基于LabVIEW的室內(nèi)環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)

王浩博 唐晨棟 張宇

摘 要：針對(duì)當(dāng)下市場(chǎng)中大部分環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備功能不完善的問(wèn)題，文中提出并設(shè)計(jì)了一種室內(nèi)氣體環(huán)境的智能監(jiān)控系統(tǒng)，所設(shè)置的功能可以極大程度地滿足用戶需求。系統(tǒng)采用多種傳感器，可以測(cè)量多種氣體的濃度。將STM32單片機(jī)作為核心處理器，增加系統(tǒng)的運(yùn)算能力，另設(shè)置了警戒閾值，實(shí)現(xiàn)了超過(guò)閾值時(shí)蜂鳴器報(bào)警、短信通知的功能。采用GSM模塊無(wú)線傳輸測(cè)量數(shù)據(jù)，使系統(tǒng)能夠?qū)y(cè)量的結(jié)果實(shí)時(shí)傳輸至PC機(jī)中。為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化，采用LabVIEW軟件完成上位機(jī)設(shè)計(jì)，顯示不同氣體的數(shù)據(jù)曲線，得到多種氣體的濃度變化情況，實(shí)現(xiàn)了在PC機(jī)上顯示測(cè)量結(jié)果的功能。

關(guān)鍵詞：STM32單片機(jī);LabVIEW;環(huán)境監(jiān)測(cè);GSM;傳感器;通信

中圖分類號(hào)：TP274+.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2019）09-00-04

0 引 言

LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench，LabVIEW）是當(dāng)前頗受業(yè)界人士推崇與青睞的一種圖形化開發(fā)環(huán)境。最初，LabVIEW的主要功能為測(cè)量測(cè)試，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，LabVIEW已能夠很好地完成大部分測(cè)量測(cè)試任務(wù)。如今，它被廣泛用于各種測(cè)量設(shè)備中，被工業(yè)、學(xué)術(shù)以及科研等領(lǐng)域作為測(cè)量測(cè)試、儀器控制必不可少的工具，用戶可以通過(guò)工具包組成完整的測(cè)試程序[1]。

國(guó)內(nèi)外的智能家居行業(yè)隨著測(cè)量技術(shù)的逐步發(fā)展，產(chǎn)品準(zhǔn)確性得到了明顯提高，隨著用戶對(duì)測(cè)量結(jié)果的重視程度不斷增加，智能家居系統(tǒng)將會(huì)向提升運(yùn)算速度、無(wú)線傳輸以及實(shí)時(shí)發(fā)送測(cè)量結(jié)果的方向發(fā)展[2]。針對(duì)上述情況，以STM32F103VET6作為嵌入式MCU，以SIM900A通信模塊實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳輸功能，以LabVIEW上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示測(cè)量結(jié)果，設(shè)計(jì)了基于LabVIEW的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，將多種傳感器采集的數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送至STM32F103VET6單片機(jī)，通過(guò)SIM900A通信模塊將采集結(jié)果發(fā)送至電腦以及手機(jī)，創(chuàng)新性地利用LabVIEW對(duì)數(shù)據(jù)的處理功能方便用戶更直觀地了解采集結(jié)果。無(wú)線傳輸以及上位機(jī)顯示功能能夠方便用戶對(duì)緊急情況及時(shí)做出反應(yīng)，使系統(tǒng)更加人性化。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)擁有一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)、一個(gè)后臺(tái)和一個(gè)用戶端，在對(duì)各檢測(cè)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)組成進(jìn)行全面研究與分析后發(fā)現(xiàn)，其均由溫度傳感器、甲醛傳感器、煙霧傳感器、單片機(jī)等組成。另外，單片機(jī)作為系統(tǒng)的關(guān)鍵構(gòu)成部分，以系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能為重點(diǎn)依據(jù)，控制器需要控制數(shù)據(jù)采集、指令解析、數(shù)據(jù)通信等。本系統(tǒng)中單片機(jī)一方面控制通信模塊發(fā)送信息，另一方面還需控制報(bào)警，當(dāng)某一測(cè)量值超限時(shí)蜂鳴器鳴叫。后臺(tái)為L(zhǎng)abVIEW上位機(jī)，用戶端為用戶手機(jī)。系統(tǒng)總設(shè)計(jì)如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 嵌入式微處理器

