CN101833452A - 一种基于传感器的监测软件设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于传感器的监测软件设计方法，即以该监测软件层次结构模型为基础，进行基于传感器的监测软件设计。设计方法中，把基于传感器的监测软件的公用功能通过组件化设计进行实现，特殊功能利用参数进行区分。根据用户的具体需求，通过对参数的配置，可实现基于传感器的监测软件的高效率开发。利用此方法设计的基于传感器的监测软件系统开发平台主要包括可重复使用的组件库、数据采集子系统、参数配置子系统、监测软件装配子系统。该设计方法通过生产企业的开发实例进行了验证。结果表明，该方法是可行的，并显著提高了开发效率和软件质量。

Description

一种基于传感器的监测软件设计方法

技术领域

本发明涉及一种基于传感器的监测软件设计方法。

背景技术

基于传感器的自动化监测系统在多种领域中得到广泛应用。自动化监测系统主要包括三个部分：带有传感器的数据采集硬件设备、计算机和监测软件，其中监测软件负责收集、管理和分析数据，供用户使用。本发明中基于传感器的监测软件指以上自动化监测系统中的监测软件(以下简称监测软件)。监测软件被认为是自动化监测系统的主体和核心。随着传感器技术及传感器网络技术的高度发展，对于本地监测及网络化监测的需求显著增加。同时，由于在监测领域用户需求的多样性和软件开发的复杂性，监测软件的开发效率低、周期长、集成难度大。因此，研究高效率的监测软件开发方法显得尤为必要。

监测软件的开发主要有两种方法：专业化商业软件和计算机语言类编程工具。前者，如LabVIEW、LabWindows/CVI和HP VEE，开发效率相对较高，应用范围窄；后者，如C++、Java等，适用范围广，开发效率相对较低。虽然这些工具开发功能很强大，但若直接利用它们开发监测软件往往会有以下几个方面的问题。首先，开发人员必须熟悉编程语言和各种带有传感器的数据采集硬件设备。其次，需花费大量时间装配复杂框图或编写代码，开发周期长、成本高、效率低。此外，传统工具对于具体领域标准化程度低，使得软件开发和升级难度大。

目前监测软件的开发主要集中在具体问题的解决方面，未见到系统化简化监测软件开发方法的研究工作。

发明内容

监测软件接收来自传感器的时间序列数据、用户录入的监测对象描述信息等数据，完成数据处理、分析与显示功能。本发明所要解决的技术问题是针对监测软件开发效率低的不足，提出了一种监测软件设计方法，以解决监测软件的开发效率问题。采用本发明中的软件设计体系结构及对应的组件化开发方法，所设计的监测软件具有可扩展性、可维护性、可重用性和灵活性。

本发明的技术方案如下：

本发明提出了自动化监测系统的层次结构模型，自下往上依次是物理层、采集层、管理层和应用层。每层实现了自动化监测系统的一部分功能，同时，低层功能是高层功能实现的基础和前提条件，中间层可以利用邻近低层的服务向高层提供服务。物理层的主要功能是监测物理量，并把它转化为电信号，包括通信接口、数据采集器和传感器。监测软件的层次结构模型只包括自动化监测系统层次结构模型中的采集层、管理层和应用层，不包括物理层。采集层主要由与数据采集硬件设备通信的函数和上下层接口软件组成，负责把低层数据采集硬件设备和高层软件系统之间的信息传输连接在一起。采集层的作用是：为周期性地从物理层采集数据并将数据传送给管理层提供了功能方法，控制采集器的执行过程和读取执行状态。管理层位于采集层和应用层之间，能够处理高层的请求与访问并为采集层提供接口。该层负责传感器数据预处理，软件配置信息及传感器等数据信息的数据库存取，实现了应用层与数据库之间的逻辑隔离。应用层是监测软件与用户之间的界面接口，用户可利用此界面接口使用监测软件提供的各种功能。

以下对该监测软件层次结构模型中各层之间的信息交互做进一步说明：

(1)采集层和管理层之间的交换信息包括采集时间、传感器编号和传感器数据等。管理层收到来自采集层的数据后，向采集层发送确认信息。

(2)管理层和应用层之间的数据交换包括采集命令、监测数据和软件配置数据。该模型采集命令采用逻辑命令实现。不同生产厂商的设备有不同的命令从数据采集器控制和获取数据，把生产厂商的命令称为物理命令。为了使低层机制更加明晰，该模型利用逻辑命令使各种数据采集器的访问和控制统一化。逻辑命令与采集层的物理命令形成一一映射。逻辑命令的使用，实现了管理层和应用层的硬件无关性，物理层的任何设备可以在不影响高层的情况下进行更换。监测数据包括监测元数据(监测过程中的描述信息，如实验室名称、传感器数量、仪器信息等)和传感器数据(如传感器类型、精度等)。软件配置数据包括描述监测对象的标题名称信息，显示界面等初始设置数据。监测软件运行时首先读软件配置数据完成初始化。

