基于LabVIEW的遠(yuǎn)程空氣顆粒物含量監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉永濤，劉 佳，夏旭洪，李玉華，劉 浩，霍慶周

(華北科技學(xué)院 電子信息工程學(xué)院，北京 東燕郊 101601)

基于LabVIEW的遠(yuǎn)程空氣顆粒物含量監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉永濤，劉 佳，夏旭洪，李玉華，劉 浩，霍慶周

(華北科技學(xué)院 電子信息工程學(xué)院，北京 東燕郊 101601)

隨著大氣環(huán)境的惡化，空氣質(zhì)量越來越成為人們關(guān)注的話題，現(xiàn)有設(shè)備在原始數(shù)據(jù)監(jiān)測中存在諸多不便。針對(duì)以上情況文中設(shè)計(jì)了一種基于LabVIEW的遠(yuǎn)程空氣顆粒物含量檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)攜帶方便，采用太陽能供電，經(jīng)過低功耗優(yōu)化設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)長期在線監(jiān)測。系統(tǒng)以STM32嵌入式處理器為控制核心，將激光傳感器采集到的PM1.0、PM2.5、PM10以及現(xiàn)場溫濕度等數(shù)據(jù)通過GPRS傳送至以太網(wǎng)，上位機(jī)通過LabVIEW實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程接收，以曲線和數(shù)據(jù)的方式加以實(shí)時(shí)顯示并存儲(chǔ)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了PM2.5等環(huán)境參數(shù)的遠(yuǎn)程、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的顯示和處理。

動(dòng)態(tài)曲線；遠(yuǎn)程監(jiān)測； LabVIEW；GPRS

近些年由于我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，汽車尾氣、工廠廢氣、廚房油煙等排放量也日益增高，最終造成PM2.5濃度的急劇上升。隨著污染的加重空氣質(zhì)量問題越來越受到社會(huì)各界人士和廣大學(xué)者的關(guān)注。因此深入研究空氣質(zhì)量的監(jiān)測方法，建立實(shí)用性、系統(tǒng)質(zhì)量優(yōu)異、性價(jià)比高的環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，對(duì)全面進(jìn)行空氣質(zhì)量監(jiān)測評(píng)價(jià)和環(huán)境保護(hù)工作的開展有著極為重要的理論分析意義和現(xiàn)實(shí)實(shí)用價(jià)值[1]。

為了有效解決以上問題，本文設(shè)計(jì)了一種基于LabVIEW的太陽能空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠監(jiān)測空氣中的PM1.0、PM2.5、PM10的濃度，直徑大于0.3 μm、2.5 μm、10 μm的顆粒物的數(shù)量以及溫濕度并通過迪文屏實(shí)時(shí)顯示(數(shù)值顯示和曲線顯示)，同時(shí)按照設(shè)定的采樣周期將數(shù)據(jù)存到SD卡并發(fā)送到遠(yuǎn)程的上位機(jī)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)以STM32嵌入式處理器為核心，其Cortex-M3內(nèi)核的設(shè)計(jì)集高性能、低功耗、實(shí)時(shí)應(yīng)用、具有競爭性價(jià)格于一體，滿足嵌入式領(lǐng)域的要求[2]。電源模塊主要由MP2303電源管理芯片構(gòu)成， GPRS數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)通信選用SIM900A，傳感器采用PMS1003激光顆粒物傳感器和AM2321溫濕度傳感器，顯示屏部分采用的是4.3寸TFT觸摸屏，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元用SD卡實(shí)現(xiàn)，上位機(jī)用LabVIEW軟件制作。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1 傳感器電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中空氣顆粒物檢測選用的是PMS1003激光顆粒物傳感器，環(huán)境溫濕度檢測采用了AM2321溫濕度傳感器。PMS1003是一款數(shù)字式通用顆粒物濃度傳感器，可用于獲得單位體積內(nèi)空氣中0.3～10 μm懸浮顆粒物個(gè)數(shù)，即顆粒物濃度，并以數(shù)字接口形式輸出，同時(shí)也可輸出每種粒子的質(zhì)量數(shù)據(jù)。