在一塊較小的電路板上嵌入一塊具有特定功能的微處理器芯片—嵌入式微處理器[2]，由于外圍電路可滿足特定功能，因此嵌入式電路板體積明顯縮小。近年來(lái)，嵌入式處理器發(fā)展的越來(lái)越成熟，其高性能、低功耗的特性已能夠滿足絕大部分設(shè)備的需求[3]。本系統(tǒng)選用意法半導(dǎo)體企業(yè)獨(dú)立研發(fā)的STM32F103VET6芯片，在對(duì)這款芯片的性能參數(shù)進(jìn)行深入分析后發(fā)現(xiàn)，其內(nèi)核為32位Cortex-M3，內(nèi)置兩種不同規(guī)格的存儲(chǔ)器，分別為512 KB的閃存和64 KB的SRAM存儲(chǔ)器。芯片的運(yùn)行頻率為72 MHz，內(nèi)置12位ADC以及DAC，11個(gè)定時(shí)器。電源通過(guò)USB接口接入5 V電壓供電。晶振電路支持兩種不同規(guī)格的時(shí)鐘源，一是運(yùn)行頻率為23.768 kHz的時(shí)鐘源，為低速時(shí)鐘源;另一個(gè)是運(yùn)行頻率為8 MHz的時(shí)鐘源，為高速時(shí)鐘源。另外，復(fù)位電路的常用方式有兩種，即上電型與按鈕型，復(fù)位時(shí)電源復(fù)位輸出低電平作用于RESET管腳[4]。

2.2 傳感器模塊

2.2.1 溫度傳感器

本系統(tǒng)選用的溫度傳感器型號(hào)為DS18B20，該傳感器可利用1-Wire總線與STM32F103單片機(jī)通信，因此可使自身抗干擾性能得到進(jìn)一步提升，同時(shí)該傳感器監(jiān)測(cè)范圍相對(duì)較廣，其監(jiān)測(cè)區(qū)間為-55～125 ℃，且在監(jiān)測(cè)范圍-10～85 ℃之外時(shí)誤差可被合理地控制在±0.5 ℃之下，輸出數(shù)字量，正常情況下，其供電范圍為3.0～5.5 V[5]。此型號(hào)的傳感器與單片機(jī)的3.3 V及GND口連接，DQ口則與單片機(jī)的PA5口相連。

此型號(hào)傳感器支持6種不同形式的信號(hào)，分別為復(fù)位脈沖、應(yīng)答脈沖、寫0、寫1、讀0、讀1。溫度測(cè)量過(guò)程由STM32F103單片機(jī)發(fā)出復(fù)位脈沖開始，STM32F103單片機(jī)輸出480 μs以上的低電平。轉(zhuǎn)變?yōu)榻邮漳Ｊ剑≧x）之前需完成兩項(xiàng)基本操作，首先釋放總線，然后再對(duì)總線進(jìn)行上拉處理，由此轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖?。在此之后，DS18B20傳感器通過(guò)拉低總線60～240 μs的方式輸出低脈沖，并對(duì)兩者的連接方法進(jìn)行檢測(cè)，以進(jìn)一步確定是否為應(yīng)答信號(hào)的值，當(dāng)顯示0時(shí)，說(shuō)明檢測(cè)到傳感器，返回1時(shí)表示未檢測(cè)到傳感器。在讀取檢測(cè)結(jié)果時(shí)，單片機(jī)一定要先輸出讀時(shí)序，并且在該過(guò)程中，主機(jī)對(duì)總線完全釋放，在15 μs后對(duì)總線狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)與采樣。通過(guò)圖2可對(duì)此傳感器的溫度讀取過(guò)程有更直觀、全面的了解。

2.2.2 濕度傳感器

濕度傳感器型號(hào)為DHT22，采用3引線連接方式，數(shù)據(jù)線定義為SDA引腳，串行傳輸數(shù)據(jù)，與單片機(jī)U3口相連。運(yùn)行電壓為3.3～5.5 V，測(cè)量范圍為0～99.9%RH，當(dāng)溫度為25 ℃時(shí)，誤差在±2%RH以內(nèi)[6]。

