毕业论文-液压生物反应器多参数系统软件设计

HUNANUNIVERSITY毕业设计设计论文题目：液压生物反应器多参数系统软件设计学生姓名：学生学号：专业班级：测控技术与仪器1101班学院名称：电气与信息工程学院指导老师：学院院长：2015年 月日第页绪论1.1课题背景和研究意义生物反应器，是一种用来提供生物活性变化的环境的工程设备，生物反应器进行的反应涉及到生物或生物中某种活性物质由特定情况产生等情况的化学反应，这些化学反应有可能是在有氧或者无氧的情况下进行的。生物反应器利用如微生物等生物体或者酶等所具有的生物特性和功能来进行生化反应，生物反应器在生活中应用广泛，在医药生产、果汁发酵、酒类发酵、有机污染降解等方面作为发酵罐、固定化酶反应器被使用。生物反应器，就是一种生物功能的模拟器。组织工程就目前在医学研究中是最受关注的领域之一，是细胞生物学、材料学、人体医学、分子生物学、设计工程等许多学科的交叉领域。在组织工程的基础上，实现干细胞体外扩增技术，设计和制造人体组织甚至制造整个器官，解决组织、器官确实或功能障碍或丧失等问题在现在成为可实现目标。未来组织工程产业将成为21世纪世界经济的一个重要的支柱产业，组织工程产业也将面向患者来提供组织工程修复材料，其市场规模巨大、社会效益显著。生物反应器的研究方向已被列入国家科技部863项目生物医学领域“十二五”、“十三五”发展计划，这在多方面有极大的促进作用，如促进组织工程基础研究成果转化，构建智能化、自动化的产品，引进多传感器数据融合技术，构建无线传感器网络，使传统组织工程生物反应器的实验环境由人工变成全天候无菌智能化远程监测和控制。1.2生物反应器测测系统研究现状与进展目前对于生物反应器的检测主要包括三个部分的参数，分别是生物反应器进行工程中的物理条件（如压力、温度、湿度等）、化学条件（如pH值、含氧量等）、生化参数（葡萄糖值、生物体营养和代谢产物浓度等）。在生物反应器的测控系统领域，国外的研究要比国内起步早一些，国内一些技术仍不成熟。国内一些产业已经研制出具有转速、pH值、溶解氧、罐压、空气流量、温度等多项参数的自动监控、记录显示等功能的组织工程生物反应器。国内在物理参数、化学参数方面已经达到或者接近国际先进水平，但是在生化参数方面的测控仍然处于比较落后的情况。国内的一些啤酒生产或大型制药企业的监控设备都是由国外进口。目前国内有许多企业在组织工程的生物反应器领域上有很快的发展，但是其技术仍然处于相比较下的中端或者低端水平，有许多仍然是防早一些国外的产品，然而高端市场还是被国外的较大公司垄断，主要有美国NBS、德国B.Braun、瑞士BioEngineering、日本丸菱等等。国际大公司如瑞士（BIO）生物工程公司，产品已经具有温度、pH值、压力等多参数测控的功能。又如美国NBS公司的台式和中式发酵罐就采用微处理机来控制，可以控制压力、温度、pH值、溶解氧、消泡、液位、空气流量等13个数据。生物反应器的尾气组成成分的监控方面的技术在国外已经比较成熟了，比如：瑞士比欧公司的生物反应器系统可检测尾气成分。国内华南理工大学研究的生物反应器能够进行尾气分析；上海国强生化工程装备有限公司的FUS--D系列发酵罐配有气体分析仪，可以检测尾气中的二氧化碳和氧；航天部502所康拓总公司研制的FK—l型发酵过程控制系统带有尾气C02和02的净化处理装置。生物反应器的检测系统的主要目的就是对生物反应器的物理、化学、生化参数进行检测，进而使其达到预期的水平。从近几年所有的生物反应器检测产品来看，生物反应器的检测系统设计最关键的技术就是生物过程的检测技术以及整体监测系统的集成。1.3生物反应器系统的测量目的及意义生物反应器作为生物反应过程中的关键设备，它的操作方式、结构和操作条件和生物技术产品的转化率、质量和能耗有着很紧密的关系。在微生物发酵及组织工程的生物反应过程中，为了使生产更加高产和稳定、减少原材料的消耗、节省劳动力和能量、防止事故发生、实现安全生产，所以我们需要对生物反应器系统进行检测和控制。生物反应器的检测和控制是指利用各种传感器及其它检测手段对反应器系统中的各种参量进行测量和控制。