理做鋪墊，同時(shí)也是改善測控系統(tǒng)的控制準(zhǔn)度的基礎(chǔ)。生物反應(yīng)過程中所產(chǎn)生的產(chǎn)物和生物本身的特征相關(guān)，在適當(dāng)?shù)沫h(huán)境下才能把生物產(chǎn)生代謝的能力表現(xiàn)出來。本文的研究方向就是主要針對液壓生物反應(yīng)器的生物反應(yīng)過程的外部環(huán)境來進(jìn)行監(jiān)測，要監(jiān)測的生物反應(yīng)的主要數(shù)據(jù)有溫度、濕度、葡萄糖含量、含氧量、壓力以及pH值。本程序主要單獨(dú)監(jiān)測每個(gè)數(shù)值，實(shí)現(xiàn)對單個(gè)數(shù)值的顯示，監(jiān)測，報(bào)警系統(tǒng)。本程序主要通過有線和無線模式來實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的監(jiān)測，有線模式主要使用NIELVISII儀器來采集信號(hào)并處理數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X檢測平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示和監(jiān)測，無線模式主要使用NIWSN即無線傳感器來傳遞數(shù)據(jù)并在電腦檢測平臺(tái)顯示。組織工程生物反應(yīng)器主要分為開放式生物反應(yīng)器和封閉式生物反應(yīng)器，開放式生物反應(yīng)器比較多的用于戶外或者大規(guī)模的生產(chǎn)，而且還具有不小的不確定因素，所以本文采用的是封閉式用于組織工程的可控液壓生物反應(yīng)器，本液壓生物反應(yīng)器的外觀如圖2.1所示，圖2.1.1為液壓生物反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中每個(gè)部分編號(hào)部分內(nèi)容分別為：1-罐體；2-頂蓋；3-螺栓；4-管路；5-安全閥；6-管路；7-泄壓閥；8-管路；9-液壓瓶；10-出液管；11-控制閥；12-儲(chǔ)液瓶；13-壓力表；14-管路；15-多孔擱板；16-柔性隔膜；17-培養(yǎng)腔；18-加壓腔；19-進(jìn)液管；20-進(jìn)液閥；21-蠕動(dòng)泵。本用于組織工程的可控液壓生物反應(yīng)器是由湖南大學(xué)研發(fā)的新型專利。圖2.1用于組織工程的液壓生物反應(yīng)器外觀圖2.1.1用于組織工程的可控液壓生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖2.2系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)本系統(tǒng)主要為液壓生物反應(yīng)器的在線監(jiān)測系統(tǒng)，所以程序以監(jiān)測功能分為三個(gè)模塊，最重要的模塊既是無線傳感器WSN監(jiān)測模塊，通過NIWSN儀器進(jìn)行連接。其次是實(shí)驗(yàn)演示模塊和通過NIELVISII的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ健?.2.1系統(tǒng)三模塊主要功能（1）實(shí)驗(yàn)演示模式：實(shí)驗(yàn)演示模式主要是一個(gè)系統(tǒng)所有功能的主體演示，因?yàn)橐话銛?shù)據(jù)波動(dòng)不會(huì)太大，所以實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ绞菫榱搜菔久恐星闆r所產(chǎn)生的情況，演示模式所使用的數(shù)據(jù)為仿真的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并不是實(shí)際的通過液壓生物反應(yīng)器所獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，只是為了能夠演示到一個(gè)大致情況，主要功能既是能演示到報(bào)警模塊，因?yàn)橐话闱闆r下數(shù)據(jù)波動(dòng)較小，也比較少出現(xiàn)突破數(shù)據(jù)上限或者低于數(shù)據(jù)下限的情況，所以本模塊既是通過仿真數(shù)據(jù)的一個(gè)較全方面的程序展示。（2）NIELVISII實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑篘IELVISII是NI教學(xué)實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器套件，是一種專門為院校開發(fā)的模塊化的工程教學(xué)實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)。NIELVISII在生物科學(xué)、物理科學(xué)和工程實(shí)驗(yàn)室都能得到應(yīng)用。整套儀器是可以提供試驗(yàn)中所需要的全部的測試、測量和數(shù)據(jù)采集的功能。在本程序中這套儀器作為調(diào)試工具來進(jìn)行在無線傳感器出現(xiàn)數(shù)據(jù)誤差時(shí)的數(shù)據(jù)調(diào)試，同時(shí)NIELVIS也可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的測量和監(jiān)測。這種模式屬于連線方式，在生物反應(yīng)器的無菌房里工作仍然具有一定的局限性，所以僅作為調(diào)試模式和當(dāng)培養(yǎng)液取出后的數(shù)據(jù)采集。（3）NI無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN連接模式：這部分是整個(gè)監(jiān)測程序的核心，通過NIWSN平臺(tái)，我們可以通過使用可靠電池供電的測量節(jié)點(diǎn)來檢測液壓生物反應(yīng)器的環(huán)境情況。