基于LabVIEW的分布式實(shí)驗(yàn)室環(huán)境監(jiān)測(cè)平臺(tái)設(shè)計(jì)

程學(xué)珍等

摘要：作者結(jié)合實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，設(shè)計(jì)了基于LabVIEW的分布式實(shí)驗(yàn)室環(huán)境監(jiān)測(cè)平臺(tái)。使用多種傳感器、LabVIEW、單片機(jī)等工具，對(duì)平臺(tái)的數(shù)據(jù)采集部分、串口通信部分、分析處理部分等進(jìn)行了硬件與軟件的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、超限報(bào)警，報(bào)表生成打印等功能。該平臺(tái)的設(shè)計(jì)，能幫助學(xué)生鞏固LabVIEW、單片機(jī)、傳感器等知識(shí)，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力與動(dòng)手能力，達(dá)到更好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：LabVIEW；分布式；實(shí)驗(yàn)室；環(huán)境監(jiān)測(cè)；傳感器；單片機(jī)

中圖分類號(hào)：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 論文編號(hào)：1674-2117（2018）10-0069-04

前言

培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)與動(dòng)手能力是高校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的主要目的之一，也對(duì)學(xué)生以后的職業(yè)發(fā)展具有重要意義。本文結(jié)合山東科技大學(xué)檢測(cè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)，設(shè)計(jì)了基于LabVIEW的分布式實(shí)驗(yàn)室環(huán)境監(jiān)測(cè)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)、可靠監(jiān)測(cè)。[1]一方面學(xué)生可以更好地鞏固LabVIEW、單片機(jī)、傳感器等知識(shí)。另一方面，學(xué)生可以在平臺(tái)上進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，進(jìn)而培養(yǎng)綜合動(dòng)手能力和創(chuàng)新意識(shí)，充分發(fā)揮綜合性實(shí)驗(yàn)的效能。

平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

平臺(tái)主要由下位機(jī)系統(tǒng)和上位機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成：下位機(jī)系統(tǒng)以STC12C5A60S2單片機(jī)作為主控制器，以溫濕度傳感器、粉塵傳感器、流量傳感器作為感測(cè)元件分別對(duì)溫度、濕度、粉塵濃度、流量等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集[2]，并通過(guò)串口發(fā)送到上位機(jī)系統(tǒng)；上位機(jī)系統(tǒng)基于LabVIEW[3-5]主要實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的解析、顯示，超限報(bào)警，報(bào)表打印等功能。系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)電路主要包括單片機(jī)控制器模塊、電源模塊、溫濕度檢測(cè)模塊、粉塵濃度檢測(cè)模塊、流量檢測(cè)模塊、串口通信模塊等。

1.單片機(jī)控制器模塊

單片機(jī)控制器模塊主要包括STC12C5A60S2單片機(jī)、復(fù)位電路和時(shí)鐘電路。其中復(fù)位電路采用上電復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位兩種方式；時(shí)鐘電路的晶振頻率為11.0592MHz。[6]單片機(jī)控制器模塊電路原理圖如上頁(yè)圖2所示。

2.其他模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)電源電路采用兩節(jié)18650鋰電池作為前端電源，經(jīng)L7805穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓后，輸出5V電壓供給系統(tǒng)使用。相比于經(jīng)變壓器整流降壓的電源，使用鋰電池使得系統(tǒng)的可移動(dòng)性更強(qiáng)，提高了系統(tǒng)的靈活性和適應(yīng)性。溫濕度檢測(cè)模塊選用的是AM2320溫濕度傳感器。該傳感器包括電容濕敏元件與高精度集成的測(cè)溫元件，含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出，支持單總線和標(biāo)準(zhǔn)I2C總線兩種通信方式。筆者選用的通信方式為單總線方式，信號(hào)傳輸距離可達(dá)20米以上。粉塵濃度檢測(cè)模塊選用的是ZPH01粉塵傳感器。傳感器采用紅外線LED和可見(jiàn)光截止的光電傳感器，檢測(cè)單元采用粒子計(jì)數(shù)原理對(duì)粉塵濃度進(jìn)行檢測(cè)，并將濃度轉(zhuǎn)換為PWM信號(hào)進(jìn)行輸出。流量檢測(cè)模塊選用的是YF-S201流量傳感器。傳感器由塑料閥體、轉(zhuǎn)子組件和霍爾傳感器組成，磁性轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)并且轉(zhuǎn)速隨著流量變化而變化，霍爾傳感器輸出相應(yīng)脈沖信號(hào)，反饋給控制器，由控制器判斷流量的大小，進(jìn)行調(diào)控。串口通信選用的是基于PL2303芯片的USB轉(zhuǎn)TTL串口通信模塊，具有USB數(shù)據(jù)格式與TTL電平信號(hào)的雙向轉(zhuǎn)換功能，從上位機(jī)接收USB數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)換為TTL電平信號(hào)發(fā)送給下位機(jī)，[7]也可從下位機(jī)接收TTL電平信號(hào)并轉(zhuǎn)換為USB數(shù)據(jù)格式傳送回上位機(jī)。