之一的生物过程的基本特征是进程属于开放系统，也就是说，从外部环境中的材料的摄取到细胞生物连续的，经过一系列的获得生化反应所需的能量的生存生活物资，以及代谢物排泄。生化过程的另一特征是多样性和检测参数的全面性..测量为我们观察生化过程仅窗口中，如果观察到的失真，将发生数据错误，并且也知道出现了错误。通过各种生化参数的检测，我们可以理解的生化过程，进行的生产过程中的定性和定量的描述，并以控制的过程。与此同时，通过对生化过程进一步分析检测环境变量，反映生活的变化在细胞水平上的信息。在发酵过程中监测的主要目的是：（1）了解变化过程变量预期目标值是否和相等;（2）决定种子罐转移发酵罐和发酵时间;（3）测量变量可以间接估算;（4）根据上述手动或自动控制的设定值的过程变量;（5）通过的模型实现计算机控制的处理;（6），收集知识发酵过程中的数据。1.4液压生物反应器多参数系统软件设计的主要内容本课题将虚拟仪器技术、传感器技术、计算机技术等相结合，设计对生物反应器系统多参数的软件设计。本课题设计的虚拟仪器可以检测生物反应器系统的温度、pH值、含氧量、压力、葡萄糖值和湿度六个参数。该虚拟仪器对一般生物反应过程都可以进行上述参数的检测。本文主要包括以下内容：第一章首先大体介绍了一下生物反应器以及本文的用于组织工程的液压生物反应器的研究目的和目前的研究现状，生物反应器的测量目的以及意义。最后介绍了液压生物反应器多参数系统软件的设计的主要内容。第二章主要介绍了液压生物反应器多参数在线监测系统的构成和工作原理。简述了系统设计的需求，以及系统总体方案的设计，这段主要介绍了系统的三个模块的主要功能并介绍了系统的程序框图。第三章介绍了液压生物反应器多参数在线监测系统的通信单元的设计，这段的主体便是介绍美国国际仪器公司无线传感网络，并介绍了无线传感网络的工作原理和结构等，并简述了WSN的测量节点，网关和软件的选择和介绍，最后叙述了WSN的网关和测量节点的网络设置。第四章是本文的主要组成部分，叙述了液压生物反应器多参数在线监测系统的软件设计，首先介绍了软件开发平台，即虚拟仪器的介绍以及LabVIEW的介绍，之后通过程序的每个部分单独介绍程序的登录界面，主界面，信号采集功能，信号处理功能以及报警功能。液压生物反应器检测系统的总体设计整个生物反应器是一种复杂的过程，使生物反应过程里的代谢产物更多，生物反应更具有方向性，我们才能将生物反应更好的应用于更多领域。本章主要提出液压生物反应器的检测系统的设计方案。2.1系统设计需求分析组织工程生物反应器，根据各种物种的结构，生物反应过程具有细胞，微生物，动物和植物细胞，藻类，等等。不同的生物过程有科学仪器的不同要求。因此，生物反应器中的测量和控制系统的设计中需要更加灵活，以适用于不同的生物过程分析的需要。随着生物技术的深入研究，需要生物过程变得更加复杂，从静态的研究扩展到动态的研究，从细胞外的因素研究到细胞内的因素研究，统一了生命体和环境条件。在研究中，通过不断地实验和研究从生物过程检测中得到大量的数据并产生相应的信息处理能力。所以，常规的参数检测控制在对生物反应器的检测系统中已经不足以满足所有的需求，同时还需要更多参数的监测。在研究中提高检测手段，提高监测手段、精度也是为生物反应器所监测到的信息的处理做铺垫，同时也是改善测控系统的控制准度的基础。生物反应过程中所产生的产物和生物本身的特征相关，在适当的环境下才能把生物产生代谢的能力表现出来。本文的研究方向就是主要针对液压生物反应器的生物反应过程的外部环境来进行监测，要监测的生物反应的主要数据有温度、湿度、葡萄糖含量、含氧量、压力以及pH值。本程序主要单独监测每个数值，实现对单个数值的显示，监测，报警系统。本程序主要通过有线和无线模式来实现对数据的监测，有线模式主要使用NIELVISII仪器来采集信号并处理数据并将数据传输到电脑检测平台来实现数据的显示和监测，无线模式主要使用NIWSN即无线传感器来传递数据并在电脑检测平台显示。