基于LabVIEW的互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控的倉(cāng)儲(chǔ)溫濕度控制

鐘灼棋，彭祝亮，丘永洪

(1.超視堺國(guó)際科技（廣州）有限公司，廣東廣州，510000；2.廣東省交通城建技師學(xué)院，廣東佛山，528000；3.珠海維爾康生物科技有限公司，廣東珠海，519000)

0 引言

倉(cāng)儲(chǔ)是存放物品的重要場(chǎng)所，倉(cāng)儲(chǔ)的溫濕度對(duì)存放貨物的影響非常大，如果是高溫高濕的環(huán)境，倉(cāng)儲(chǔ)會(huì)產(chǎn)生霉菌和一些害蟲，倉(cāng)儲(chǔ)存放的物品也會(huì)損壞。隨著工業(yè)的發(fā)展，各行各業(yè)也越來(lái)越重視產(chǎn)品和物品的倉(cāng)儲(chǔ)保存環(huán)節(jié)，有些倉(cāng)儲(chǔ)存放的物質(zhì)受溫濕度環(huán)境影響特別大：如糧食、煙葉、藥材和食品等。為了維護(hù)和保證倉(cāng)儲(chǔ)存放商品的完好率，必須建立基于LabVIEW的互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控的倉(cāng)儲(chǔ)溫濕度控制，使倉(cāng)儲(chǔ)的溫度保持在6-20℃，濕度為25%-50%為宜。因此，倉(cāng)儲(chǔ)的溫濕度是倉(cāng)儲(chǔ)存放物品質(zhì)量的一項(xiàng)重要環(huán)境因素指標(biāo)，良好的溫濕度環(huán)境能保證商品的使用時(shí)間與性能，對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)的溫濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)、互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理顯得非常重要。

1 基于LabVIEW的互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控的倉(cāng)儲(chǔ)溫濕度控制系統(tǒng)

采用數(shù)字式的溫度傳感器DS1820和濕度傳感器HS1101,接入單片機(jī)AT89S51對(duì)存放物品的倉(cāng)儲(chǔ)進(jìn)行溫濕度測(cè)量與控制，再通過(guò)“USB6009”模數(shù)采集模塊及其通信接口將倉(cāng)儲(chǔ)溫濕度數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)，并將溫濕度通過(guò)LabVIEW 2014軟件進(jìn)行溫濕度實(shí)時(shí)監(jiān)控，當(dāng)監(jiān)控的溫濕度數(shù)據(jù)超過(guò)上限或者小于下限，監(jiān)控者可以通過(guò)上位機(jī)的基于LabVIEW的互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控軟件向下位機(jī)設(shè)備發(fā)出電信號(hào)控制風(fēng)扇運(yùn)行降溫或者用加熱器提高溫度；保持倉(cāng)儲(chǔ)庫(kù)房溫濕度在合適的范圍。上位機(jī)PC機(jī)用LabVIEW軟件進(jìn)行圖形編程、控制、監(jiān)控與實(shí)時(shí)顯示等；利用DataSocket技術(shù)與服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,借助Web服務(wù)器完成網(wǎng)頁(yè)發(fā)布，以實(shí)現(xiàn)用戶通過(guò)瀏覽器遠(yuǎn)程完成倉(cāng)庫(kù)溫濕度的測(cè)量、顯示和控制，將倉(cāng)庫(kù)測(cè)量、顯示和控制應(yīng)用范圍拓展到整個(gè)Internet網(wǎng)上，如圖1所示。

圖1 基于LabVIEW的互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控的倉(cāng)儲(chǔ)溫濕度控制框圖

2 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)與組成

基于LabVIEW的互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控的倉(cāng)儲(chǔ)溫濕度控制總共有三部分組成：第一部分是單片機(jī)AT89S51的最小系統(tǒng)電路組成；第二部分是溫濕度傳感器通過(guò)單片機(jī)控制檢測(cè)倉(cāng)儲(chǔ)溫濕度電路組成；第三部分是通過(guò)“USB6009”模數(shù)采集模塊及其通信接口將倉(cāng)儲(chǔ)溫濕度數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、利用DataSocket技術(shù)與服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,借助Web服務(wù)器完成網(wǎng)頁(yè)發(fā)布，形成遠(yuǎn)程檢測(cè)與控制。