當(dāng)選擇無線模式的時(shí)候，系統(tǒng)會(huì)開啟遠(yuǎn)程的監(jiān)測功能，電腦與NIWSN-9791無線網(wǎng)關(guān)連接，通過NIMAX來配置和連接到無菌室中與液壓生物反應(yīng)器相連接的測量節(jié)點(diǎn)NIWSN-3231，獲得實(shí)時(shí)的監(jiān)測數(shù)據(jù)。用戶在無菌室外就可以獲得實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并對生物反應(yīng)器進(jìn)行進(jìn)一步的控制。目前湖南大學(xué)研發(fā)的液壓生物反應(yīng)器在市場上并沒有出現(xiàn)相同的作用于組織工程的生物反應(yīng)器，同樣也沒有相同的生物反應(yīng)器監(jiān)測系統(tǒng)，此程序使傳統(tǒng)組織工程的生物反應(yīng)器的無菌室內(nèi)人工操作變成了無菌室外的智能遠(yuǎn)程監(jiān)測。2.2.2系統(tǒng)程序的主要參數(shù)技術(shù)指標(biāo)根據(jù)系統(tǒng)的要求，要實(shí)現(xiàn)液壓生物反應(yīng)器的測量系統(tǒng)對培養(yǎng)皿中的生物各參數(shù)的有效監(jiān)測，需要規(guī)定每個(gè)參數(shù)的測量范圍，突破范圍則報(bào)警提醒更換培養(yǎng)液。表2.1即為技術(shù)指標(biāo)。監(jiān)測參數(shù)檢測范圍監(jiān)測精度葡萄糖值0~4000mg/L±1mgPH值2~12±0.01pH含氧量0~150%±1%濕度0~100%RH±2%RH壓力0.5~25MPa±0.05Mpa溫度0~150℃±0.1℃表2.1監(jiān)測系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)2.3系統(tǒng)程序框圖用于組織工程的液壓生物反應(yīng)器多參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)主要由監(jiān)測單元、監(jiān)測系統(tǒng)的硬件部分和監(jiān)測系統(tǒng)的軟件這三個(gè)部分組成。監(jiān)測對象是液壓生物反應(yīng)器的內(nèi)部組織培養(yǎng)液的內(nèi)部環(huán)境。系統(tǒng)的硬件部分主要包括傳感器、信號(hào)調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和無線傳輸模塊。系統(tǒng)硬件部分的傳感器是湖南大學(xué)電氣院自制的針狀三電極取樣傳感器，由其組成多傳感器組，監(jiān)測動(dòng)態(tài)組織培養(yǎng)液液多點(diǎn)處的葡萄糖、氧氣濃度、pH值及內(nèi)部環(huán)境的溫度、濕度和壓力等參數(shù)；電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的信號(hào)變化微弱，取樣傳感器傳輸出的電流值約為1~100nA，信號(hào)調(diào)理模塊主要完成微電流檢測、放大量程檔位切換、信號(hào)濾波等工作，把模擬信號(hào)調(diào)理到滿足采集模塊輸入要求的量程范圍內(nèi)；數(shù)據(jù)采集模塊完成對輸入信號(hào)的采集和緩存，采集到的數(shù)據(jù)通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)或系統(tǒng)總線發(fā)送至計(jì)算機(jī)；基于PC機(jī)虛擬儀器軟件平臺(tái)完成無線傳感網(wǎng)絡(luò)采集各項(xiàng)數(shù)據(jù)的中值濾波和樣本平均、新型D-S理論和專家系統(tǒng)相結(jié)合的混合算法，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器內(nèi)葡萄糖、氧氣濃度、pH值及反應(yīng)器環(huán)境內(nèi)的參數(shù)等在線檢測與準(zhǔn)確決策，以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、生成報(bào)告等其他功能；基于構(gòu)建算法得到的決策判別結(jié)果，通過控制執(zhí)行器模塊調(diào)節(jié)培養(yǎng)液閥門，實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)液的自動(dòng)更換。圖2.2用于組織工程的可控液壓生物反應(yīng)器多參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)軟件框圖液壓生物反應(yīng)器測量系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1WSN簡述WSN是WirelessSensorNetwork的簡稱，中文為無線傳感網(wǎng)絡(luò)。無線傳感網(wǎng)絡(luò)是由很多的低功耗的傳感器節(jié)點(diǎn)通過自組織的方式形成的一種網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。這項(xiàng)技術(shù)比較廣的應(yīng)用于交通、環(huán)境檢測、運(yùn)輸、工業(yè)檢測以及國防檢測等科學(xué)領(lǐng)域，也是現(xiàn)在科研和社會(huì)上很受關(guān)注的多種學(xué)科的交叉項(xiàng)目，同時(shí)也是前沿科技的研究方向。美國國家儀器公司（NationalInstrument，簡稱NI）在WSN技術(shù)和產(chǎn)品這方面領(lǐng)域占有領(lǐng)導(dǎo)地位，NI公司的傳感器相較其他公司的傳感器有著更高的性價(jià)比，更簡單的操作方式，更可靠的準(zhǔn)備方式，以及更低的功耗，NI公司的無線傳感器有著非常廣闊的前景。