مقدمه

ثبت اطلاعات یكی از موارد معمول در كاربردهای اندازه گیری می باشد. در ساده ترین حالت، ثبت اطلاعات شامل اندازه گیری و ثبت پارامترهای فیزیكی و یا الكتریكی برروی یك بازه زمانی مشخص می باشد. این اطلاعات می تواند شامل پارامترهای مختلفی مانند دما، نیرو، كشش، جابجایی، فلو، فشار، ولتاژ، جریان، مقاومت و غیره باشد. كاربردهای ثبت اطلاعات در دنیای واقعی به طور معمول به حالت های آنالیز Online، آنالیز Offline، نمایش دادن، تولید گزارش و به اشتراك گذاری اطلاعات تقسیم بندی می شود. 
ثبت اطلاعات در حوزه وسیعی از رشته ها و كاربردهای مختلف مورد استفاده قرار می گیرد. به عنوان مثال شیمی دان ها اطلاعاتی مانند دما، PH، فشار و غیره را در هنگام انجام آزمایش های مختلف در آزمایشگاه، ثبت می كنند. مهندسان عمران، كشش، فشار و بار را برروی پل ها در طول زمان مورد ذخیره سازی و تحلیل قرار می دهند. زمین شناسان اطلاعاتی را در مورد مخازن زیرزمینی نفت و گاز ثبت می كنند. 
همان طور كه مشاهده می شود كاربردهای جمع آوری و ثبت اطلاعات بسیار گسترده می باشد. اما تمام این سیستم ها دارای اجزای مشابهی می باشند كه در ادامه به بررسی آنها می پردازیم. 

تاریخچه

اولین روش ذخیره سازی اطلاعات شامل اندازه گیری دستی توسط ابزارهای آنالوگ مانند ترموترها و مانومترها و یادداشت كردن آنها بود و برای مشاهده كردن نحوه تغییر این اطلاعات، آنها را برروی گراف رسم می نمودند. در اواخر قرن نوزدهم این پروسه توسط ماشین ها و نوارهای كاغذی به صورت خودكار تبدیل شد. این دستگاهها از ابزارهای آنالوگی كه ورودی الكتریكی از سنسورها را به حركت مكانیكی یك بازو تبدیل می كند، استفاده می كردند. در این سیستم یك خودكار مخصوص به این بازو متصل شده و یك رول بزرگ كاغذ با یك سرعت ثابت در زیر این خودكار حركت كرده و اطلاعات برروی آن ثبت می شد. 
با پیشرفت كامپیوترهای شخصی در سال های 1970 تا 1980 مردم برای آنالیز كردن اطلاعات، ذخیره سازی اطلاعات و تولید گزارش از این كامپیوترها استفاده می نمودند. برای وارد نمودن اطلاعات به داخل كامپیوتر یك سری دستگاههای جدید برای ثبت اطلاعات به وجود آمد. این ثبت های اطلاعات به صورت مستقل سیگنال ها را اندازه گیری و به اطلاعات دیجیتال تبدیل نموده و به صورت داخلی ذخیره سازی می كردند. این اطلاعات باید برای آنالیز به كامپیوتر ارسال شده و به طور دائمی ذخیره و گزارش مورد نیاز تولید می گشت. 
در سال 1990 تحول بیشتری در ثبت اطلاعات به وجود آمد و به سیستم های ثبت داده مبتنی بر كامپیوتر بیشتر روی آورده شد. این سیستم ها تركیبی از قابلیت های دریافت و ذخیره سازی داده ثبات های اطلاعات، با قابلیت هایی مانند آرشیو گیری، آنالیز، گزارش دهی و نمایش اطلاعات كامپیوترهای معمولی می باشد. سیستم های ثبت اطلاعات مبتنی بر كامپیوتر به طور كامل و به صورت خودكار صورت می پذیرد. 

دلیل گسترش روزافزون استفاده از سیستم های ثبت اطلاعات كامپیوتری را می توان به صورت زیر خلاصه نمود:

•    بالا رفتن قابلیت اطمینان كامپیوترها
•    پایین آمدن قیمت سخت افزار
•    توسعه سخت افزارهای جمع آوری داده مبتنی بر كامپیوتر و قابلیت های آنها

توابع مورد نیاز برای ثبت اطلاعات

در هر كاربرد ثبت اطلاعات، از الگوهای قرن 15 گرفته تا روش های مدرن امروزی، می توان 5 قسمت اصلی كه در همه این روش ها مشترك می باشد را در نظر گرفت. این مساله در شكل شماره (1) نشان داده شده است. 