■2.1 AT89S51單片機(jī)最小控制系統(tǒng)電路組成

單片機(jī)最小控制系統(tǒng)電路組成如圖2所示：由AT89S51單片機(jī)、外接復(fù)位電路和晶振電路組成。AT89S51單片機(jī)的功耗低、性能高的CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含有4K Bytes ISP的可反復(fù)擦寫1000次的Fiash只讀程序存儲(chǔ)器，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲(chǔ)單元，40引腳的雙列直插芯片，有P0、P1、P2、P3四個(gè)I/O口，都能夠獨(dú)立作為輸入或者輸出，故AT89S51單片機(jī)在眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。

圖2 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路

■2.2 溫濕度傳感器檢測(cè)電路

如圖3所示，用單總線的數(shù)字溫度傳感器與單片機(jī)的P1.0連接，用單總線協(xié)議與AT89S51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)通信，單總線協(xié)議是采用單根信號(hào)線，可以傳輸時(shí)鐘，也可以傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸是雙向的，其測(cè)量線路簡(jiǎn)單，R4是上拉電阻，溫度信號(hào)通過(guò)單片機(jī)的P1.0輸入。

濕度傳感器HS1101的參數(shù)要求如下：測(cè)量濕度范圍3～99%RH，廣州電壓范圍Ucc=+3.5V～+12V,恢復(fù)時(shí)間10S，濕度遲滯±1.5%RH，響應(yīng)時(shí)間10S，線性度±1%RH。廣泛應(yīng)用于辦公場(chǎng)所、車廂空氣質(zhì)量、倉(cāng)儲(chǔ)空氣質(zhì)量和工業(yè)控制系統(tǒng)等。

將濕度傳感器HS1101接到NE555時(shí)集集成芯片的6腳輸入，NE555時(shí)集集成芯片的外接元器件參數(shù)為：R1=1K，R2=499K，R3=576K，R4=909K。其中R1起短路保護(hù)作用，R4起NE555時(shí)集集成芯片的內(nèi)部溫度補(bǔ)償作用，NE555的輸出腳3經(jīng)過(guò)R1與ADC0809的IN0通道連接，ADC0809芯片的地址選通為DDR0，ADDR1，ADDR2都接地。ADC0809的轉(zhuǎn)換時(shí)鐘由單片機(jī)的ALE提供。ADC0809的典型轉(zhuǎn)換頻率為640kHz，ALE信號(hào)頻率與晶振頻率有關(guān)，如果晶振頻率取12MHz，則ALE的頻率為2MHz，所以ADC0809的時(shí)鐘端CLK與單片機(jī)的ALE端相接時(shí)，要考慮分頻。AT89S51單片機(jī)通過(guò)地址線P2.0和讀寫控制線、來(lái)控制模擬輸入通常地址鎖存、啟動(dòng)和輸出允許。

■2.3 繼電器控制電路

圖3 溫濕度傳感器與AT89S51單片機(jī)連接電路

如圖4所示，當(dāng)監(jiān)控者在PC機(jī)上看到倉(cāng)儲(chǔ)溫度大于上限溫度或者小于下限溫度時(shí)，AT89S51單片機(jī)的P0.0輸出低電平，三極管Q1導(dǎo)通及其集電極的電平成為高電平，繼電器K1得電，常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，接通蜂鳴器、風(fēng)扇或者加熱器的電源，讓這些設(shè)備工作使倉(cāng)儲(chǔ)溫度達(dá)到合適的范圍。當(dāng)監(jiān)控者在PC機(jī)上看到倉(cāng)儲(chǔ)濕度大于上限溫度或者小于下限溫度時(shí)，AT89S51單片機(jī)的P0.1輸出低電平，三極管Q2導(dǎo)通及其集電極的電平成為高電平，繼電器K2得電，常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，接通抽濕器與蜂鳴器的電源，讓這些設(shè)備工作使倉(cāng)儲(chǔ)濕度達(dá)到合適的范圍。如果監(jiān)控到PC機(jī)上看到倉(cāng)儲(chǔ)溫濕度在合適的范圍，AT89S51單片機(jī)的P0.0、P0.1輸出高電平，三極管Q1、Q2都不能工作，從而使繼電器K1、K2不能得電。