將NI公司的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)用在液壓生物反應(yīng)器的監(jiān)測系統(tǒng)上，可以讓生物反應(yīng)器的監(jiān)測工作更加簡易方便，也能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程的監(jiān)測。NIWSN架構(gòu)主要有三部分構(gòu)成，分別是測量節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)和軟件。本程序中所使用到的測量節(jié)點(diǎn)為NIWSN-3231，網(wǎng)關(guān)為NIWSN-9791，軟件為LabVIEW2013。測量節(jié)點(diǎn)在空間分布和傳感器相連接，用來監(jiān)測系統(tǒng)的狀態(tài)和運(yùn)行的環(huán)境，測量節(jié)點(diǎn)收集到的數(shù)據(jù)通過無線來傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)。WSN-9791網(wǎng)關(guān)可以獨(dú)立運(yùn)行，也可以連接到電腦，即集成采集、分析處理和顯示的軟件平臺(tái)。3.2無線傳感網(wǎng)絡(luò)的選用原因無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量的監(jiān)視區(qū)域廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)，通過多跳自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的無線通信模式下形成的部署，其目的是協(xié)作感知，采集和網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域的處理由感知對象信息，并將其發(fā)送到觀察。傳感器，感知對象和觀察者構(gòu)成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的三個(gè)要素。無線傳感網(wǎng)絡(luò)有如下特點(diǎn)：1：自組織能力：在傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，通常是傳感器節(jié)點(diǎn)的情況下被放置在不存在的基礎(chǔ)設(shè)施，該傳感器節(jié)點(diǎn)的位置不能精確地預(yù)置，預(yù)節(jié)點(diǎn)之間的鄰居關(guān)系也不知道，如由播種飛機(jī)的大傳感器節(jié)點(diǎn)在廣袤的原始森林面積的數(shù)量，或者隨意擺放到難以接近的人或危險(xiǎn)區(qū)域。需要與自組織，自動(dòng)配置和管理的能力，通過自動(dòng)生成的轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的多跳無線網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)淇刂茩C(jī)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的傳感器節(jié)點(diǎn)。在使用傳感器網(wǎng)絡(luò)的過程中，由于能量消耗或環(huán)境因素的傳感器節(jié)點(diǎn)的一部分向故障，一些節(jié)點(diǎn)，以彌補(bǔ)故障節(jié)點(diǎn)，提高監(jiān)測補(bǔ)充的精度到網(wǎng)絡(luò)，這樣的傳感器網(wǎng)絡(luò)和節(jié)點(diǎn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)增加或減少的數(shù)量，從而使網(wǎng)絡(luò)的隨動(dòng)變化的拓?fù)洹鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)的自組織能適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化。2：動(dòng)態(tài)特性：傳感器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在一定情況下會(huì)受以下原因影響：1：環(huán)境條件發(fā)生變化有可能造成無線通信的鏈接通路帶寬發(fā)生變化，甚至?xí)a(chǎn)生斷開；2:電能有可能好久3：可靠度：WSN是特別適合部署到達(dá)在惡劣環(huán)境或人體不應(yīng)該面積，節(jié)點(diǎn)可能工作在露天，從太陽，風(fēng)，雨遭遇，甚至由一個(gè)人或動(dòng)物的破壞。傳感器節(jié)點(diǎn)通常部署在一個(gè)隨機(jī)的，如由平面或廣播用于炮彈的部署指定區(qū)域。這些都要求傳感器節(jié)點(diǎn)非常堅(jiān)固，不易損壞，適應(yīng)各種惡劣環(huán)境條件。因?yàn)樵搮^(qū)域環(huán)境和傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)量龐大的監(jiān)測的限制，該網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)是很困難的，甚至是不可能采取每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)。該傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信的保密性和安全性的關(guān)心也很重要的，這樣的監(jiān)測數(shù)據(jù)可以防止，并且可以獲取的虛假監(jiān)視信息。因此，傳感器網(wǎng)絡(luò)的硬件和軟件必須是健壯和容錯(cuò)。4：自組織性：在傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，通常是傳感器節(jié)點(diǎn)的情況下被放置在不存在的基礎(chǔ)設(shè)施，該傳感器節(jié)點(diǎn)的位置不能精確地預(yù)置，預(yù)節(jié)點(diǎn)之間的鄰居關(guān)系也不知道，如由播種飛機(jī)的大傳感器節(jié)點(diǎn)在廣袤的原始森林面積的數(shù)量，或者隨意擺放到難以接近的人或危險(xiǎn)區(qū)域。