شكل 1- بخش های اصلی یك سیستم جمع آوری و ثبت اطلاعات

قسمت دریافت اطلاعات به طور واقعی پارامترهای فیزیكی را اندازه گیری نموده و آنها را به داخل سیستم ثبت اطلاعات وارد می نماید. قسمت آنالیز Online در حالی كه سیستم مشغول به دریافت اطلاعات می باشد،  برروی اطلاعات پردازش های مختلفی انجام می دهد. این پردازش ها شامل مواردی مانند آلارم ها، مقیاس بندی اطلاعات، كنترل و موارد دیگر می باشد. ثبت نمودن و یا مرتب سازی اطلاعات یكی از نیازمندیهای واضح برای هر سیستم جمع آوری داده می باشد. از آنالیزهای Offline نیز بعد از این كه اطلاعات ثبت شدند، برای استخراج اطلاعات مورد نیاز، استفاده می شود. آخرین قسمت نیز برای نمایش دادن، گزارش دهی و به اشتراك گذاری اطلاعات استفاده می شود. در ادامه به بررسی هر قسمت می پردازیم.

دریافت اطلاعات

قسمت مربوط به دریافت اطلاعات یكی از مهمترین قسمت ها برای هر سیستم ثبت اطلاعات می باشد. در سیستم های مبتنی بر كامپیوتر، دریافت اطلاعات با استفاده از سخت افزارهای اندازه گیری صورت می گیرد كه می تواند به قسمت هایی مانند سنسورها، Conditioner ها و مبدل های آنالوگ به دیجیتال همانند شكل شماره (2) تقسیم بندی شود. 

شكل 2- سیستم سخت افزاری دریافت اطلاعات

سنسورها

امروزه گستره وسیعی از سنسورها برای تبدیل نمودن پارامترهای فیزیكی به سیگنال های الكتریكی مورد استفاده قرار می گیرند. سنسورهایی مانند ترموكوپل ها، RTD ها، ترمیستورها، فلومترها، مبدل های فشار، نیرو، شتاب سنج ها، میكروفون ها و انواع بسیار مختلفی از سنسورها برای كاربردهای گوناگون مورد استفاده قرار می گیرند. 

آماده سازی سیگنال

آماده سازی سیگنال یكی از قسمت های مهم سیستم جمع آوری داده می باشد. بیشتر سیگنال ها نیاز دارند قبل از این كه دیجیتال شوند، اصلاحاتی برروی آنها صورت بگیرد. به عنوان مثال ترموكوپل ها سیگنال های ضعیفی تولید می كنند كه نیاز به تقویت، فیلتر كردن و خطی سازی دارد. 
به دلیل این كه اصلاح سیگنال دارای گستره وسیعی می باشد، در ادامه به طور مختصر به بررسی مهمترین روش های مطرح در این حوزه می پردازیم:

•تقویت دامنه: وقتی كه دامنه ولتاژ اندازه گیری شده بسیار پایین می باشد، برای بهینه سازی فرآیند دیجیتال كردن سیگنال باید دامنه آن تقویت شود. بیشترین نوع سنسورهایی كه از این روش استفاده می كنند ترموكوپل ها و Strain Gauge ها می باشند.  
•تضعیف دامنه: تضعیف دامنه در واقع بر عكس حالت قبل می باشد. وقتی كه سیگنال هایی كه می خواهند دیجیتال شوند دارای سطح بالاتری باشند باید دامنه آنها تضعیف شود. معمولا این مساله برای سیگنال های بالاتر از 10 ولت صورت می گیرد.
•ایزوله سازی: سیگنال هایی كه خارج از گستره دیجیتایزر می باشند می توانند ابزارهای اندازه گیری را خراب نموده و برای كاربر نیز مضر باشد. به همین دلیل، ایزوله سازی معمولا در ارتباط با تضعیف دامنه و یا محافظت در برابر ولتاژ های زیاد، مورد استفاده قرار می گیرد. 
•مولتی پلكس كردن: به طور معمول، دیجیتایزر یكی از گران ترین قسمت های سیستم جمع آوری داده می باشد. با استفاده از مولتی پلكس كردن می توان به طور خودكار چندین سیگنال را به یك دیجیتایزر متصل نمود.
•فیلتر كردن: فیلتر كردن برای حذف كردن اجزای فركانسی ناخواسته مورد استفاده قرار می گیرد. اندازه گیری سیگنال ترموكوپل به طور معمول نیاز به یك فیلتر پایین گذر برای حذف نمودن نویز توان از سیگنال ها دارد. اندازه گیری لرزش نیز به یك فیلتر پایین گذر با فركانس بالاتر برای حذف اجزای فركانس بالای بالاتر از حد سیستم دریافت اطلاعات، نیاز دارد. 
•تحریك: بسیاری از انواع سنسورها مانند RTD، Strain Gauge و شتاب سنج ها نیاز به تحریك دارند. سیگنال های تحریك می تواند ولتاژ یا جریان باشد كه بر اساس نوع سنسور تعیین می شوند. 
•خطی سازی: بعضی از انواع سنسورها سیگنالهای ولتاژی را تولید می كنند كه خطی نمی باشند. خطی سازی در واقع پروسه ای است كه سیگنال سنسور را به پارامتر واقعی نگاشت می دهد. ترموكوپل ها یك مثال كلاسیك می باشند كه نیاز به خطی سازی دارند. 