硬件系統(tǒng)總體電路原理圖如圖3所示，硬件系統(tǒng)實(shí)物圖如圖4所示。

軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)下位機(jī)軟件控制傳感器進(jìn)行參數(shù)檢測(cè)，并將數(shù)據(jù)讀取到單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，然后發(fā)送到上位機(jī)。下位機(jī)環(huán)境參數(shù)采集流程圖如圖5所示，部分程序如圖6所示。

2.上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

使用LabVIEW設(shè)計(jì)上位機(jī)軟件[8]，將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理，若超限，則啟動(dòng)聲光報(bào)警。還可以進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和報(bào)表生成打印、遠(yuǎn)傳等，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。上位機(jī)程序流程圖如下頁(yè)圖7所示。

（1）串口配置程序設(shè)計(jì)

在串口配置程序中，通信設(shè)置使用的是COM3端口[9]，波特率設(shè)置為4800bit/s，數(shù)據(jù)位設(shè)置為8位，無(wú)奇偶位，1位為停止位。

（2）數(shù)據(jù)讀取及顯示程序設(shè)計(jì)

LabVIEW讀取數(shù)據(jù)本質(zhì)上是讀取字符串。當(dāng)讀取字符串VISA從下位機(jī)一次性完成16字節(jié)數(shù)據(jù)字符串讀取后，經(jīng)截取字符串函數(shù)，分別將溫度、濕度、粉塵濃度、流量[10]對(duì)應(yīng)的字節(jié)截取后傳送到各自的數(shù)據(jù)通道，再由字符串至數(shù)值轉(zhuǎn)換函數(shù)將字符串轉(zhuǎn)換為數(shù)值后送顯示控件顯示。讀取字符串VISA通過(guò)調(diào)用屬性節(jié)點(diǎn)，經(jīng)串口讀取下位機(jī)發(fā)送上來(lái)的數(shù)據(jù)。讀取字符串VISA的讀取字節(jié)總數(shù)設(shè)置為16字節(jié)，包括1個(gè)起始字節(jié)“S”、4個(gè)溫度字節(jié)、4個(gè)濕度字節(jié)、3個(gè)濃度字節(jié)和4個(gè)流量字節(jié)。

（3）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與報(bào)表生成程序設(shè)計(jì)

當(dāng)數(shù)據(jù)被截取分流后，和時(shí)間函數(shù)一起通過(guò)創(chuàng)建數(shù)組函數(shù)生成一個(gè)數(shù)組[11-13]，并存放在指定路徑的Excel表格中。本文的報(bào)表生成程序使用的是LabVIEW中的MS Office Report函數(shù)，利用MS Office Report函數(shù)可以制作簡(jiǎn)單的報(bào)表，支持的文件格式有Word、Excel。只需要事先制作一個(gè)文件模板并完成項(xiàng)目名稱和數(shù)據(jù)寫(xiě)入?yún)^(qū)域配置，該函數(shù)即可自動(dòng)生成一個(gè)簡(jiǎn)單報(bào)表，在上位機(jī)連接打印機(jī)后，可直接進(jìn)行報(bào)表打印。本文中的報(bào)表內(nèi)容主要包括報(bào)表名稱、操作人、報(bào)表生成時(shí)間、參數(shù)檢測(cè)時(shí)間和所采集的數(shù)據(jù)等內(nèi)容。