需要與自組織，自動(dòng)配置和管理的能力，通過自動(dòng)生成的轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的多跳無線網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)淇刂茩C(jī)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的傳感器節(jié)點(diǎn)。在使用傳感器網(wǎng)絡(luò)的過程中，由于能量消耗或環(huán)境因素的傳感器節(jié)點(diǎn)的一部分向故障，一些節(jié)點(diǎn)，以彌補(bǔ)故障節(jié)點(diǎn)，提高監(jiān)測補(bǔ)充的精度到網(wǎng)絡(luò)，這樣的傳感器網(wǎng)絡(luò)和節(jié)點(diǎn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)增加或減少的數(shù)量，從而使網(wǎng)絡(luò)的隨動(dòng)變化的拓?fù)?。傳感器網(wǎng)絡(luò)的自組織能適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化。5：中心部分是數(shù)據(jù)：因特網(wǎng)是第一計(jì)算機(jī)終端系統(tǒng)中，然后上網(wǎng)成為網(wǎng)絡(luò)，終端系統(tǒng)可獨(dú)立于網(wǎng)絡(luò)的存在。在互聯(lián)網(wǎng)上，網(wǎng)絡(luò)的唯一的IP地址標(biāo)識(shí)，資源位置和信息傳遞依賴于終端，路由器，服務(wù)器等的IP地址。如果您要訪問的資源，在互聯(lián)網(wǎng)上，你應(yīng)該先知道的存儲(chǔ)資源的服務(wù)器的IP地址?？梢哉f，在現(xiàn)有的因特網(wǎng)是一個(gè)地址中心的網(wǎng)絡(luò)。傳感器網(wǎng)絡(luò)是基于任務(wù)的網(wǎng)絡(luò)，它沒有意義的傳感器節(jié)點(diǎn)..傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)采用節(jié)點(diǎn)ID和節(jié)點(diǎn)號(hào)碼是唯一一個(gè)取決于網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議的設(shè)計(jì)。由于到隨機(jī)部署傳感器節(jié)點(diǎn)，傳感器網(wǎng)絡(luò)和節(jié)點(diǎn)號(hào)之間的關(guān)系是完全動(dòng)態(tài)的，并且它不一定與節(jié)點(diǎn)號(hào)和節(jié)點(diǎn)位置。當(dāng)用戶使用傳感器網(wǎng)絡(luò)查詢事件，該事件被直接通知給的網(wǎng)絡(luò)，而不是一個(gè)節(jié)點(diǎn)，用于確定一個(gè)數(shù)字。給用戶的網(wǎng)絡(luò)報(bào)告從指定的事件。這想法更接近自然語言交換數(shù)據(jù)本身獲取的信息之后是一個(gè)查詢或發(fā)送線索。因此它通常是說，傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)。例如，在目標(biāo)應(yīng)用程序跟蹤在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，目標(biāo)跟蹤中可能出現(xiàn)的任何地方，用戶感興趣的目標(biāo)意義只關(guān)心出現(xiàn)的目標(biāo)的位置和時(shí)間，不關(guān)心哪個(gè)節(jié)點(diǎn)監(jiān)測到目標(biāo)。事實(shí)上，在目標(biāo)移動(dòng)的過程中，不可避免地由不同的節(jié)點(diǎn)所提供的目標(biāo)的位置信息。6：基層化：傳感器節(jié)點(diǎn)的功耗低，體積小，價(jià)格便宜，并且集成實(shí)現(xiàn)。其中，微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的快速發(fā)展實(shí)現(xiàn)的功能，以提供相應(yīng)的技術(shù)條件下，在未來，類似灰塵傳感器節(jié)點(diǎn)將也已經(jīng)研制成功。3.2.1WSN測量節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)、軟件選擇及介紹網(wǎng)關(guān)：NIWSN-9791以太網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)著NI無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)中分布式測量節(jié)點(diǎn)與主控制器的通信。網(wǎng)關(guān)中，基于ZigBee技術(shù)的2.4GHz、IEEE802.15.4無線能夠收集源自傳感器網(wǎng)絡(luò)的測量數(shù)據(jù)，1個(gè)10/100Mbits/s以太網(wǎng)端口可靈活連接Windows或LabVIEW實(shí)時(shí)OS主控制器。納入WSN-9791的NI-WSN軟件，可幫助用戶快速配置傳感器網(wǎng)絡(luò)，并結(jié)合NILabVIEW圖形化開發(fā)環(huán)境提取、分析并顯示測量數(shù)據(jù)。堅(jiān)固的9VDC到30VDC外部供電網(wǎng)關(guān)（不包含電源），配有-30°C至70°C操作溫度、50g沖擊和5g振動(dòng)評級(jí)、輕巧的2U組成結(jié)構(gòu)。