بیشتر سنسورها نیاز دارند كه از چند روش آماده سازی سیگنال استفاده نمایند. باز هم ترموكوپل ها یك مثال كلاسیك در این زمینه می باشند كه نیاز به استفاده از تقویت، خطی سازی و فیلتر كردن دارند. بنابراین یك سیستم ثبت اطلاعات مبتنی بر كامپیوتر باید این امكان را به كاربر بدهد كه بر اساس كاربردهای مختلف از روش های آماده سازی مختلفی استفاده نماید. 

تبدیل نمودن

بعد از این كه پارامترهای فیزیكی به سیگنال های الكتریكی تبدیل و به طور صحیح آماده شدند، سیگنال های آنالوگ باید به سیگنال های دیجیتال تبدیل شوند. تبدیل آنالوگ به دیجیتال می تواند برروی خود بوردهای DAQ قرار بگیرد و یا این كه به صورت یك بسته جداگانه و مستقل با یك سیستم ارتباطی مناسب با كامپیوتر در ارتباط باشد. 

نرم افزار

تركیب نمودن سنسورها، ارتباط با سنسورها، آماده سازی سیگنال ها و تبدیل آنالوگ به دیجیتال قسمت سخت افزاری سیستم جمع آوری داده را تشكیل می دهد. در یك سیستم جمع آوری داده مبتنی بر كامپیوتر، سخت افزارهای اندازه گیری توسط نرم افزار پیكربندی و كنترل می شوند. بنابراین استفاده از نرم افزارهایی كه به طور كامل با سخت افزار منطبق شوند، بسیار مهم می باشد. در ادامه به قسمت های مختلف این نوع نرم افزارها اشاره می كنیم.

آنالیز كردن Online

در سیستم های مبتنی بر كامپیوتر، آنالیز Online با استفاده از نرم افزار صورت می گیرد. بسیاری از فرم های دیگر آنالیز Online می تواند در كاربردهای دیگر ثبت اطلاعات مورد استفاده قرار بگیرد. در این جا ما یك نوع بسیار متداول را مورد بررسی قرار می دهیم. 
مقیاس بندی كانال ها در واقع تبدیل نمودن یك رشته باینری خام دریافت شده از سیستم جمع آوری داده به یك مقدار مقیاس بندی شده بر اساس واحدهای مهندسی می باشد. به عنوان یك مثال در این زمینه می توان به محاسبه دما در واحد سانتیگراد از اطلاعات رسیده ترموكوپل اشاره نمود. دیجیتایزر ولتاژ ترموكوپل و ولتاژ مربوط به اتصال سرد را تبدیل به اطلاعات باینری می كند. نرم افزار، مقادیر باینری شده را به ولتاژ تبدیل نموده و سپس از فرمول مربوط به ترموكوپل برای محاسبه دما استفاده می كند. 
یكی از كاربردهای مهم دیگر آنالیز Online، آلارم دادن و یا مدیریت رخدادها می باشد. این نرم افزار به طور معمول كانال ها را مورد مانیتورینگ قرار داده و اگر سیگنال ها از یك حدی بیشتر و یا كمتر شدند، آلارم تولید می كند. سیستم آلارم می تواند شامل جوابگویی خودكار نیز باشد. به عنوان مثال سیستم ثبت داده می تواند یك دستگاه را در حالت اضطراری خاموش نماید. 