圖4 繼電器控制模塊的電路設(shè)計(jì)電路

■2.4 USB-6009數(shù)據(jù)采集電路

NI USB-6009數(shù)據(jù)采集模塊是即插即用的USB接口，電壓范圍：0-5V，有8個(gè)模擬量輸入通道，采樣速率48位KS/s，2個(gè)模擬輸出通道，采樣速率48位KS/s，12個(gè)數(shù)字量輸入/輸出通道，1個(gè)32位的5Hz的頻率輸入通道。將AT89S51單片機(jī)控制的溫度電壓信號(hào)接入U(xiǎn)SB-6009數(shù)據(jù)采集模塊的AI_0+與GND，單端輸入方式，將AT89S51單片機(jī)控制的濕度電壓信號(hào)接入U(xiǎn)SB-6009數(shù)據(jù)采集模塊的AI_1+與GND，單端輸入方式，將倉(cāng)儲(chǔ)溫濕度數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)，并將溫濕度通過(guò)LabVIEW 2014軟件進(jìn)行溫濕度實(shí)時(shí)的互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控，如發(fā)現(xiàn)溫濕度異常，可以通過(guò)USB-6009數(shù)據(jù)采集模塊的AO_0與GND輸出電壓，使繼電器K1得電，風(fēng)扇或者加熱器工作，通過(guò)USB-6009數(shù)據(jù)采集模塊的AO_1與GND輸出電壓使繼電器K2得電，抽濕器工作。

圖5 USB-6009數(shù)據(jù)采集模塊的接線圖

3 控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

■3.1 倉(cāng)儲(chǔ)溫濕度程序設(shè)計(jì)

倉(cāng)儲(chǔ)溫度使用單總線接口的溫度傳感器DS18B20進(jìn)行測(cè)量，在倉(cāng)儲(chǔ)的上、中、下和東、西、南、北處均放置溫度傳感器DS18B20和濕度傳感器HS1101進(jìn)行溫濕度采樣測(cè)量，溫度傳感器DS18B20有嚴(yán)格的通信協(xié)議保證各位數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和完整性，該協(xié)議定義了幾種信號(hào)的時(shí)序：初始化時(shí)序、讀時(shí)序和寫時(shí)序。濕度傳感器HS1101測(cè)量設(shè)計(jì)包括：讀濕度子程序、濕度轉(zhuǎn)換子程序、計(jì)算濕度子程序等。溫濕度測(cè)量設(shè)計(jì)流程圖如圖6所示。

圖6 倉(cāng)儲(chǔ)溫濕度檢測(cè)程序流程框圖

■3.2 互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控溫濕度測(cè)量與控制程序設(shè)計(jì)

LabVIEW是目前發(fā)展最快、功能最強(qiáng)大的圖形化編程軟件開(kāi)發(fā)集成環(huán)境，被看成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代科技的各個(gè)領(lǐng)域。提供了大量的工具與函數(shù)用于數(shù)據(jù)采集、分析、顯示和存儲(chǔ)。使得用戶可以完成從數(shù)據(jù)采集到分析、顯示和存儲(chǔ)的自動(dòng)化測(cè)試測(cè)量系統(tǒng)。通過(guò)LabVIEW的DataSocket技術(shù)、VI服務(wù)器和Web服務(wù)器技術(shù)等，簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)之間尤其是現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的交換。

AT89S51單片機(jī)檢測(cè)到倉(cāng)儲(chǔ)的溫濕度通過(guò)USB-6009數(shù)據(jù)采集模塊連接到PC機(jī)上，通過(guò)PC機(jī)的LabVIEW 2014軟件圖形編程后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，圖形界面清晰、直觀，監(jiān)控者可以看到倉(cāng)儲(chǔ)溫濕度的變化過(guò)程。如圖7、8所示，利用DataSocket技術(shù)與服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互、能夠向遠(yuǎn)程的監(jiān)控者發(fā)數(shù)據(jù)和接收控制命令。實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控的倉(cāng)儲(chǔ)溫濕度監(jiān)控，達(dá)到實(shí)時(shí)控制、精準(zhǔn)管理，實(shí)現(xiàn)倉(cāng)儲(chǔ)管理的智能控制決策。

圖7 倉(cāng)儲(chǔ)溫濕度遠(yuǎn)程監(jiān)控服務(wù)器程序

圖8 倉(cāng)儲(chǔ)溫濕度遠(yuǎn)程監(jiān)控客戶端程序

“基于LabVIE的互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控的倉(cāng)儲(chǔ)溫濕度控制”可以推廣到圖書館、礦井、蔬菜大棚和住宅小區(qū)等，在倉(cāng)儲(chǔ)合適的位置放置溫濕度傳感器進(jìn)行測(cè)量，利用AT89S51單片機(jī)、USB-6009數(shù)據(jù)采集模塊、LabVIEW 2014軟件和DataSocket技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)24小時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控的倉(cāng)儲(chǔ)溫濕度監(jiān)控，達(dá)到實(shí)時(shí)控制、精準(zhǔn)管理，實(shí)現(xiàn)倉(cāng)儲(chǔ)管理的智能控制決策。