外部天線支持最遠(yuǎn)300米戶外視距，并能借由星形拓?fù)渲С侄噙_(dá)8個(gè)終端節(jié)點(diǎn)或借由網(wǎng)狀拓?fù)渲С侄噙_(dá)36個(gè)節(jié)點(diǎn)。WSN的監(jiān)測系統(tǒng)中，網(wǎng)關(guān)用于協(xié)調(diào)信號(hào)，主要作用為對節(jié)點(diǎn)的授權(quán)和信息的緩存。節(jié)點(diǎn)收集到的監(jiān)測數(shù)據(jù)會(huì)通過網(wǎng)關(guān)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)絡(luò)中可以使用NI的軟件，即LabVIEW來手機(jī)處理并分析顯示數(shù)據(jù)。本程序所使用的NIWSN-9791以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)是一種Ethernet網(wǎng)關(guān)，這種網(wǎng)關(guān)和可獨(dú)立運(yùn)行LabVIEWReal-Time的9792型號(hào)不同，9791在整個(gè)架構(gòu)中是作為中間設(shè)備而存在的，所以必須要連接一臺(tái)主機(jī)。圖3.1NIWSN-9791網(wǎng)關(guān)實(shí)際圖片測量節(jié)點(diǎn)：NIWSN-3231串口節(jié)點(diǎn)通過一個(gè)RS485端口和串口傳感器、儀器和控制板卡配合使用。通過LabVIEWWSN模塊和LabVIEW串口兼容API，可部署圖形化代碼將命令、查詢和解析算法嵌入至節(jié)點(diǎn)，在節(jié)點(diǎn)和串口設(shè)備之間創(chuàng)建局部的自理通信循環(huán)。LabVIEW串口兼容API幫助用戶配置波特率、停止位、奇偶校驗(yàn)位和流程控制。通過該API，可初始化串口通道、發(fā)送命令至串口設(shè)備，然后讀取和解析返回的數(shù)據(jù)。所有操作都在本地完成，不需要額外的通信，亦不產(chǎn)生延遲。本地處理完畢后，數(shù)據(jù)以無線方式傳送至WSN網(wǎng)關(guān)/主機(jī)。部署LabVIEWWSN代碼后，可進(jìn)行本地?cái)?shù)據(jù)分析、響應(yīng)數(shù)值改動(dòng)或網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)改動(dòng)，并控制兩條數(shù)字I/O線。數(shù)字I/O線具有工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的電平范圍，可配置為輸入、源極輸出和漏極輸出。WSN-3231還具有傳感器電流輸出通道，可輸出50mA，12V，作為外部設(shè)備或傳感器的電源。使用4節(jié)AA堿性電池或鋰電池為測量節(jié)點(diǎn)供電，或者使用5-30V外部電源為節(jié)點(diǎn)供電（電源不包括在產(chǎn)品中）。另外，設(shè)備支持備用電池。如發(fā)生斷電故障，設(shè)備自動(dòng)切換至電池供電模式。使用2.4GHz射頻傳輸數(shù)據(jù)至WSN網(wǎng)關(guān)，通過以太網(wǎng)連接系統(tǒng)中的其他設(shè)備。NI-WSN軟件可通過MAX配置網(wǎng)絡(luò)設(shè)置，也可與LabVIEW實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互?？蓪SN-3231配置為網(wǎng)格路由器，增加網(wǎng)絡(luò)距離并連接更多節(jié)點(diǎn)至WSN系統(tǒng)?？蛇B接8個(gè)終端節(jié)點(diǎn)（星形）或36個(gè)測量節(jié)點(diǎn)（網(wǎng)形）至一個(gè)WSN網(wǎng)關(guān)，戶外視線傳播達(dá)300米。該設(shè)備還具有良好的工業(yè)溫度和抗沖擊特性。圖3.2NIWSN-3231測量節(jié)點(diǎn)實(shí)際圖軟件：軟件選用虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)LabVIEW，在編輯監(jiān)測程序的時(shí)候編程員不止要對嵌入式的系統(tǒng)有一定的了解，還要了解供應(yīng)商給我們的特定的文本的編程語言。在這個(gè)程序的編程中，使用到的是labviewWSNPioneer，使編程變得相對的簡單很多，在編程中只要用到同一種的圖形化的編程方式就可以添加NI的無線傳感器節(jié)點(diǎn)，而且這種方法已經(jīng)成為了參數(shù)采集和監(jiān)測的一個(gè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。LabVIEWWSNPioneer還可以很靈活的將MATLAB或者C語言等編程語言通過DLL方式直接與圖形化的代碼相連接，再節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行中，也可以能夠?qū)崿F(xiàn)算法的重用。LabVIEWWSN的編程模塊可以用在部署并創(chuàng)建嵌入式程序到NIWSN的測量節(jié)點(diǎn)。使用LabVIEW的圖形化的編程方法，就不再需要嵌入式的編程的相關(guān)知識(shí)。NIWSN模塊的用途廣泛，其中包括能夠優(yōu)化節(jié)點(diǎn)的采樣和傳輸，還能夠有效地延長電池的使用時(shí)間，還能預(yù)處理一些數(shù)據(jù)，尤其是在這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)之前。WSN模塊可以在節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行閾值的數(shù)據(jù)分析，對于輸入輸出數(shù)據(jù)能夠做出相應(yīng)的響應(yīng)。