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多尺度生物过程信息集成与数据库管理

作　者: 郭冬莲
导　师: 蔡强
学　校: 杭州电子科技大学
专　业: 电子与通信工程
关键词: 生物过程 监测控制 数据库 远程访问
分类号: TP311.52
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
下　载: 2次
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内容摘要


近年来随着生物技术的发展，生物工程已经越来越多的应用于医药、能源、食品、环境治理等领域。目前生物工程的开发已经走出实验室，实现工业化生产。由于生物参量测量的困难性和过程的复杂性，集成过程参数分析的科学仪器、提取过程特征、开发软件自动控制系统成为生物过程现代化的关键。目前，国内外开发了一些过程参数检测仪器，但是他们都是分散存在的。将仪器集成，开发多尺度生物过程信息集成和数据库管理系统，会极大地提高生物过程监测的全面性和自动化程度。本文结合生物过程仪器监测数据集成及数据库建立项目，以生物过程在线测控系统和多尺度数据库管理系统的构建为研究对象，主要从系统集成、通信协议设计、多尺度生物数据库设计、数据中心建设和应用方面进行了较为深入的研究。本文针对生物过程参数信息需求分析，结合目前生物过程测控系统的发展现状与趋势，确定了本系统集成的仪器和本地在线监测软件以及远程在线数据访问Web端的功能。构建了本地CAN网络，其中常规参数采集仪、控制仪、在线吸光度检测仪和电子鼻等4台仪器挂在CAN总线上，采用Modbus-RTU协议与本地监控工控主机进行通信，在线介电频谱检测仪、细胞显微观察仪、红外光谱仪和过程质谱仪等4台仪器采用串口连接，通信协议也按照Modbus-RTU格式定义。本地检测系统同时配备短信服务器，通过GSM网络给客户手机发送超限报警。生物过程测控软件设计包含软件架构设计，公共类设计和界面实现。主要功能包括：用户管理，新建实验，实验模板管理、自动和手动控制、设备管理、批次数据查询、数据导出、软件使用说明等功能。数据库设计部分包括Windows Server2008下MySQL服务器的部署，数据库逻辑结构设计、E-R图、逻辑图，表设计和实现。本章同时研究了细胞图像在数据库中的存储方法。远程数据访问主要包含数据访问页面的设计，开发过程中的图形控件使用，然后从通讯协议，网络搭建和服务器架构三个方面介绍了网站的建设。当前已存在的生物过程测控系统多注重于环境参数的采集与控制。本文开发的生物过程在线监测系统可同时管理多台仪器，并且根据用户需求选择不同的仪器组合，收集实验数据，同时将数据上传至数据中心，用户可以通过Web界面远程观测实验数据。构建的多尺度生物过程数据库包含了常规的数值型参数和微生物生长的图像信息，数据库预留了扩展更多参数的接口，为今后生物数据库的构建和扩展提供了参考。最后展示了该系统在螺旋藻和毕赤酵母培养过程中的应用，软件系统测试结果表明，该系统运行稳定可靠，有效提高了发酵过程的自动化水平和产品品质。

全文目录


摘要  5-6
ABSTRACT  6-11
第1章 绪论  11-17
  1.1 课题来源  11
  1.2 课题研究的背景及意义  11-13
  1.3 国内外研究现状与发展趋势  13-16
  1.4 课题研究内容及章节安排  16-17
第2章 多尺度生物过程信息需求分析  17-24
  2.1 生物过程所需主要参数  17-19
  2.2 集成仪器介绍  19-22
    2.2.1 常规参数：采集仪和控制仪  19
    2.2.2 细胞量分析：在线吸光度检测仪、在线介电频谱检测仪  19-20
    2.2.3 细胞形态分析：在线细胞显微观察仪  20-21
    2.2.4 培养液中有机物成分信息：红外光谱仪  21
    2.2.5 尾气成分分析：电子鼻、过程质谱仪  21-22
  2.3 系统集成整体架构  22
  2.4 软件开发工具的选择  22-23
  2.5 本章小结  23-24
第3章 通信协议设计  24-32
  3.1 本地仪器通信协议  25-30
    3.1.1 采集仪和控制仪  25-27
    3.1.2 在线吸光度检测仪和电子鼻  27-28
    3.1.3 在线介电频谱检测仪  28
    3.1.4 细胞显微观察仪  28-29
    3.1.5 红外光谱仪  29
    3.1.6 过程质谱仪  29-30
  3.2 远程数据传输通信方式  30
  3.3 本章小结  30-32
第4章 本地监控系统软件设计与实现  32-48
  4.1 软件开发语言介绍  32
  4.2 在线监测软件架构设计  32-34
  4.3 系统设计  34-36
  4.4 系统功能  36
  4.5 公共类设计  36-38
  4.6 系统控制功能实现  38-40
  4.7 接收数据的实现  40-42
    4.7.1 串口发送指令  40-42
    4.7.2 数据接收  42
  4.8 远程数据传输  42-44
    4.8.1 短信传输  42-43
    4.8.2 邮件传输  43-44
  4.9 系统测试  44-47
  4.10 本章小结  47-48
第5章 生物过程数据库设计与实现  48-60
  5.1 Windows Server 2008 下 MySQL 服务器部署  48
  5.2 系统数据库设计  48-56
    5.2.1 数据库逻辑结构设计  48-49
    5.2.2 系统 E-R 图  49-50
    5.2.3 数据库逻辑设计  50
    5.2.4 表设计  50-52
    5.2.5 表实现  52-54
    5.2.6 表结果  54-56
  5.3 数据存储  56-59
    5.3.1 细胞图像在生物数据库中的存储方法研究  56-57
    5.3.2 存取时间和占用空间对比  57-59
  5.4 本章小结  59-60
第6章 远程数据访问实现  60-63
  6.1 远程用户访问页面设计  60-61
  6.2 网站建设  61-62
    6.2.1 通讯协议  61
    6.2.2 网络搭建  61
    6.2.3 服务器架构  61-62
  6.3 本章小结  62-63
第7章 总结与展望  63-65
  7.1 总结  63
  7.2 展望  63-65
致谢  65-66
参考文献  66-69
附录  69

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 计算技术、计算机技术 > 计算机软件 > 程序设计、软件工程 > 软件工程 > 软件开发
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