ثبت و ذخیره سازی اطلاعات

روش های ذخیره سازی اطلاعات می تواند بسیار متنوع باشد. سیستم های جمع آوری داده مبتنی بر كامپیوتر به طور معمول برای ذخیره سازی اطلاعات از هارد دیسك استفاده می كنند اما سیستم هایی مانند نوارهای مغناطیسی، درایوهای شبكه، درایوهای RAID و سخت افزارهای دیگر نیز می توانند برای این منظور مورد استفاده قرار بگیرند. 
فرمت ذخیره سازی اطلاعات با كارآیی سیستم ارتباط مستقیم داشته و استفاده از سیستم ثبت اطلاعات را می تواند آسان سازد. به طور كلی سه فرمت اصلی اسكی، باینری و پایگاه داده برای ذخیره سازی اطلاعات استفاده می شود. 
فایل های اسكی معمولا شامل یك بخش Header و ستون های اطلاعات می باشد. قسمت Header اطلاعاتی مانند نام كانال، واحد مهندسی، تجهیزات تست و توضیحات كاربر را در خود نگه می دارد. ستون اول اطلاعات معمولا شامل برچسب زمانی هر نمونه و ستون های بعدی مشخص كننده اطلاعات هر كانال می باشد. این فایل ها به دلیل این كه می توانند توسط اغلب بسته های نرم افزاری باز و ویرایش شوند، از كاربرد وسیعی برخوردار می باشند. اما نكته منفی در مورد این فایل ها، عدم استفاده بهینه از حافظه می باشد. فایل های اسكی معمولا وقتی كه سرعت دریافت اطلاعات و حجم آن پایین می باشد (كمتر از 1000 نمونه در ثانیه) مورد استفاده قرار می گیرند.
فایل های باینری یك روش بهینه برای ذخیره سازی اطلاعات ارائه می دهند. با استفاده از فایل های باینری بایت های خام كه كامپیوتر برای ذخیره سازی اطلاعات در حافظه مورد استفاده قرار می دهد، به طور مستقیم در این فایل ها نوشته می شود. این نوع اطلاعات فضای كمتری نسبت به فایل های اسكی اشغال می كنند. همچنین نیاز به پردازش كمتری دارند. اما فایل های باینری نمی توانند در نرم افزارهای معمولی مشاهده شوند و باید توسط نرم افزارهای خاصی به شكل قابل فهم تبدیل شوند. با استفاده از این روش شما می توانید اطلاعات مستقیم از دیجیتایزر را ذخیره سازی نموده و با استفاده از روتین های مقیاس بندی كانال این اطلاعات را می توانید به مقادیر فیزیكی قابل فهم تبدیل نمایید. 
با استفاده از فایل های باینری شما نیاز به فضای كمتری دارید. اما بدی این فایل ها آن است كه برای قابل فهم شدن باید توسط یك نرم افزار ترجمه شوند. 
بسیاری از نرم افزارهای جمع آوری داده، اطلاعات را در یك بانك اطلاعاتی ذخیره سازی می كنند. پایگاه داده معمولا شامل فایل های باینری است كه دارای فرمت ساختار یافته برای دریافت و یا ارسال اطلاعات می باشد. قابلیت های عمده این روش افزایش حجم ذخیره سازی به صورت بسیار وسیع و قابلی جستجوی پیشرفته در اطلاعات پایگاه داده می باشد. نكته منفی این روش، بالا رفتن پیچیدگی آن است. 
در شكل شماره (3) میزان حجم این نوع ذخیره سازی ها نشان داده شده است. 

شكل 3- میزان مصرف حافظه در روش های ذخیره سازی مختلف

آنالیز Offline

بعد از دریافت و ذخیره سازی اطلاعات می توان با انواع روشهای مختلف به بررسی و آنالیز اطلاعات و استخراج دانش از آنها اقدام نمود. بنابراین آنالیز Offline در برگیرنده روش ها و الگوریتم های بسیار متنوعی می باشد. 

نمایش اطلاعات

اغلب برنامه های جمع آوری داده نیاز دارند كه اطلاعات اندازه گیری شده را نمایش دهند. توابع مربوط به نمایش می توانند به دوقسمت اطلاعات زنده و اطلاعات آرشیو گیری شده تقسیم بندی شوند. نمایش زنده اطلاعات وقتی مورد نیاز می باشد كه شما می خواهید اطلاعات اندازه گیری شده را به طور همزمان ببینید. نمایش اطلاعات ذخیره شده به شما اجازه می دهد كه اطلاعات گذشته را مورد بررسی و تحلیل قرار دهید. در شكل شماره (4) یك نمونه از نحوه نمایش اطلاعات دریافتی از ترموكوپل ها نشان داده شده است. 

شكل 4- نحوه نمایش اطلاعات

تولید گزارش

برای استفاده از اطلاعات آنالیز شده و یا خام به صورت بهینه، از روش های مختلف گزارش گیری استفاده می شود. در شكل شماره (5) چند نمونه از گزارش گیری كه به صورت آماری و یا گرافیكی می باشد، نمایش داده شده است. 