其能夠通過編程對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行響應(yīng)，其中就會(huì)包括傳輸?shù)乃俾什⑦M(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，還能夠通過開關(guān)設(shè)備觸發(fā)數(shù)字線、能夠從網(wǎng)關(guān)發(fā)送接收消息，監(jiān)測響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的改變。關(guān)于LabVIEW在本程序的編程方法將在下一張重點(diǎn)闡述。3.4無線傳感器WSN網(wǎng)絡(luò)設(shè)置NI無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)平臺(tái)結(jié)合可靠的低功率產(chǎn)品和無縫LabVIEW集成，可提供完整的分布式監(jiān)控解決方案。在本監(jiān)測程序中，我們能通過NIMeasurement&AutomationExplorer(MAX)配置工具自行設(shè)置NIWSN，并借助NILabVIEW和NI-WSN軟件提取高質(zhì)量測量數(shù)據(jù)。每個(gè)測量節(jié)點(diǎn)提供4路模擬輸入通道和4路數(shù)字通道，可幫助我們將各路通道按需配置為輸入、漏極輸出或源級(jí)輸出。具有3個(gè)采樣點(diǎn)/分鐘速率的節(jié)點(diǎn)借助4節(jié)AA堿性電池可持續(xù)運(yùn)行3年，而更高功率能耗可提供更高的數(shù)據(jù)速率。測量節(jié)點(diǎn)和以太網(wǎng)關(guān)提供-40°C至70°C溫度范圍以及工業(yè)沖擊與振動(dòng)評級(jí)；其通信借助基于ZigBee的2.4GHz無線，后者可達(dá)1000米戶外視距。配有9V到30V壁掛式電源的以太網(wǎng)關(guān)，可靈活連接Windows或?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)控制器。NIWSN設(shè)備使用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是基于IEEE802.15.4和ZigBee技術(shù)。IEEE802.15.4通信標(biāo)準(zhǔn)界定著組網(wǎng)模型中的物理和媒體存取控制層，并實(shí)現(xiàn)著3個(gè)頻段（包括：2.4GHzISM頻段）的通信。ZigBee依照配有網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用層的802.15.4標(biāo)準(zhǔn)創(chuàng)建而成，可提供多項(xiàng)功能，如：設(shè)備協(xié)調(diào)、通過網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浯_保可靠性、創(chuàng)建指定文件以實(shí)現(xiàn)協(xié)議的定制與靈活性。NIWSN協(xié)議創(chuàng)建在其中的一個(gè)ZigBeeProfile上，可選擇并幫助ZigBee設(shè)備加入WSN網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)確保與其它ZigBee和2.4GHz頻率網(wǎng)絡(luò)的兼容。NI-WSN軟件隨附于NIWSN硬件，可幫助我們輕松配置NIMeasurement&AutomationExplorer(MAX)工具中的網(wǎng)絡(luò)。MAX的直觀用戶界面，可添加或刪除測量節(jié)點(diǎn)并進(jìn)行無線設(shè)置。我們可在設(shè)置NIWSN時(shí)，將WSN-9791以太網(wǎng)關(guān)添加至MAX中“遠(yuǎn)程系統(tǒng)”的下方，并輸入結(jié)點(diǎn)序列號(hào)將測量節(jié)點(diǎn)分配至網(wǎng)關(guān)。一經(jīng)加電或重置，節(jié)點(diǎn)便自動(dòng)重新連接至指定的網(wǎng)關(guān)。若節(jié)點(diǎn)無法連接，便會(huì)執(zhí)行1組等待序列(back-off)達(dá)55分鐘之久。若網(wǎng)關(guān)處于離線狀態(tài)，該方法可蓄存電池能源。NIMAX功能強(qiáng)大，可以查看WSN中的所有測量節(jié)點(diǎn)，還有節(jié)點(diǎn)的最近一次通信的時(shí)間、電池狀態(tài)、鏈路質(zhì)量等等。另外，NIMAX提供的界面能夠設(shè)置ZigBee通道的通信、配置網(wǎng)關(guān)IP地址、無線式更新測量節(jié)點(diǎn)上的固件、通過配置令節(jié)點(diǎn)運(yùn)作與終端設(shè)備或網(wǎng)狀路由器(meshrouter)相同。液壓生物反應(yīng)器軟件設(shè)計(jì)4.1軟件開發(fā)平臺(tái)4.1.1虛擬儀器介紹虛擬儀器是現(xiàn)在計(jì)算機(jī)的軟硬件結(jié)合物，尤其在測量技術(shù)方面結(jié)合非常好，它同時(shí)也是傳統(tǒng)一起觀念的一次巨大改革，同時(shí)也是一起發(fā)展的重要方向。所謂虛擬儀器是計(jì)算機(jī)為核心的硬件平臺(tái)，該函數(shù)被定義，并設(shè)計(jì)成通過用戶與虛擬面板，測試功能是由計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)的軟件測試來實(shí)現(xiàn)。虛擬儀器的實(shí)質(zhì)是利用計(jì)算機(jī)顯示器的顯示功能來模擬傳統(tǒng)儀器的控制面板，在各種測試結(jié)果的表達(dá)形式輸出：利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的軟件功能實(shí)現(xiàn)信號(hào)數(shù)據(jù)的運(yùn)算，分析和處理;通過I/O接口設(shè)備采集，測量和調(diào)節(jié)信號(hào)，從而完成一個(gè)計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)的測試功能。