组织工程生物反应器主要分为开放式生物反应器和封闭式生物反应器，开放式生物反应器比较多的用于户外或者大规模的生产，而且还具有不小的不确定因素，所以本文采用的是封闭式用于组织工程的可控液压生物反应器，本液压生物反应器的外观如图2.1所示，图2.1.1为液压生物反应器的结构示意图，图中每个部分编号部分内容分别为：1-罐体；2-顶盖；3-螺栓；4-管路；5-安全阀；6-管路；7-泄压阀；8-管路；9-液压瓶；10-出液管；11-控制阀；12-储液瓶；13-压力表；14-管路；15-多孔搁板；16-柔性隔膜；17-培养腔；18-加压腔；19-进液管；20-进液阀；21-蠕动泵。本用于组织工程的可控液压生物反应器是由湖南大学研发的新型专利。图2.1用于组织工程的液压生物反应器外观图2.1.1用于组织工程的可控液压生物反应器结构示意图2.2系统总体方案设计本系统主要为液压生物反应器的在线监测系统，所以程序以监测功能分为三个模块，最重要的模块既是无线传感器WSN监测模块，通过NIWSN仪器进行连接。其次是实验演示模块和通过NIELVISII的实验模式。2.2.1系统三模块主要功能（1）实验演示模式：实验演示模式主要是一个系统所有功能的主体演示，因为一般数据波动不会太大，所以实验模式是为了演示每中情况所产生的情况，演示模式所使用的数据为仿真的实验数据，并不是实际的通过液压生物反应器所获得的实验数据，只是为了能够演示到一个大致情况，主要功能既是能演示到报警模块，因为一般情况下数据波动较小，也比较少出现突破数据上限或者低于数据下限的情况，所以本模块既是通过仿真数据的一个较全方面的程序展示。（2）NIELVISII实验模式：NIELVISII是NI教学实验室虚拟仪器套件，是一种专门为院校开发的模块化的工程教学实验室平台。NIELVISII在生物科学、物理科学和工程实验室都能得到应用。整套仪器是可以提供试验中所需要的全部的测试、测量和数据采集的功能。在本程序中这套仪器作为调试工具来进行在无线传感器出现数据误差时的数据调试，同时NIELVIS也可以进行数据的测量和监测。这种模式属于连线方式，在生物反应器的无菌房里工作仍然具有一定的局限性，所以仅作为调试模式和当培养液取出后的数据采集。（3）NI无线传感器网络WSN连接模式：这部分是整个监测程序的核心，通过NIWSN平台，我们可以通过使用可靠电池供电的测量节点来检测液压生物反应器的环境情况。当选择无线模式的时候，系统会开启远程的监测功能，电脑与NIWSN-9791无线网关连接，通过NIMAX来配置和连接到无菌室中与液压生物反应器相连接的测量节点NIWSN-3231，获得实时的监测数据。用户在无菌室外就可以获得实时数据并对生物反应器进行进一步的控制。目前湖南大学研发的液压生物反应器在市场上并没有出现相同的作用于组织工程的生物反应器，同样也没有相同的生物反应器监测系统，此程序使传统组织工程的生物反应器的无菌室内人工操作变成了无菌室外的智能远程监测。2.2.2系统程序的主要参数技术指标根据系统的要求，要实现液压生物反应器的测量系统对培养皿中的生物各参数的有效监测，需要规定每个参数的测量范围，突破范围则报警提醒更换培养液。表2.1即为技术指标。监测参数检测范围监测精度葡萄糖值0~4000mg/L±1mgPH值2~12±0.01pH含氧量0~150%±1%湿度0~100%RH±2%RH压力0.5~25MPa±0.05Mpa温度0~150℃±0.1℃表2.1监测系统各项参数指标2.3系统程序框图用于组织工程的液压生物反应器多参数监测系统主要由监测单元、监测系统的硬件部分和监测系统的软件这三个部分组成。监测对象是液压生物反应器的内部组织培养液的内部环境。系统的硬件部分主要包括传感器、信号调理模块、数据采集模块和无线传输模块。