AM2321數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有己校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合型傳感器[3]。采用專用的溫濕度采集技術(shù)，確保了極高的可靠性與長期穩(wěn)定性。傳感器包含一個(gè)電容式感濕元件和一個(gè)高精度集成測溫元件，并與一個(gè)高性能微處理器相連接。標(biāo)準(zhǔn)單總線接口，使其應(yīng)用變得簡易快捷，通過SDA單總線與微處理器PC12相連。電路原理如圖2所示。

圖2 溫濕度傳感器電路

1.2 GPRS網(wǎng)絡(luò)通信模塊電路設(shè)計(jì)

該部分主要由基于GSM網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的SIM900A芯片組成，SIM900A是一個(gè)雙頻GSM/GPRS 模塊，工作頻段為：EMS900 MHz和DCS1800 MHz，支持多種編碼方式，在SLEEP模式下最低電流只有1.0 mA。芯片通過串行通信接口與中央處理器串口1相連，完成數(shù)據(jù)的收發(fā)和控制。電路原理如圖3所示。

裝置通過STM32處理器的PC10管腳來控制SIM900A 的PWRKEY引腳，完成SIM900A 的上電、下電及重啟控制。通過處理器的串口1完成與SIM900A 的串行通信控制。

圖3 SIM900A單元電路

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)下位機(jī)程序用C語言編寫，實(shí)現(xiàn)了對(duì)

傳感器數(shù)據(jù)的采集和處理，發(fā)送數(shù)據(jù)到液晶屏顯示，按照采樣周期保存數(shù)據(jù)到SD卡以及控制SIM900A進(jìn)行遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)傳輸。主程序流程圖如圖4所示。

上位機(jī)軟件用LabVIEW制作，LabVIEW是一款圖形化編程語言，它不同于文本編程語言的文本編程方式，采用的是圖形化編程[4]。VI(虛擬儀器)由前面板和程序框圖兩部分組成。

虛擬儀器前面板作為人機(jī)的交換界面，無論從可操作性還是外觀美化都有很高的要求，而且在此基礎(chǔ)上也可以幫助我們更好地進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，從而完成整個(gè)軟件部分的設(shè)計(jì)[5]。本系統(tǒng)的上位機(jī)系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖5所示，VI間的調(diào)用關(guān)系如圖6所示。

圖4 系統(tǒng)流程圖

圖5 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

主VI程序的部分程序框圖如圖7所示，首先加載并運(yùn)行相應(yīng)的子VI(隱藏其前面板)，當(dāng)相應(yīng)的按鈕按下以后，顯示對(duì)應(yīng)的前面板。本設(shè)計(jì)用LabVIEW的事件結(jié)構(gòu)處理按鈕動(dòng)作，該方法的響應(yīng)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于查詢方式。

圖6 VI間的調(diào)用關(guān)系

主VI主要負(fù)責(zé)調(diào)用各個(gè)子VI。通過點(diǎn)擊前面板上的各個(gè)按鈕，即可方便地查看到各個(gè)點(diǎn)的監(jiān)測情況，如點(diǎn)擊左側(cè)的“北京”按鈕即可看到地圖上出現(xiàn)對(duì)應(yīng)的設(shè)備地點(diǎn)圖標(biāo)，點(diǎn)擊圖標(biāo)即可看到該點(diǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和曲線，并能查看該點(diǎn)的歷史數(shù)據(jù)。

子VI程序的設(shè)計(jì)：LabVIEW 為用戶提供了封裝好的TCP VI函數(shù)，使用時(shí)服務(wù)器端TCP VI需設(shè)置指定的監(jiān)聽端口，客戶端TCP VI則需設(shè)置要與其建立連接的地址和遠(yuǎn)程端口號(hào)[6]。安裝了LabVIEW的VISA驅(qū)動(dòng)以后，可以方便快捷地進(jìn)行TCP或UDP的數(shù)據(jù)通信。系統(tǒng)創(chuàng)建TCP偵聽器并讀取網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的程序[7]。程序如圖8所示。

圖7 主VI部分程序框圖

圖8 創(chuàng)建TCP偵聽器并讀取網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)