DHT22傳感器一次采集8位數(shù)據(jù)，循環(huán)采集4次，校驗(yàn)數(shù)據(jù)，共40位。其中，高16位為濕度數(shù)據(jù)，對(duì)捕獲到的濕度值進(jìn)行除10處理便能獲取準(zhǔn)確無(wú)誤的真實(shí)濕度值。在測(cè)量過(guò)程中，DHT22在接收到起始指令后立即轉(zhuǎn)變運(yùn)行模式，即由最初的休眠模式轉(zhuǎn)變?yōu)楦咚倌Ｊ?，利用SDA數(shù)據(jù)線傳送數(shù)據(jù)并在結(jié)束時(shí)執(zhí)行一次信息收集操作，在下次通信之前，傳感器進(jìn)入休眠模式。為了避免誤差過(guò)大，兩次采集的時(shí)間間隔必須大于1 s。

2.2.3 甲醛傳感器

甲醛傳感器采用ZE08-CH2O型電化學(xué)甲醛模組，是鄭州煒盛電子科技有限公司生產(chǎn)的產(chǎn)品。該傳感器利用電化學(xué)原理對(duì)空氣中存在的甲烷進(jìn)行探測(cè)，穩(wěn)定性好，方便使用。內(nèi)部設(shè)計(jì)溫度傳感器可實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償功能，具有數(shù)字輸出和模擬輸出兩種方式。將系統(tǒng)的數(shù)字輸出與STM32單片機(jī)的串口3相連，量程為0～6.69 mg/m3，在0～50 ℃范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí)其分辨率未達(dá)到0.01 mg/m3。選用主動(dòng)上傳方式通信，每間隔1 s發(fā)送一組測(cè)量值，數(shù)據(jù)共為8位，其中1位起止位，氣體濃度位于Byte4（高位）和Byte5（低位），測(cè)量的氣體濃度值計(jì)算式如下：

氣體濃度值=氣體濃度高位×256+氣體濃度低位[7]

2.2.4 煙霧傳感器

本系統(tǒng)選用集多重優(yōu)勢(shì)于一身的MQ-2煙霧傳感器對(duì)煙霧濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。此傳感器的運(yùn)行電壓小于5 V，內(nèi)置有4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口，可實(shí)現(xiàn)雙路信號(hào)輸出[8]。MQ-2煙霧傳感器采用模擬量A0接口與A/D轉(zhuǎn)換器相連的方式輸出數(shù)字量，連接單片機(jī)的PA7口。

2.2.5 GSM通信模塊

GSM是全球移動(dòng)通信系統(tǒng)（Global System for Mobile communications，GSM）的簡(jiǎn)稱，是由歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)組織ETSI制定的一個(gè)數(shù)字移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)[10]，其最大優(yōu)勢(shì)在于支持短信與數(shù)字語(yǔ)音的高效傳送，在本系統(tǒng)中，GSM模塊的功能是把傳感器采集的信息發(fā)送至手機(jī)及電腦中[11]。

本套系統(tǒng)選用SIM900A無(wú)線通信模塊。此模塊由全球知名廠商芯訊通（SIMCom）自主研發(fā)與生產(chǎn)制造，它是一種GPRS通信模塊，同時(shí)具備GSM與GPRS這兩大模塊的通信功能，外觀精致，性能可靠。常見(jiàn)的SIM900A運(yùn)行頻率分別為900 MHz與1 800 MHz，采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口，與STM32單片機(jī)基于串口2相連并由此保持正常通信。SIM900A模塊內(nèi)置兩種專用TTL接口，可供3.3～5 V電壓的單片機(jī)使用。在連接之前，需將SIM900A的RXD與單片機(jī)的TXD相連，SIM900A的TXD與單片機(jī)的RXD相連，GND與單片機(jī)的GND相連[12]。SIM900A需接通5 V直流電源，接通后模塊會(huì)點(diǎn)亮D5與D6指示燈，模塊的工作狀態(tài)也可以通過(guò)兩個(gè)指示燈確定。

進(jìn)入AT狀態(tài)：將USB-232串口線與電腦連接，安裝驅(qū)動(dòng)程序。在計(jì)算機(jī)中找到設(shè)備管理器端口并點(diǎn)擊COM，配置串口助手，同步波特率定義為9 600，發(fā)送AT指令查看SIM900A的運(yùn)行狀態(tài)。GPRS模塊發(fā)送數(shù)據(jù)與GPRS配置分別見(jiàn)表1與表2所列。

3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

3.1 單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要為編寫的程序，用于控制系統(tǒng)各硬件做出指定動(dòng)作。各硬件之間相對(duì)獨(dú)立，軟件的模塊化特征愈加顯著。該系統(tǒng)由定時(shí)器程序模塊、溫度采集程序模塊、濕度采集程序模塊、煙霧濃度采集程序模塊、甲醛濃度采集程序模塊、SIM900A無(wú)線傳輸程序模塊、按鍵程序模塊組成。程序流程如圖3所示。