用戶使用鼠標(biāo)或鍵盤進(jìn)行操作的虛擬面板，由于是與使用一種特殊的測量儀器。因此，虛擬儀器的出現(xiàn)，使儀器與電腦之間的界限變得模糊。4.1.2軟件開發(fā)平臺(tái)介紹由于軟件的關(guān)鍵是虛擬儀器技術(shù)，它是必不可少的設(shè)計(jì)師選擇了虛擬儀器軟件開發(fā)平臺(tái)。該虛擬儀器具有很多的軟件開發(fā)平臺(tái)，開發(fā)平臺(tái)的一部分（如VisualC，VisualBasic中，德爾福等）的制備過程中使用文本編程語言需要很多技巧，而且難以調(diào)試，調(diào)試是不容易的。為了簡化程序，縮短編程時(shí)間，業(yè)界提出了圖形化編程語言，即G語言（GraphicLanguange）。目前，圖形軟件開發(fā)平臺(tái)的開發(fā)平臺(tái)具有的LabVIEW，LabWindows/CVI和VEE4概念I(lǐng)-IP公司NI公司的VEE4.0開發(fā)平臺(tái)。LabVIEW是圖形化的軟件開發(fā)平臺(tái)的代表，這也是該研究論文的虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)。4.2生物反應(yīng)器系統(tǒng)參數(shù)虛擬測試儀軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)液壓生物反應(yīng)器多參數(shù)在線監(jiān)測系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計(jì)分為三個(gè)測試和監(jiān)測模塊。以下將通過程序的每個(gè)部分的功能進(jìn)行講解。4.2.1系統(tǒng)登錄系統(tǒng)圖4.2.1液壓生物反應(yīng)器多參數(shù)在線監(jiān)測系統(tǒng)用戶登錄界面圖4.2.1為本程序的登錄界面，輸入用戶名稱和用戶密碼進(jìn)入系統(tǒng)主功能界面。在輸入用戶名后可以點(diǎn)擊更改密碼按鈕即可進(jìn)行密碼更改，新建用戶按鈕等于注冊，即可注冊新的用戶，當(dāng)用戶名稱輸入完畢后，用戶密碼輸入完畢后如果正確即可點(diǎn)擊編輯用戶按鈕，就可以編輯用戶，這個(gè)功能在程序主界面也可以進(jìn)行相同操作。輸入用戶名后如果用戶名相應(yīng)權(quán)限為管理員則管理員燈亮。圖4.2.2液壓生物反應(yīng)器多參數(shù)在線監(jiān)測系統(tǒng)用戶登錄程序判斷部分圖中最左邊為讀取用戶信息子VI，從子VI中輸出的是存在文本文檔里的用戶信息，讀取時(shí)為二維數(shù)組顯示用戶的信息。搜索用戶名子VI中用來檢索輸入的用戶所在的位置，并將用戶所在行數(shù)輸出。其中的三個(gè)小的判斷語句是用來打開編輯用戶界面、新建用戶界面或者更改密碼界面的。在前部中間的判斷語句在判斷用戶是否為管理員并且密碼正確后才能啟用編輯用戶按鈕。右邊的判斷語句多重判斷后均無誤則可以登陸系統(tǒng)。第一重為登陸按鍵是否按下，第二重判斷是非存在這個(gè)用戶，第三重用來判斷用戶是否被管理員鎖定，最后一重判斷密碼是否正確。在所有判斷語句都通過之后則可以進(jìn)行之后的動(dòng)作。圖2.2.3液壓生物反應(yīng)器多參數(shù)在線監(jiān)測系統(tǒng)用戶登錄程序執(zhí)行部分在登錄系統(tǒng)的執(zhí)行部分首先的一個(gè)功能就是打開這次液壓生物反應(yīng)器多參數(shù)檢測系統(tǒng)的主界面并關(guān)閉當(dāng)前頁面，第二個(gè)功能就是計(jì)數(shù)，增加一次當(dāng)前用戶登陸的次數(shù)。登陸界面可以把登陸的次數(shù)記錄在用戶信息里。4.3生物反應(yīng)器系統(tǒng)參數(shù)虛擬測試儀主面板及框圖程序的設(shè)計(jì)圖4.3.1液壓生物反應(yīng)器多參數(shù)在線監(jiān)測系統(tǒng)用戶主界面登錄后，進(jìn)入主功能界面，如圖4.3.1所示。主功能界面包括葡萄糖值測量、PH值測量、含氧量測量、濕度測量、溫度測量、壓力測量、管理員功能七個(gè)模塊按鈕。主功能界面的程序使用了生產(chǎn)者消費(fèi)者的架構(gòu)并主要運(yùn)用子面板技術(shù)來顯示每個(gè)數(shù)值的顯示界面。圖4.3.2液壓生物反應(yīng)器多參數(shù)在線監(jiān)測系統(tǒng)用戶主界面程序圖LabVIEW中自帶的眾多程序架構(gòu)中，出現(xiàn)最多的除了狀態(tài)機(jī)架構(gòu)以外，還有生產(chǎn)者/消費(fèi)者架構(gòu)。LabVIEW在創(chuàng)建新VI時(shí)可以選擇框架，在選擇中就有生產(chǎn)者/消費(fèi)者設(shè)計(jì)模式的事件和數(shù)據(jù)兩種模板，本程序中選用的是事件模式，這種模式以事件驅(qū)動(dòng)方式，生成隊(duì)列的項(xiàng)。生產(chǎn)者/消費(fèi)者的上半部分即是時(shí)間結(jié)構(gòu)辨別，將信號(hào)通過隊(duì)列傳遞到下半部分。該架構(gòu)的下半部分就是狀態(tài)機(jī)，每種不同信號(hào)會(huì)打開不同的判斷語句，如圖中就是將用戶編輯面板的VI在子面板上顯示。4.4數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計(jì)圖4.4.1液壓生物反應(yīng)器多參數(shù)在線監(jiān)測系統(tǒng)用壓力測量主界面液壓生物反應(yīng)器多參數(shù)在線監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊以壓力強(qiáng)度測量為例子講解，在圖4.4.1中，此時(shí)已經(jīng)選擇了壓力按鈕讓子面板顯示壓力強(qiáng)度的測量面板。在這個(gè)模板中，有三種模式可以選擇，第一種為演示模式，第二種為WSN連接模式，這種模式也是本程序的主要測量方式。