在监测软件层次结构模型的基础上进行了合理的模块划分，每个功能模块通过组件开发方法进行实现，通过对组件的参数配置，满足功能模块的具体应用需求。利用不同组件的组合和少量代码编写可实现监测软件的高效率开发。利用此方法设计的监测软件开发平台主要包括可重复使用的组件库、数据采集子系统、参数配置子系统、监测软件装配子系统。其中，可重复使用的组件库包括采集子系统接口组件、数据管理组件、监测对象信息录入组件、监测对象导航组件、传感器设置组件、多功能模拟量参数监测组件、历史查询组件、多功能开关量参数监测组件、数据列表组件和监测结果打印组件。数据采集子系统负责接收采集硬件设备或采集板的监测数据。参数配置子系统完成开发者对参数的配置，为开发者提供友好的软件界面，并允许开发者通过修改配置参数修改监测软件功能。监测软件装配子系统根据参数配置子系统的参数配置加载有关组件，并对这些组件及有关功能进行初始化，构成一套监测软件。

对该监测软件开发平台组成部分作进一步描述如下：

(1)可重复使用的组件库包括采集子系统接口组件、数据管理组件、监测对象信息录入组件、监测对象导航组件、传感器设置组件、多功能模拟量参数监测组件、历史查询组件、多功能开关量参数监测组件、数据列表组件和监测结果打印组件。采集子系统接口组件负责向数据采集子系统发送逻辑命令和接收来自数据采集子系统的传感器测量参数信息；数据管理组件负责各种信息的数据库存取，并与有关组件进行信息交互，实现了其它组件与数据库的逻辑隔离；监测对象信息录入组件完成监测对象的描述信息录入功能；监测对象导航组件完成监测对象查看导航和监测对象的选择功能，导航信息采用树形结构进行组织；传感器设置组件完成监测对象对应传感器的使用设置；多功能模拟量参数监测组件具有模拟量参数曲线、图例、即时数据的显示功能，还可完成曲线图的移动、缩小、放大和曲线标注及模拟量参数特征值的计算功能；历史查询组件具有根据监测对象元数据信息查询监测对象历史传感器测量数据、计算结果、参数曲线信息的功能；多功能开关量参数监测组件具有开关量状态信息的显示功能；数据列表组件具有传感器数据的列表显示功能；监测结果打印组件具有组合打印或打印预览多功能模拟量参数监测组件界面及监测结果的功能。

(2)数据采集子系统是从采集子系统接口组件接收逻辑命令，把逻辑命令转换成具体数据采集设备的物理命令并发送给对应的数据采集设备，周期性地从数据采集设备获取传感器测量参数数据，并把传感器测量参数信息传输给采集子系统接口组件。传感器测量参数信息包括采集时间及按传感器编号进行排列的传感器测量参数数据。

(3)参数配置子系统是为提高软件开发效率而设计的，包括参数配置助手和有效性确认助手。开发者利用参数配置子系统进行参数设置，并通过有效性确认助手验证这些参数的正确性，可实现基于传感器的监测软件的高效率开发和软件质量的提高。参数配置助手允许开发者根据实际应用需求设置参数，完成相应功能的设置，并提供了友好的软件界面；有效性确认助手可以帮助开发者检查参数设置过程中出现的错误，提高参数设置的正确性。

参数配置助手主要用于完成组件信息设置和配置信息设置。组件信息设置是指装配子系统的组件属性设置，包括采集子系统接口组件、数据管理组件、监测对象信息录入组件、监测对象导航组件、传感器设置组件、多功能模拟量参数监测组件、历史查询组件、多功能开关量参数监测组件、数据列表组件和监测结果打印组件等的参数设置。配置信息设置包括监测软件的菜单信息，监测软件能够监测的监测对象数量，整体传感器参数信息，监测对象描述信息条目标题名称及类型信息，每个被监测对象对应的传感器参数信息、对应的模拟量及开关量监测界面配置信息，监测对象导航信息，这些信息用于监测软件的功能配置及初始化。

有效性确认助手是在全部参数设置之后，帮助开发者检查设计过程中可能出现的错误。在完成错误检验操作之后，监测软件的参数设置成功。

(4)监测软件装配子系统根据参数配置子系统的参数配置加载有关组件，并对这些组件及有关功能进行初始化，构成一套监测软件。该装配子系统运行时可调用组件库组件，实现相应功能的操作。

