嵌入式儀器資料收集系統之設計與實踐
-以環保署空氣品質監測站為例

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張坤福(Kun-Fu Chang) 查詢紙本館藏

畢業系所

環境工程研究所

論文名稱

嵌入式儀器資料收集系統之設計與實踐 -以環保署空氣品質監測站為例
(The development of an internet-based SCADA system for the next generation air quality monitorng station )

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摘要(中)

本研究乃根據環保署空氣品質監測站資料收集系統未來之需求為開發方向，設計開發一套儀器資料收集系統，以大量、即時傳遞監測資料。設計時應用現代化之網路及通訊技術，並納入分散式管理、嵌入式系統設計等先進概念。共計開發資料收集原型機六部及軟體應用程式三套(系統控制程式、常駐資料封包轉換程式、使用者操作介面)。系統主要功能包括：
(1)具網路資料傳輸功能
(2)遠端控制/自動設定參數之功能
(3)具初步自我除錯/自我救援之功能
(4)採分散式資料管理，具多重資料備份之功能
(5)具有數位/類比儀器資料接收及控制功能
(6)內建校正曲線及監測值轉換之功能
(7)具資料儲存功能
(8)以網頁式(Web-based)應用系統為操作介面
由實驗室功能測試結果顯示：原型機資料收發、自動除錯/自我救援功能、資料自動備援及修復機制等功能皆能正確執行，且測試期間原型機穩定操作時間佔總測試時間之95%以上。在實驗室測試中，使用學術網路進行資料傳送時的封包遺失率約為0.02%、網路控制反應時間約為4~5秒。實場測試時由於網路條件的不同，其平均封包遺失率約為0.01%~0.04%、遠端設定成功率在95%以上、網路搖控反應時間約為4~5秒。在未啟用看門狗功能前，由於缺少外部救援機制，當機時需由人工重新啟動，造成系統資料收集工作停擺，此情形在啟用看門狗功能後獲得成功改善。加入看門狗功能的原型機在實場測試後期已能自動連續運作達一個月之久。

摘要(英)

The purpose of this research is to design and develop an internet-based SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) system to meet the demand on data collection and transmission of the environmental monitoring stations around this island in the future. The system is composed of two parts：an on-site data collector which is called Site-Server, and a PC-based web server unit at the remote data center. Site-Server has a signal processing unit based on BX-24 microprocessor, an internet protocol processing unit based on siteplayer chip, and other peripheral chips. The system can take both analog and digital signals from different monitoring instruments and transmit calculated data to 8 different subscribed remote databases. Before data are transmitted, the Site-Server stores data in its nonvolatile memories as a backup in case of internet failure. The major functions of this system are listed below：
(1)Internet data transmitting and receiving
(2)Automatic parameter configuration
(3)Preliminary system debugging and rescuing
(4)Multi-users data subscription
(5)Digital signal conversion
(6)Voltage-to-data translation
(7)Inner data-logger
(8)Web-based human-machine interface
Laboratory and on-site tests were put into practice later to evaluate the performances of the system. The laboratory test showed that the steady operation time of Site-Server had reached 95% of the entire period. Other tests such as power failure test, internet service interruption test, and database replication test were also carried out successfully. In field situation, the probability of losing data during transmission was about 0.01%~0.04%, and the access time through internet was about 4~5 seconds. For unknown reasons, Site-Server halted more often in the beginning of the field study. This problem was solved by adding an external watchdog timer. Since then, the system worked steadily.

關鍵字(中)

★ 網際網路
★ 傳輸系統
★ 空氣品質監測站

關鍵字(英)

★ Internet
★ Communication device
★ Monitoring Station

論文目次

第一章前言 1
1.1研究緣起 1
1.2研究目的 3
1.3研究架構與流程 4
第二章文獻回顧 6
2.1環境監測網及其資料收集系統 6
2.1.1環保署空氣品質監測站資料收集系統 6
2.1.2美國EMPACT計畫 8
2.1.3資料收集系統比較 9
2.2工業控制網路與工業環境監測系統 13
2.3資料收集系統的種類與演變 16
2.4資料通訊與網路通訊 19
2.4.1資料通訊定義及構成 19
2.4.2資料傳送方式 19
2.4.3網路與數據通訊 20
2.4.4網際網路與TCP/IP協定 21
2.5小結 25
第三章系統設計 26
3.1系統功能及架構設計 26
3.1.1系統設計理念 26
3.1.2系統架構規劃 27
3.1.3系統功能規劃 30
3.2應用層資料交換協定設計 32
3.2.1設計概念 32
3.2.2資料交換協定格式設計 34
3.2.3資料交換程序及其事件 35
第四章系統開發與實作 39
4.1介面規劃與選擇 39
4.1.1訊號擷取介面選擇 39
4.1.2資料交換介面規劃 41
4.2硬體單元材料選擇及原型機製作 43
4.2.1自動控制單元 43
4.2.2網路單元 48
4.2.3顯示器單元 50
4.2.4類比數位轉換單元 53
4.2.5即時時鐘單元 53
4.2.6記憶體單元 55
4.2.7原型機製作組裝 56
4.3軟體設計 60
4.3.1系統控制程式 60
4.3.2常駐資料封包轉換程式 65
4.3.3使用者操作介面 69
4.4系統安裝及操作流程 73
第五章系統性能測試及結果討論 75
5.1實驗室功能測試 75
5.1.1測試系統說明 75
5.1.2實驗室測試方法與結果 77
5.2現場實測 83
5.2.1系統架設情形說明 83
5.2.2現場實測結果 87
5.2.3綜合討論 92
第六章結論與建議 94
6.1結論 94
6.2建議 96
參考文獻 98

參考文獻

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指導教授

王鵬堯(Peng-Yau Wang)

審核日期

2003-6-24

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