系统硬件部分的传感器是湖南大学电气院自制的针状三电极取样传感器，由其组成多传感器组，监测动态组织培养液液多点处的葡萄糖、氧气浓度、pH值及内部环境的温度、湿度和压力等参数；电化学反应产生的信号变化微弱，取样传感器传输出的电流值约为1~100nA，信号调理模块主要完成微电流检测、放大量程档位切换、信号滤波等工作，把模拟信号调理到满足采集模块输入要求的量程范围内；数据采集模块完成对输入信号的采集和缓存，采集到的数据通过无线传感器网络或系统总线发送至计算机；基于PC机虚拟仪器软件平台完成无线传感网络采集各项数据的中值滤波和样本平均、新型D-S理论和专家系统相结合的混合算法，实现反应器内葡萄糖、氧气浓度、pH值及反应器环境内的参数等在线检测与准确决策，以及数据存储、生成报告等其他功能；基于构建算法得到的决策判别结果，通过控制执行器模块调节培养液阀门，实现培养液的自动更换。图2.2用于组织工程的可控液压生物反应器多参数监测系统软件框图液压生物反应器测量系统硬件设计3.1WSN简述WSN是WirelessSensorNetwork的简称，中文为无线传感网络。无线传感网络是由很多的低功耗的传感器节点通过自组织的方式形成的一种网络系统。这项技术比较广的应用于交通、环境检测、运输、工业检测以及国防检测等科学领域，也是现在科研和社会上很受关注的多种学科的交叉项目，同时也是前沿科技的研究方向。美国国家仪器公司（NationalInstrument，简称NI）在WSN技术和产品这方面领域占有领导地位，NI公司的传感器相较其他公司的传感器有着更高的性价比，更简单的操作方式，更可靠的准备方式，以及更低的功耗，NI公司的无线传感器有着非常广阔的前景。将NI公司的无线传感器网络用在液压生物反应器的监测系统上，可以让生物反应器的监测工作更加简易方便，也能够实现远程的监测。NIWSN架构主要有三部分构成，分别是测量节点、网关和软件。本程序中所使用到的测量节点为NIWSN-3231，网关为NIWSN-9791，软件为LabVIEW2013。测量节点在空间分布和传感器相连接，用来监测系统的状态和运行的环境，测量节点收集到的数据通过无线来传输到网关。WSN-9791网关可以独立运行，也可以连接到电脑，即集成采集、分析处理和显示的软件平台。3.2无线传感网络的选用原因无线传感器网络是由大量的监视区域廉价微型传感器节点，通过多跳自组织网络系统中的无线通信模式下形成的部署，其目的是协作感知，采集和网络覆盖区域的处理由感知对象信息，并将其发送到观察。传感器，感知对象和观察者构成的无线传感器网络的三个要素。无线传感网络有如下特点：1：自组织能力：在传感器网络应用中，通常是传感器节点的情况下被放置在不存在的基础设施，该传感器节点的位置不能精确地预置，预节点之间的邻居关系也不知道，如由播种飞机的大传感器节点在广袤的原始森林面积的数量，或者随意摆放到难以接近的人或危险区域。需要与自组织，自动配置和管理的能力，通过自动生成的转发数据监控系统的多跳无线网络的拓扑控制机构和网络协议的传感器节点。在使用传感器网络的过程中，由于能量消耗或环境因素的传感器节点的一部分向故障，一些节点，以弥补故障节点，提高监测补充的精度到网络，这样的传感器网络和节点进行动态增加或减少的数量，从而使网络的随动变化的拓扑。传感器网络的自组织能适应网络拓扑结构的动态变化。2：动态特性：传感器的拓扑结构在一定情况下会受以下原因影响：1：环境条件发生变化有可能造成无线通信的链接通路带宽发生变化，甚至会产生断开；2:电能有可能好久3：可靠度：WSN是特别适合部署到达在恶劣环境或人体不应该面积，节点可能工作在露天，从太阳，风，雨遭遇，甚至由一个人或动物的破坏。传感器节点通常部署在一个随机的，如由平面或广播用于炮弹的部署指定区域。这些都要求传感器节点非常坚固，不易损坏，适应各种恶劣环境条件。因为该区域环境和传感器节点的数量庞大的监测的限制，该网络的维护是很困难的，甚至是不可能采取每个传感器节点。该传感器网络的通信的保密性和安全性的关心也很重要的，这样的监测数据可以防止，并且可以获取的虚假监视信息。因此，传感器网络的硬件和软件必须是健壮和容错。4：自组织性：在传感器网络应用中，通常是传感器节点的情况下被放置在不存在的基础设施，该传感器节点的位置不能精确地预置，预节点之间的邻居关系也不知道，如由播种飞机的大传感器节点在广袤的原始森林面积的数量，或者随意摆放到难以接近的人或危险区域。需要与自组织，自动配置和管理的能力，通过自动生成的转发数据监控系统的多跳无线网络的拓扑控制机构和网络协议的传感器节点。