以上所述可重复使用的组件库、数据采集子系统、参数配置子系统、监测软件装配子系统构成了基于传感器的监测软件开发平台。该监测软件开发平台对应了监测软件设计方法。开发者可以根据用户的具体需求，通过配置参数设定监测软件的功能，也可以修改配置参数修改监测软件功能，如果监测对象发生变化，只需修改配置文件，就可以完成相应功能的修改。该软件设计方法可实现基于传感器的监测软件的高效率开发，提高软件的可扩展性、可维护性和易操作性。

本发明的优点是：

(1)本发明把各种基于传感器的监测软件的公用功能通过组件化设计进行实现，特殊功能利用参数进行区分。根据用户的具体需求，通过对参数的配置设定软件功能，从而解决了监测软件开发因复杂的编程和调试导致的低效率的难题，降低了监测软件开发的复杂度，节约了开发成本。

(2)本发明是以提出的监测软件设计方法为基础，进行监测软件的设计，解决了监测软件维护和整合过程中面临的困难。

(3)本发明具有可扩展性、可维护性、灵活性、模块性、易操作性和实用性强等优点。

(4)对于监测软件的大多数功能需求，通过修改相应的配置信息满足用户需求，无需重新编写代码，从而实现基于传感器的监测软件的高效率开发。

附图说明

图1监测软件层次结构模型；

图2采集层与管理层的交互；

图3管理层与应用层的交互；

图4监测软件设计结构；

图5监测软件功能模块；

图6监测软件开发流程；

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施作如下详述：

参照图1，图1给出了监测软件的层次结构，自下往上依次为采集层、管理层、应用层。

参照图2，图2给出了采集层与管理层之间的交互。它们之间的交换信息包括采集时间、传感器编号和传感器数据等。

参照图3，图3给出了管理层与应用层之间的交互。它们之间的数据交换包括采集命令、监测数据和软件配置数据。

参照图4，图4给出监测软件设计结构来说明监测软件的主要组成。该监测软件由可重复使用的组件库、数据采集子系统、参数配置子系统和监测软件装配子系统四部分组成。监测软件的各组成部分应在数据库基础上进行整合。如图5所示，可重复使用的组件库包括采集子系统接口组件、数据管理组件、监测对象信息录入组件、监测对象导航组件、传感器设置组件、多功能模拟量参数监测组件、历史查询组件、多功能开关量参数监测组件、数据列表组件和监测结果打印组件。数据采集子系统负责接收采集设备或采集板的监测数据。参数配置子系统完成开发者对参数的配置，为开发者提供友好的软件界面，并允许开发者通过修改配置参数修改监测软件功能。监测软件装配子系统根据参数配置子系统的参数配置加载有关组件，并对这些组件及有关功能进行初始化。

参照图6，图6给出监测软件的开发流程，这是一个对不同类型监测对象的通用开发流程，具体过程如下：

步骤1：开发者按照实际需求指定配置参数，然后利用参数配置助手设定参数。参数配置主要协助组件信息设置和配置信息设置，这是软件开发的主要步骤；

步骤2：利用有效性确认助手帮助开发者检查参数设置过程中出现的错误，提高参数设置的正确性。其中主要包括对于监测对象参数和传感器参数的验证；

步骤3：验证完成后，所有设置信息被存入数据库的配置表；

步骤4：从图5可重复使用的组件库中选取适当的组件，用于组装成监测软件；

步骤5：完成参数配置后，利用监测软件装配子系统根据参数配置加载有关组件，并对这些组件及有关功能进行初始化，构成一套监测软件。

通过对以上流程的描述，本领域的技术人员应该能够完整地理解本发明，并利用上述操作可以实现一个基于传感器的监测软件。

具体实施效果：(1)通过监测软件参数配置，降低了软件开发的复杂度，提高了开发效率，节省了开发时间；(2)提出一种基于传感器的监测软件层次结构模型，为监测软件数据采集和管理方面提供了基础，解决了监测软件维护和整合过程中面临的困难；(3)监测软件的性能更好地满足了监测对象的需求；(4)简单易于部署，实用性强，有利于本发明的普及。

Claims (10)

1.基于传感器的监测软件设计方法，其特征在于：该监测软件设计方法把各种基于传感器的监测软件(以下简称监测软件)的公用功能模块通过组件化设计进行实现，组件在不同监测软件中所需的特殊功能利用组件的接口参数配置进行指定。利用此方法设计的监测软件系统开发平台主要包括可重复使用的组件库、数据采集子系统、参数配置子系统和监测软件装配子系统。针对不同应用环境，利用该开发平台，通过对监测软件系统及各组件参数的配置，可快速开发不同应用需求的监测软件。