框圖中先調(diào)用數(shù)據(jù)通信→協(xié)議→TCP→TCP Create Listener函數(shù)創(chuàng)建TCP偵聽器，傳入端口號(hào)20000即可偵聽本地20000端口。再調(diào)用TCP Wait On Listener函數(shù)，等待遠(yuǎn)程客戶端的連接，超時(shí)毫秒設(shè)置為50，超時(shí)后將產(chǎn)生一個(gè)錯(cuò)誤輸出，在if條件結(jié)構(gòu)中調(diào)用:對(duì)話框與用戶界面→Clear Errors.vi清除該錯(cuò)誤。如果有客戶端連接則將連接ID傳給TCP Read函數(shù)，TCP Read函數(shù)用于讀取網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，根據(jù)需要指定讀取長度(34字節(jié))，讀取完畢后檢查數(shù)據(jù)的正確性，正確則將數(shù)據(jù)送入下一個(gè)數(shù)據(jù)處理節(jié)點(diǎn)。如果超時(shí)，則調(diào)用數(shù)據(jù)通信→協(xié)議→TCP→TCP Close Connection函數(shù)關(guān)閉TCP連接，這樣就完成了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的讀取。

數(shù)據(jù)處理先調(diào)用編程→字符串→String Subset函數(shù)，設(shè)置偏移量和長度，截取出表示各個(gè)指標(biāo)的字符串，經(jīng)數(shù)據(jù)通道傳遞到前面板的數(shù)值顯示控件，前面板上即可看見各個(gè)指標(biāo)值。再調(diào)用編程→字符串→數(shù)值/字符串轉(zhuǎn)換→Decimal String To Number函數(shù)，將字符串轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)，經(jīng)數(shù)據(jù)通道傳遞到前面板的波形圖表控件，前面板上即可顯示出對(duì)應(yīng)的曲線。調(diào)用簇、類與變體→Bundle函數(shù)將截取的字符串捆綁；調(diào)用Cluster To Array函數(shù)，將簇轉(zhuǎn)換為數(shù)組；調(diào)用文件I/O→Write To Spreadsheet File.vi將字符串寫入電子表格；調(diào)用定時(shí)→Get Data/Time String函數(shù)則用來獲取當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)間，一起存入電子表格。數(shù)據(jù)處理程序框圖如圖9所示。

從接收到的數(shù)據(jù)中分離出各個(gè)需要的數(shù)值，送到波形圖表，這樣前面板上的波形圖表即可顯示出波形，同時(shí)將數(shù)據(jù)送到各個(gè)顯示控件顯示出其數(shù)值的大小，然后將數(shù)據(jù)捆綁后保存在Excel表格中。因?yàn)長abVIEW中的數(shù)據(jù)流可以同時(shí)流向每一個(gè)數(shù)據(jù)處理節(jié)點(diǎn)，所以可以實(shí)現(xiàn)并行處理，顯示曲線和數(shù)值大小的同時(shí)可以保存數(shù)據(jù)[8]。

查看歷史數(shù)據(jù)的程序框圖如圖10所示。通過點(diǎn)擊歷史數(shù)據(jù)按鈕即可打開歷史數(shù)據(jù)的Excel表格，查看歷史數(shù)據(jù)方便，同時(shí)還可以直接用Excel對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步分析和處理[9]。

圖9 數(shù)據(jù)處理程序框圖

圖10 查看歷史數(shù)據(jù)程序框圖

由程序框圖可見，在處理歷史數(shù)據(jù)的事件結(jié)構(gòu)中，調(diào)用了文件I/O→高級(jí)文件函數(shù)→Copy函數(shù)，將保存歷史數(shù)據(jù)的表格復(fù)制到同一級(jí)目錄下，然后調(diào)用報(bào)表生成→New Report.vi，用復(fù)制的表格為模板新建一個(gè)Excel報(bào)表，然后調(diào)用Dispose Report.vi用于關(guān)閉報(bào)表并釋放其界面，最后調(diào)用對(duì)話框與用戶界面→Clear Errors.vi清除可能的錯(cuò)誤。LabVIEW的報(bào)表生成工具可以方便的生成各種格式的數(shù)據(jù)報(bào)表，如常用的Excel、Word、HTML等，從而可以方便快捷的進(jìn)行各種報(bào)表生成和數(shù)據(jù)處理。實(shí)時(shí)歷史數(shù)據(jù)查詢結(jié)果如表1所示。

表1 歷史數(shù)據(jù)