（4）聲光報(bào)警程序設(shè)計(jì)

將上位機(jī)從下位機(jī)讀取到的數(shù)據(jù)與用戶預(yù)先設(shè)定的參數(shù)值進(jìn)行比較，若數(shù)據(jù)大小在設(shè)定范圍內(nèi)，則比較結(jié)果為“假”，程序繼續(xù)運(yùn)行，不發(fā)生報(bào)警；若采集到的環(huán)境參數(shù)超出預(yù)先設(shè)定的參數(shù)范圍，則比較值為“真”，進(jìn)而觸發(fā)報(bào)警燈和聲音報(bào)警模塊，上位機(jī)同時(shí)進(jìn)行聲光報(bào)警。

（5）系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)

系統(tǒng)界面主要包括日期顯示、操作人、主顯示區(qū)、通信及數(shù)據(jù)保存設(shè)置區(qū)、參數(shù)設(shè)置區(qū)及操作區(qū)等。其中主顯示區(qū)包括波形圖顯示、實(shí)時(shí)參數(shù)顯示、報(bào)警燈等控件；通信及數(shù)據(jù)保存設(shè)置區(qū)主要包括通信參數(shù)設(shè)置、通信串口選擇和采集數(shù)據(jù)路徑保存等。

上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)程序如圖8所示。

平臺(tái)調(diào)試及結(jié)果

下位機(jī)軟件調(diào)試及結(jié)果，如圖9所示。在串口通信調(diào)試階段，使用SSCOM3.2串口調(diào)試助手作為上位機(jī)與下位機(jī)進(jìn)行通信，串口通信調(diào)試結(jié)果如圖10所示。從通信顯示界面中可以看到，第1個(gè)字節(jié)“S”為接收起始位[14]，通知上位機(jī)開(kāi)始接收數(shù)據(jù)；第2～5字節(jié)為溫度字節(jié)，測(cè)得溫度為24.8攝氏度；第6～9字節(jié)為相對(duì)濕度字節(jié)，測(cè)得相對(duì)濕度為31.5%RH；第10～12字節(jié)為粉塵濃度字節(jié)，測(cè)得粉塵濃度為26ug/m；第13～16字節(jié)為流量字節(jié)，測(cè)得瞬時(shí)流量為8.9L/min。

運(yùn)行本平臺(tái)，監(jiān)測(cè)界面顯示結(jié)果如圖11所示。從運(yùn)行結(jié)果可以看出，參數(shù)檢測(cè)、顯示、報(bào)警、報(bào)表等功能均正常。將采集的參數(shù)進(jìn)行保存，點(diǎn)擊報(bào)表按鈕，系統(tǒng)程序啟動(dòng)打印機(jī)服務(wù)，自動(dòng)讀取保存的數(shù)據(jù)并按模板生成預(yù)設(shè)報(bào)表。檢測(cè)報(bào)表如圖12所示。

結(jié)論

與驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)相比，本平臺(tái)可以進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)及功能拓展，進(jìn)而提高學(xué)生分析、解決實(shí)際問(wèn)題的能力，充分激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，提高學(xué)生的動(dòng)手操作能力，對(duì)實(shí)驗(yàn)室與傳感器理論與技術(shù)課程建設(shè)具有實(shí)際意義。

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作者簡(jiǎn)介：程學(xué)珍（1964—），女，博士，教授，研究方向?yàn)閭鞲衅骼碚撆c檢測(cè)技術(shù)。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（61503224）；山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2016GSF117009）；青島市民生科技計(jì)劃（17-3-3-88-nsh）；山東省研究生教育優(yōu)質(zhì)課程立項(xiàng)建設(shè)項(xiàng)目（2016050）；山東科技大學(xué)研究生教育創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目（KDYC15017）；山東科技大學(xué)優(yōu)秀教學(xué)團(tuán)隊(duì)建設(shè)計(jì)劃資助項(xiàng)目（NOXTD20170510）。