系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)會(huì)按照?qǐng)D3所示的流程進(jìn)行控制，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)連接成功后可通過(guò)按鍵1和按鍵2來(lái)控制系統(tǒng)狀態(tài)。按下按鍵1時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入監(jiān)測(cè)狀態(tài)，可對(duì)超過(guò)閾值的數(shù)據(jù)進(jìn)行報(bào)警;按下按鍵2，則系統(tǒng)退出檢測(cè)狀態(tài)。

3.2 通信協(xié)議

對(duì)于通信協(xié)議這一概念，具體指為實(shí)現(xiàn)正常通信或服務(wù)需雙方彼此共同遵循的制度與規(guī)定。在通信協(xié)議中，主要針對(duì)數(shù)據(jù)模塊使用的格式進(jìn)行了明確規(guī)定，同時(shí)要求信息單元的各項(xiàng)配置務(wù)必完整，唯有此才能保證數(shù)據(jù)的正常傳送[13]。本系統(tǒng)的無(wú)線傳輸功能需要將溫度、濕度、甲醛、煙霧傳感器測(cè)量的結(jié)果發(fā)送至電腦以及手機(jī)，這是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。

3.3 后臺(tái)軟件設(shè)計(jì)

后臺(tái)軟件的設(shè)計(jì)工具為L(zhǎng)abVIEW，利用此軟件設(shè)計(jì)上位機(jī)不僅能夠清晰顯示傳感器的測(cè)量結(jié)果，還可以利用其強(qiáng)大的運(yùn)算功能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的運(yùn)算處理[14]。

通過(guò)LabVIEW中自帶的TCP/IP通信組件實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)的數(shù)據(jù)連接，在降低復(fù)雜度的同時(shí)可確保網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性[15]。TCP服務(wù)器VI建立時(shí)，首先創(chuàng)建TCP偵聽器函數(shù)，接入服務(wù)名稱注冊(cè)的端口號(hào)，接出偵聽器ID與錯(cuò)誤輸出;接著創(chuàng)建讀取TCP數(shù)據(jù)函數(shù)，接入連接ID與錯(cuò)誤輸入，接出接連ID、數(shù)據(jù)輸出和錯(cuò)誤輸出;最后創(chuàng)建關(guān)閉TCP連接函數(shù)，接入連接ID與錯(cuò)誤輸入。在運(yùn)行之前，將預(yù)先在下位機(jī)設(shè)定好的端口號(hào)填入VI中便可啟動(dòng)TCP服務(wù)器[16]。

采用LabVIEW自帶的數(shù)值轉(zhuǎn)化模塊時(shí)，數(shù)據(jù)需輸出一個(gè)判斷語(yǔ)句，當(dāng)發(fā)送語(yǔ)句字節(jié)為48 B時(shí)進(jìn)入數(shù)據(jù)處理部分，采用自帶的讀取數(shù)據(jù)功能讀取下位機(jī)數(shù)據(jù)每行對(duì)應(yīng)字符串，截取每一行字符串中對(duì)應(yīng)的數(shù)值進(jìn)行數(shù)值判斷和數(shù)值分析[17]。

LabVIEW數(shù)據(jù)讀取與處理程序如圖4所示。

該后臺(tái)軟件實(shí)現(xiàn)了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控的功能，包括顯示采集的信息、處理信息等，顯示界面如圖5、圖6所示。

4 結(jié) 語(yǔ)

該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)控，盡管在設(shè)計(jì)時(shí)本系統(tǒng)的定位是室內(nèi)智能家居，但本系統(tǒng)也可以應(yīng)用于工廠、礦井、汽車、大棚等地[18]。通過(guò)GSM無(wú)線傳輸功能和LabVIEW的可視化以及數(shù)據(jù)處理功能實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)氣體環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)控，結(jié)合單片機(jī)控制報(bào)警等功能，本系統(tǒng)已能夠有效保證室內(nèi)氣體環(huán)境，較為人性化。本系統(tǒng)能夠優(yōu)化居住環(huán)境，有效降低成本，具有廣泛的應(yīng)用前景。

注：本文通訊作者為張宇。

參 考 文 獻(xiàn)

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