在使用传感器网络的过程中，由于能量消耗或环境因素的传感器节点的一部分向故障，一些节点，以弥补故障节点，提高监测补充的精度到网络，这样的传感器网络和节点进行动态增加或减少的数量，从而使网络的随动变化的拓扑。传感器网络的自组织能适应网络拓扑结构的动态变化。5：中心部分是数据：因特网是第一计算机终端系统中，然后上网成为网络，终端系统可独立于网络的存在。在互联网上，网络的唯一的IP地址标识，资源位置和信息传递依赖于终端，路由器，服务器等的IP地址。如果您要访问的资源，在互联网上，你应该先知道的存储资源的服务器的IP地址。可以说，在现有的因特网是一个地址中心的网络。传感器网络是基于任务的网络，它没有意义的传感器节点..传感器网络中的节点采用节点ID和节点号码是唯一一个取决于网络的通信协议的设计。由于到随机部署传感器节点，传感器网络和节点号之间的关系是完全动态的，并且它不一定与节点号和节点位置。当用户使用传感器网络查询事件，该事件被直接通知给的网络，而不是一个节点，用于确定一个数字。给用户的网络报告从指定的事件。这想法更接近自然语言交换数据本身获取的信息之后是一个查询或发送线索。因此它通常是说，传感器网络是一个数据中心的网络。例如，在目标应用程序跟踪在无线传感器网络中，目标跟踪中可能出现的任何地方，用户感兴趣的目标意义只关心出现的目标的位置和时间，不关心哪个节点监测到目标。事实上，在目标移动的过程中，不可避免地由不同的节点所提供的目标的位置信息。6：基层化：传感器节点的功耗低，体积小，价格便宜，并且集成实现。其中，微机电系统（MEMS）的无线传感器网络节点的快速发展实现的功能，以提供相应的技术条件下，在未来，类似灰尘传感器节点将也已经研制成功。3.2.1WSN测量节点、网关、软件选择及介绍网关：NIWSN-9791以太网关协调着NI无线传感器网络(WSN)中分布式测量节点与主控制器的通信。网关中，基于ZigBee技术的2.4GHz、IEEE802.15.4无线能够收集源自传感器网络的测量数据，1个10/100Mbits/s以太网端口可灵活连接Windows或LabVIEW实时OS主控制器。纳入WSN-9791的NI-WSN软件，可帮助用户快速配置传感器网络，并结合NILabVIEW图形化开发环境提取、分析并显示测量数据。坚固的9VDC到30VDC外部供电网关（不包含电源），配有-30°C至70°C操作温度、50g冲击和5g振动评级、轻巧的2U组成结构。外部天线支持最远300米户外视距，并能借由星形拓扑支持多达8个终端节点或借由网状拓扑支持多达36个节点。WSN的监测系统中，网关用于协调信号，主要作用为对节点的授权和信息的缓存。节点收集到的监测数据会通过网关发送到网络，在网络中可以使用NI的软件，即LabVIEW来手机处理并分析显示数据。本程序所使用的NIWSN-9791以太网网关是一种Ethernet网关，这种网关和可独立运行LabVIEWReal-Time的9792型号不同，9791在整个架构中是作为中间设备而存在的，所以必须要连接一台主机。图3.1NIWSN-9791网关实际图片测量节点：NIWSN-3231串口节点通过一个RS485端口和串口传感器、仪器和控制板卡配合使用。通过LabVIEWWSN模块和LabVIEW串口兼容API，可部署图形化代码将命令、查询和解析算法嵌入至节点，在节点和串口设备之间创建局部的自理通信循环。LabVIEW串口兼容API帮助用户配置波特率、停止位、奇偶校验位和流程控制。通过该API，可初始化串口通道、发送命令至串口设备，然后读取和解析返回的数据。所有操作都在本地完成，不需要额外的通信，亦不产生延迟。本地处理完毕后，数据以无线方式传送至WSN网关/主机。部署LabVIEWWSN代码后，可进行本地数据分析、响应数值改动或网络状态改动，并控制两条数字I/O线。数字I/O线具有工业标准的电平范围，可配置为输入、源极输出和漏极输出。WSN-3231还具有传感器电流输出通道，可输出50mA，12V，作为外部设备或传感器的电源。