شكل 5- چند نمونه از گزارش های مختلف

به اشتراك گذاری اطلاعات و منتشر نمودن آنها

بعد از این كه اطلاعات به طور موفقیت آمیز ذخیره سازی و مورد آنالیز قرار گرفت این اطلاعات می تواند با استفاده از ابزارهای مختلفی مانند شبكه های كامپیوتری در دسترس اشخاصی كه به آنها نیاز دارند قرار بگیرد. این به اشتراك گذاری اطلاعات حتی می تواند شامل به اشتراك گذاری اطلاعات Online نیز بشود. 

انتخاب نرم افزار و سخت افزار

گزینه های نرم افزاری

انتخاب نرم افزار یكی از قسمت های بسیار مهم سیستم های جمع آوری داده مبتنی بر كامپیوتر می باشد. نرم افزار مورد استفاده باید به طور كامل با سخت افزار تطابق داشته باشد. همچنین این نرم افزار باید قابلیت های اولیه پیكربندی سخت افزار مورد استفاده را نیز دارا باشد. نرم افزار مورد استفاده باید تمام نیازمندیهایی مانند تولید گزارش، آنالیز، آرشیو گیری و به اشتراك گذاری اطلاعات را نیز بر آورده سازد. دو نوع كلی از نرم افزارها می تواند مورد استفاده قرار بگیرد. نرم افزارهایی كه به صورت آماده ارائه می شوند و محیط های توسعه برنامه كه می توان هر نوع نرم افزاری را بر اساس نیازها به وجود آورد.
نرم افزارهای آماده را می توانید به طور مستقیم مورد استفاده قرار دهید. این نرم افزارها یك محیط و رابط مناسب با كاربر برای پیكربندی نرم افزار و سخت افزار در اختیار قرار می دهند. مشكل این نرم افزارها آن است كه نمی توان به طور دلخواه تمام ویژگی های نرم افزار را تغییر داد.  
محیط توسعه برنامه، یك روش دیگر برای جمع آوری اطلاعات مبتنی بر كامپیوتر می باشد. این ابزارها شامل زبان های برنامه نویسی مختلف و یا زبان های برنامه نویسی گرافیكی می باشند.  

گزینه های سخت افزاری

برای كاربردهای جمع آوری داده سخت افزارهای مختلفی در دسترس می باشد. انتخاب سخت افزار با توجه به نوع كاربرد، محیط و نحوه نصب تغییر می كند اما به طور كلی سیستم سخت افزاری جمع آوری داده مبتنی بر كامپیوتر را می توان به 3 دسته كلی قابل حمل و نقل، رومیزی، و توزیع شده تقسیم بندی نمود.  
سخت افزارهای قابل حمل و نقل برای جمع آوری داده در كاربردهای مختلفی مانند جمع آوری اطلاعات از یك خط تولید مورد استفاده قرار می گیرند. این سیستم ها از كامپیوترهای Laptop و سخت افزارهای اندازه گیری مخصوص، استفاده می كنند. معمولا این سیستم ها دارای 40 كانال می باشند. در شكل شماره (6) یك نمونه از این سیستم ها نشان داده شده است.
سیستم های رومیزی از سخت افزارهای استانداردی كه برای همین منظور طراحی شده است استفاده می كنند. سیستم های رومیزی برای بسیاری از كاربردهای آزمایشگاهی مفید می باشند. به این دلیل كه این سیستم ها از نظر اندازه محدودیتی ندارند، می توانند دارای صدها كانال دریافت اطلاعات باشند. در شكل شماره (7) یك نمونه از سیستم های جمع آوری داده رومیزی نمایش داده شده است.
بعضی از سیستم های جمع آوری داده نیاز دارند كه از كامپیوتر خارج شده و به طور توزیع شده مورد استفاده قرار بگیرند. این مساله به خصوص وقتی كه لازم است اطلاعات از چند محل جمع آوری شوند، بسیار مناسب است. این سیستم های توزیع شده در واقع شامل چندین دستگاه اندازه گیری توزیع شده می باشند كه از طریق كانال های ارتباطی مانند RS-485 و یا اترنت با كامپیوتر اصلی ارتباط برقرار می كنند. در شكل شماره (8) سیستم جمع آوری داده توزیع شده نشان داده شده است. 

شكل 6- سیستم جمع آوری داده قابل حمل و نقل

شكل 7- سیستم جمع آوری داده رومیزی

شكل 8- سیستم جمع آوری داده توزیع شده