3 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)及測試

基于LabVIEW的太陽能空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)目前已經(jīng)通過實(shí)際測試，能夠監(jiān)測空氣中的PM1.0、PM2.5、PM10的濃度，直徑大于0.3 μm、2.5 μm、10 μm的顆粒物的數(shù)量以及溫濕度并可以通過迪文屏實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)按照設(shè)定的采樣周期將數(shù)據(jù)存到SD卡并發(fā)送到遠(yuǎn)程的上位機(jī)；系統(tǒng)置于戶外由太陽能電池板和鋰電池供電。設(shè)備于2015年12月04日11點(diǎn)32分測試PM2.5數(shù)據(jù)為276 μg/m3與權(quán)威部門發(fā)布數(shù)據(jù)270 μg/m3基本一致，測試結(jié)果如圖11所示。

圖11 實(shí)際測試圖

4 結(jié)論

本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于LabVIEW的空氣質(zhì)量遠(yuǎn)程戶外監(jiān)測。系統(tǒng)硬件以STM32嵌入式處理器為核心，由GPRS網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和多傳感器技術(shù)綜合設(shè)計(jì)完成。

經(jīng)實(shí)際測試驗(yàn)證系統(tǒng)具有測量準(zhǔn)確、遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)在線監(jiān)測、攜帶放置方便等優(yōu)點(diǎn)，因此具有著很好的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值。

[1] 吳婷婷.環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].重慶：重慶郵電大學(xué)，2011.

[2] 梁李柳元. 基于STM32 的無線紅外智能插座系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用，2015，38(19)：156-159.

[3] 何燕陽.基于AM2301的消毒熏箱溫濕度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].智能計(jì)算機(jī)與應(yīng)用,2012(4):68-71.

[4] 蔡共宣.LabVIEW編程思想研究[J].裝備制造技術(shù),2009(9):56-58.

[5] 姚娟， 張志杰， 李麗芳. 基于LabVIEW 和TCP 的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]． 電子技術(shù)應(yīng)用，2012，38(7)：72-74.

[6] 苗鳳娟，張冬，陶佰睿，等. 基于LabVIEW 的濕度校準(zhǔn)平臺(tái)[J]. 儀表技術(shù)與傳感器，2014(1)：21-23.

[7] 史素敏，劉建新, 金鵬，等. 汽車天窗測試系統(tǒng)中PLC與上位機(jī)以太網(wǎng)通訊系統(tǒng)的開發(fā)[J]. 機(jī)床與液壓，2013(16)：132-135.

[8] 曹文，施建洪，崔嘉. 一種針對(duì)交互式軟件的功能測試方法[J]. 海軍航空工程學(xué)院學(xué)報(bào),2009(5):583-586.

[9] 曲茵，宮雪，楊翼博. 寧波鋼鐵1780熱連軋WinCC歸檔變量存儲(chǔ)法[M]. 合肥: 全國冶金自動(dòng)化信息網(wǎng)2011年會(huì),2011.

Design of remote air particulate matter content monitoring system based on LabVIEW

LIU Yong-tao,LI Yu-hua,XIA Xu-hong,LIU Hao

(SchoolofElectronicandInformationEngineering,NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Yanjiao,101601,China)

With the deterioration of the atmospheric environment, air quality has become a topic of concern. The existing equipments have many disadvantages in monitoring original data . In this paper, a remote air particulate content detection system based on LabVIEW is designed. The system is convenient to carry and use solar power supply, and the optimized design can achieve long-term on-line monitoring. STM32 embedded processor as the control core, the laser sensor acquisition of PM1.0, PM2.5, PM10, and the temperature and humidity of the data through the GPRS transmission to the Ethernet, the host computer through the LabVIEW to achieve the remote data receiving, the curve and data to display and store the way. The system realizes the remote, accurate and real-time display and processing of PM2.5 and other environmental parameters.

dynamic curve；remote monitoring； LabVIEW；GPRS

2016-03-28

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)資助項(xiàng)目(3142014071，3142015088)

劉永濤(1981-)，男，河北定州人，碩士，華北科技學(xué)院電子信息工程學(xué)院講師，主要從事監(jiān)測監(jiān)控及儀器儀表技術(shù)研究。E-mail:ytliu@ncist.edu.cn

TN911.7

A

1672-7169(2016)03-0062-06