使用4节AA碱性电池或锂电池为测量节点供电，或者使用5-30V外部电源为节点供电（电源不包括在产品中）。另外，设备支持备用电池。如发生断电故障，设备自动切换至电池供电模式。使用2.4GHz射频传输数据至WSN网关，通过以太网连接系统中的其他设备。NI-WSN软件可通过MAX配置网络设置，也可与LabVIEW实现数据交互。可将WSN-3231配置为网格路由器，增加网络距离并连接更多节点至WSN系统。可连接8个终端节点（星形）或36个测量节点（网形）至一个WSN网关，户外视线传播达300米。该设备还具有良好的工业温度和抗冲击特性。图3.2NIWSN-3231测量节点实际图软件：软件选用虚拟仪器开发平台LabVIEW，在编辑监测程序的时候编程员不止要对嵌入式的系统有一定的了解，还要了解供应商给我们的特定的文本的编程语言。在这个程序的编程中，使用到的是labviewWSNPioneer，使编程变得相对的简单很多，在编程中只要用到同一种的图形化的编程方式就可以添加NI的无线传感器节点，而且这种方法已经成为了参数采集和监测的一个行业标准。LabVIEWWSNPioneer还可以很灵活的将MATLAB或者C语言等编程语言通过DLL方式直接与图形化的代码相连接，再节点的运行中，也可以能够实现算法的重用。LabVIEWWSN的编程模块可以用在部署并创建嵌入式程序到NIWSN的测量节点。使用LabVIEW的图形化的编程方法，就不再需要嵌入式的编程的相关知识。NIWSN模块的用途广泛，其中包括能够优化节点的采样和传输，还能够有效地延长电池的使用时间，还能预处理一些数据，尤其是在这些数据传输到网关之前。WSN模块可以在节点上进行阈值的数据分析，对于输入输出数据能够做出相应的响应。其能够通过编程对采集到的数据进行响应，其中就会包括传输的速率并进行相应调整，还能够通过开关设备触发数字线、能够从网关发送接收消息，监测响应网络状态的改变。关于LabVIEW在本程序的编程方法将在下一张重点阐述。3.4无线传感器WSN网络设置NI无线传感器网络(WSN)平台结合可靠的低功率产品和无缝LabVIEW集成，可提供完整的分布式监控解决方案。在本监测程序中，我们能通过NIMeasurement&AutomationExplorer(MAX)配置工具自行设置NIWSN，并借助NILabVIEW和NI-WSN软件提取高质量测量数据。每个测量节点提供4路模拟输入通道和4路数字通道，可帮助我们将各路通道按需配置为输入、漏极输出或源级输出。具有3个采样点/分钟速率的节点借助4节AA碱性电池可持续运行3年，而更高功率能耗可提供更高的数据速率。测量节点和以太网关提供-40°C至70°C温度范围以及工业冲击与振动评级；其通信借助基于ZigBee的2.4GHz无线，后者可达1000米户外视距。配有9V到30V壁挂式电源的以太网关，可灵活连接Windows或实时操作系统控制器。NIWSN设备使用的网络协议是基于IEEE802.15.4和ZigBee技术。IEEE802.15.4通信标准界定着组网模型中的物理和媒体存取控制层，并实现着3个频段（包括：2.4GHzISM频段）的通信。ZigBee依照配有网络和应用层的802.15.4标准创建而成，可提供多项功能，如：设备协调、通过网状网络拓扑确保可靠性、创建指定文件以实现协议的定制与灵活性。NIWSN协议创建在其中的一个ZigBeeProfile上，可选择并帮助ZigBee设备加入WSN网络，同时确保与其它ZigBee和2.4GHz频率网络的兼容。NI-WSN软件随附于NIWSN硬件，可帮助我们轻松配置NIMeasurement&AutomationExplorer(MAX)工具中的网络。MAX的直观用户界面，可添加或删除测量节点并进行无线设置。我们可在设置NIWSN时，将WSN-9791以太网关添加至MAX中“远程系统”的下方，并输入结点序列号将测量节点分配至网关。一经加电或重置，节点便自动重新连接至指定的网关。若节点无法连接，便会执行1组等待序列(back-off)达55分钟之久。若网关处于离线状态，该方法可蓄存电池能源。