第三種是使用NIELVISII的實(shí)驗(yàn)采集調(diào)試模式。圖4.4.2壓力強(qiáng)度開始監(jiān)測時(shí)的界面圖中可以看出檢測的功能包括波形圖的上下限，分別為紅線和藍(lán)線，真正監(jiān)測數(shù)據(jù)為綠色線條，同時(shí)可以顯示測試數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集可以開始與暫停，當(dāng)開啟報(bào)警的時(shí)候會(huì)開始檢查實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)會(huì)不會(huì)突破上限或者低于下限，當(dāng)突破時(shí)會(huì)顯示當(dāng)時(shí)的時(shí)間，即報(bào)警時(shí)間，且只顯示第一次報(bào)警的時(shí)間，因?yàn)樵谏锓磻?yīng)器的某種數(shù)據(jù)不達(dá)標(biāo)是則意味著需要更換培養(yǎng)液，所以報(bào)警時(shí)間只顯示第一次。同時(shí)，監(jiān)測結(jié)束后可以打印報(bào)表，在Word文檔或者Excel表格中顯示監(jiān)測到的數(shù)據(jù)。當(dāng)選擇無線模式實(shí)時(shí)監(jiān)測功能時(shí)，系統(tǒng)開啟遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，PC與NIWSN-9791無線網(wǎng)關(guān)相連，通過NIMAX配置連接至于無菌室內(nèi)與反應(yīng)器相連的測量節(jié)點(diǎn)NIWSN-3231，獲取實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)。用戶在無菌室外即可獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并對反應(yīng)器進(jìn)行工作參數(shù)的控制，當(dāng)前市場上尚未發(fā)現(xiàn)相同的組織工程生物反應(yīng)器監(jiān)測系統(tǒng)產(chǎn)品，使傳統(tǒng)組織工程生物反應(yīng)器的實(shí)驗(yàn)環(huán)境由人工變成全天候無菌智能化遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制，據(jù)此將現(xiàn)有組織工程生物反應(yīng)器推向工業(yè)化進(jìn)程。圖4.4.3壓力強(qiáng)度監(jiān)測的程序內(nèi)容測試的程序主要框架是狀態(tài)機(jī)架構(gòu)，我的這段程序是選擇三種不同的測量方式，所以我的架構(gòu)是一個(gè)大的狀態(tài)機(jī)結(jié)構(gòu)包著三個(gè)小的狀態(tài)機(jī)結(jié)構(gòu)，在最大的狀態(tài)機(jī)架構(gòu)里，前面板為選擇面板，通過選擇三種不同的方式，可以進(jìn)入三個(gè)不同的界面，所以這個(gè)狀態(tài)機(jī)里要通過事件結(jié)構(gòu)判斷不同的按鍵按下并轉(zhuǎn)換到不同的頁面。在狀態(tài)機(jī)里包著三個(gè)小的狀態(tài)機(jī)，其主要作用就是三個(gè)監(jiān)測顯示界面的控制，在子狀態(tài)機(jī)里通過事件結(jié)構(gòu)判斷來進(jìn)行不同的工作，如上圖4.4.2所示，在點(diǎn)擊開始按鈕之后則會(huì)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集頁面，并進(jìn)入while循環(huán)，不停采集信號(hào)，知道點(diǎn)擊暫停按鈕暫停采集。點(diǎn)擊打印報(bào)表就能在報(bào)表子VI中進(jìn)行并保存數(shù)據(jù)到Word。圖4.4.4為一個(gè)報(bào)表的生成子VI，在這個(gè)子VI中可以顯示液壓生物反應(yīng)器監(jiān)測圖表的標(biāo)題并顯示當(dāng)前的日期和打印時(shí)間，最主要的是將生成的波形圖打印在word文檔中，實(shí)現(xiàn)打印報(bào)表的功能。圖4.4.4液壓生物反應(yīng)器監(jiān)測圖表報(bào)表打印子VI程序演示模式選擇的是使用一個(gè)事先準(zhǔn)備好的仿真數(shù)據(jù)來在波形圖上顯示，原理非常簡單，即使用一個(gè)0-1的隨機(jī)數(shù)并予以相應(yīng)數(shù)學(xué)計(jì)算來產(chǎn)生一個(gè)在某個(gè)值附件浮動(dòng)的數(shù)值。而NIELVISII調(diào)試模式則是使用DAQ模塊來采集從NIELVISII儀器收集到的數(shù)據(jù)。如圖4.4.5則是程序的一部分截圖，通過設(shè)置采集參數(shù)來采集ELVIS傳輸過來的數(shù)據(jù)，下圖是DAQ的一部分，首先使用DAQmx創(chuàng)建虛擬通道VI來創(chuàng)建單個(gè)或多個(gè)虛擬通道，并將其添加至任務(wù)。該多態(tài)VI的實(shí)例分別對應(yīng)于通道的I/O類型（例如，模擬輸入、數(shù)字輸出或計(jì)數(shù)器輸出）、測量或生成操作或者在某些情況下使用的傳感器（例如，用于溫度測量的熱電偶或RTD）。之后用DAQmx定時(shí)VI配置要獲取或生成的采樣數(shù)，并創(chuàng)建所需的緩沖區(qū)。該多態(tài)VI的實(shí)例分別對應(yīng)于任務(wù)使用的定時(shí)類型。之后使用DAQmx開始任務(wù)VI來使任務(wù)處于運(yùn)行狀態(tài)，開始測量或生成。該VI適用于某些應(yīng)用程序。如未使用該VI，DAQmx讀取VI運(yùn)行時(shí)測量任務(wù)將自動(dòng)開始。DAQmx寫入VI的自動(dòng)開始輸入用于確定揇AQmx寫入VI運(yùn)行時(shí)，生成任務(wù)是否自動(dòng)開始。如在循環(huán)中多次使用揇A