2.根据权利要求1所述的监测软件设计方法，其特征在于：可重复使用的组件库包括采集子系统接口组件、数据管理组件、监测对象信息录入组件、监测对象导航组件、传感器设置组件、多功能模拟量参数监测组件、历史查询组件、多功能开关量参数监测组件、数据列表组件和监测结果打印组件。

3.根据权利要求2所述的监测软件设计方法，其特征在于：采集子系统接口组件负责向数据采集子系统发送逻辑命令和接收来自数据采集子系统的传感器测量参数信息。传感器测量参数信息包括采集时间及按传感器编号进行排列的传感器测量参数数据。该组件中逻辑命令的格式可通过该组件接口进行配置。数据管理组件负责各种信息的数据库存取，并与有关组件进行信息交互，实现了其它组件与数据库的逻辑隔离。监测对象信息录入组件完成监测对象的描述信息录入功能。该组件中描述信息的条目标题名称和类型可通过该组件接口进行配置。监测对象导航组件完成监测对象查看导航和监测对象的选择功能，导航信息采用树形结构进行组织。该组件中的导航信息可通过该组件接口进行配置。传感器设置组件完成监测对象对应传感器的使用设置，即传感器在本次监测中是否使用、是否显示曲线，传感器分组。组件中的传感器数量、每个传感器的名称及分组的数量和每个分组的名称可通过该组件接口进行配置。多功能模拟量参数监测组件具有模拟量参数曲线、图例、即时数据的显示功能。组件还可完成曲线图的移动、缩小、放大和曲线标注及模拟量参数特征值的计算功能。组件中界面的大小、位置，界面中子窗口的位置、大小，每个子窗口中的多个坐标系，每个坐标系对应的多个传感器测量参数可通过该组件接口进行配置。历史查询组件具有根据监测对象元数据信息查询监测对象历史传感器测量数据、计算结果、参数曲线信息的功能。组件中的查询条件条目数量及条目标题名称可通过该组件接口进行配置。多功能开关量参数监测组件具有开关量状态信息的显示功能。组件中显示的开关量数量，每个开关量不同状态所显示提示信息，显示窗口的大小及位置可通过该组件接口进行配置。数据列表组件具有传感器数据的列表显示功能。组件中显示的传感器数据精度，时间格式，列表的列名、列数及其与传感器数据的对应关系可通过该组件接口进行配置。监测结果打印组件具有组合打印或打印预览多功能模拟量参数监测组件界面及监测结果的功能。打印内容的布局可通过该组件接口进行配置。

4.根据权利要求1所述的监测软件设计方法，其特征在于：数据采集子系统是从采集子系统接口组件接收逻辑命令，把逻辑命令转换成具体数据采集设备的物理命令并发送给对应的数据采集硬件设备，周期性地从数据采集设备获取传感器测量参数信息，并把传感器测量参数信息传输给采集子系统接口组件。

5.根据权利要求1所述的监测软件设计方法，其特征在于：开发者可以利用参数配置子系统进行参数配置，并可协助检验这些参数的正确性，可实现基于传感器的监测软件的高效率开发。配置的信息包括：组件信息设置和配置信息设置。

6.根据权利要求5所述的监测软件设计方法，其特征在于：组件信息设置是指装配子系统的组件属性设置，包括采集子系统接口组件、数据管理组件、监测对象信息录入组件、监测对象导航组件、传感器设置组件、多功能模拟量参数监测组件、历史查询组件、多功能开关量参数监测组件、数据列表组件和监测结果打印组件等的参数设置。配置信息设置包括监测软件的菜单信息，监测软件能够监测的监测对象数量，整体传感器参数信息，监测对象描述信息条目标题名称及类型信息，每个被监测对象对应的传感器参数信息、对应的模拟量及开关量监测界面配置信息，监测对象导航信息，这些信息用于监测软件的功能配置及初始化。

7.根据权利要求1所述的监测软件设计方法，其特征在于：监测软件装配子系统根据参数配置子系统的参数配置加载有关组件，并对这些组件及有关功能进行初始化，构成一套监测软件。

8.根据权利要求1所述的监测软件设计方法，其特征在于：采用监测软件层次结构模型进行设计。采集子系统属于采集层，数据管理组件属于管理层，监测软件装配子系统及其它组件属于应用层。

9.根据权利要求8所述的监测软件设计方法，其特征在于：采集层软件、管理层和应用层软件可以部署在同一台计算机，或者采集层软件部署在一台计算机，而管理层及应用层软件部署在另外一台计算机。管理层及应用层软件必须部署在同一台计算机。

10.根据权利要求2、4、5、7所述的监测软件设计方法，其特征在于：可重复使用的组件库、数据采集子系统、参数配置子系统、监测软件装配子系统构成了基于传感器的监测软件系统开发平台。

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