NIMAX功能强大，可以查看WSN中的所有测量节点，还有节点的最近一次通信的时间、电池状态、链路质量等等。另外，NIMAX提供的界面能够设置ZigBee通道的通信、配置网关IP地址、无线式更新测量节点上的固件、通过配置令节点运作与终端设备或网状路由器(meshrouter)相同。液压生物反应器软件设计4.1软件开发平台4.1.1虚拟仪器介绍虚拟仪器是现在计算机的软硬件结合物，尤其在测量技术方面结合非常好，它同时也是传统一起观念的一次巨大改革，同时也是一起发展的重要方向。所谓虚拟仪器是计算机为核心的硬件平台，该函数被定义，并设计成通过用户与虚拟面板，测试功能是由计算机仪器系统的软件测试来实现。虚拟仪器的实质是利用计算机显示器的显示功能来模拟传统仪器的控制面板，在各种测试结果的表达形式输出：利用计算机强大的软件功能实现信号数据的运算，分析和处理;通过I/O接口设备采集，测量和调节信号，从而完成一个计算机仪器系统的测试功能。用户使用鼠标或键盘进行操作的虚拟面板，由于是与使用一种特殊的测量仪器。因此，虚拟仪器的出现，使仪器与电脑之间的界限变得模糊。4.1.2软件开发平台介绍由于软件的关键是虚拟仪器技术，它是必不可少的设计师选择了虚拟仪器软件开发平台。该虚拟仪器具有很多的软件开发平台，开发平台的一部分（如VisualC，VisualBasic中，德尔福等）的制备过程中使用文本编程语言需要很多技巧，而且难以调试，调试是不容易的。为了简化程序，缩短编程时间，业界提出了图形化编程语言，即G语言（GraphicLanguange）。目前，图形软件开发平台的开发平台具有的LabVIEW，LabWindows/CVI和VEE4概念I-IP公司NI公司的VEE4.0开发平台。LabVIEW是图形化的软件开发平台的代表，这也是该研究论文的虚拟仪器开发平台。4.2生物反应器系统参数虚拟测试仪软件系统结构液压生物反应器多参数在线监测系统软件部分的设计分为三个测试和监测模块。以下将通过程序的每个部分的功能进行讲解。4.2.1系统登录系统图4.2.1液压生物反应器多参数在线监测系统用户登录界面图4.2.1为本程序的登录界面，输入用户名称和用户密码进入系统主功能界面。在输入用户名后可以点击更改密码按钮即可进行密码更改，新建用户按钮等于注册，即可注册新的用户，当用户名称输入完毕后，用户密码输入完毕后如果正确即可点击编辑用户按钮，就可以编辑用户，这个功能在程序主界面也可以进行相同操作。输入用户名后如果用户名相应权限为管理员则管理员灯亮。图4.2.2液压生物反应器多参数在线监测系统用户登录程序判断部分图中最左边为读取用户信息子VI，从子VI中输出的是存在文本文档里的用户信息，读取时为二维数组显示用户的信息。搜索用户名子VI中用来检索输入的用户所在的位置，并将用户所在行数输出。其中的三个小的判断语句是用来打开编辑用户界面、新建用户界面或者更改密码界面的。在前部中间的判断语句在判断用户是否为管理员并且密码正确后才能启用编辑用户按钮。右边的判断语句多重判断后均无误则可以登陆系统。第一重为登陆按键是否按下，第二重判断是非存在这个用户，第三重用来判断用户是否被管理员锁定，最后一重判断密码是否正确。在所有判断语句都通过之后则可以进行之后的动作。图2.2.3液压生物反应器多参数在线监测系统用户登录程序执行部分在登录系统的执行部分首先的一个功能就是打开这次液压生物反应器多参数检测系统的主界面并关闭当前页面，第二个功能就是计数，增加一次当前用户登陆的次数。登陆界面可以把登陆的次数记录在用户信息里。4.3生物反应器系统参数虚拟测试仪主面板及框图程序的设计图4.3.1液压生物反应器多参数在线监测系统用户主界面登录后，进入主功能界面，如图4.3.1所示。主功能界面包括葡萄糖值测量、PH值测量、含氧量测量、湿度测量、温度测量、压力测量、管理员功能七个模块按钮。主功能界面的程序使用了生产者消费者的架构并主要运用子面板技术来显示每个数值的显示界面。图4.3.2液压生物反应器多参数在线监测系统用户主界面程序图LabVIEW中自带的众多程序架构中，出现最多的除了状态机架构以外，还有生产者/消费者架构。LabVIEW在创建新VI时可以选择框架，在选择中就有生产者/消费者设计模式的事件和数据两种模板，本程序中选用的是事件模式，这种模式以事件驱动方式，生成队列的项。生产者/消费者的上半部分即是时间结构辨别，将信号通过队列传递到下半部分。该架构的下半部分就是状态机，每种不同信号会打开不同的判断语句，如图中就是将用户编辑面板的VI在子面板上显示。4.4数据采集模块的设计图4.4.1液压生物反应器多参数在线监测系统用压力测量主界面液压生物反应器多参数在线监测系统的数据采集模块以压力强度测量为例子讲解，在图4.4.1中，此时已经选择了压力按钮让子面板显示压力强度的测量面板。在这个模板中，有三种模式可以选择，第一种为演示模式，第二种为WSN连接模式，这种模式也是本程序的主要测量方式。第三种是使用NIELVISII的实验采集调试模式。图4.4.2压力强度开始监测时的界面图中可以看出检测的功能包括波形图的上下限，分别为红线和蓝线，真正监测数据为绿色线条，同时可以显示测试数据的实时数据，数据采集可以开始与暂停，当开启报警的时候会开始检查实时数据会不会突破上限或者低于下限，当突破时会显示当时的时间，即报警时间，且只显示第一次报警的时间，因为在生物反应器的某种数据不达标是则意味着需要更换培养液，所以报警时间只显示第一次。同时，监测结束后可以打印报表，在Word文档或者Excel表格中显示监测到的数据。当选择无线模式实时监测功能时，系统开启远程监控功能，PC与NIWSN-9791无线网关相连，通过NIMAX配置连接至于无菌室内与反应器相连的测量节点NIWSN-3231，获取实时监测数据。用户在无菌室外即可获取实时数据并对反应器进行工作参数的控制，当前市场上尚未发现相同的组织工程生物反应器监测系统产品，使传统组织工程生物反应器的实验环境由人工变成全天候无菌智能化远程监测和控制，据此将现有组织工程生物反应器推向工业化进程。图4.4.3压力强度监测的程序内容测试的程序主要框架是状态机架构，我的这段程序是选择三种不同的测量方式，所以我的架构是一个大的状态机结构包着三个小的状态机结构，在最大的状态机架构里，前面板为选择面板，通过选择三种不同的方式，可以进入三个不同的界面，所以这个状态机里要通过事件结构判断不同的按键按下并转换到不同的页面。在状态机里包着三个小的状态机，其主要作用就是三个监测显示界面的控制，在子状态机里通过事件结构判断来进行不同的工作，如上图4.4.2所示，在点击开始按钮之后则会进行数据的采集页面，并进入while循环，不停采集信号，知道点击暂停按钮暂停采集。点击打印报表就能在报表子VI中进行并保存数据到Word。图4.4.4为一个报表的生成子VI，在这个子VI中可以显示液压生物反应器监测图表的标题并显示当前的日期和打印时间，最主要的是将生成的波形图打印在word文档中，实现打印报表的功能。图4.4.4液压生物反应器监测图表报表打印子VI程序演示模式选择的是使用一个事先准备好的仿真数据来在波形图上显示，原理非常简单，即使用一个0-1的随机数并予以相应数学计算来产生一个在某个值附件浮动的数值。而NIELVISII调试模式则是使用DAQ模块来采集从NIELVISII仪器收集到的数据。如图4.4.5则是程序的一部分截图，通过设置采集参数来采集ELVIS传输过来的数据，下图是DAQ的一部分，首先使用DAQmx创建虚拟通道VI来创建单个或多个虚拟通道，并将其添加至任务。该多态VI的实例分别对应于通道的I/O类型（例如，模拟输入、数字输出或计数器输出）、测量或生成操作或者在某些情况下使用的传感器（例如，用于温度测量的热电偶或RTD）。之后用DAQmx定时VI配置要获取或生成的采样数，并创建所需的缓冲区。该多态VI的实例分别对应于任务使用的定时类型。之后使用DAQmx开始任务VI来使任务处于运行状态，开始测量或生成。该VI适用于某些应用程序。如未使用该VI，DAQmx读取VI运行时测量任务将自动开始。DAQmx写入VI的自动开始输入用于确定揇AQmx写入VI运行时，生成任务是否自动开始。如在循环中多次使用揇A