衡陽師范學(xué)院物理與電子工程學(xué)院 王文靜 陳列尊 唐建鋒 李志強(qiáng) 謝宇希

基于虛擬儀器技術(shù)的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

衡陽師范學(xué)院物理與電子工程學(xué)院 王文靜 陳列尊 唐建鋒 李志強(qiáng) 謝宇希

隨著人們生活水平的提高，室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)作為智能家居的構(gòu)成部分，已經(jīng)受到越來越多的關(guān)注和重視。虛擬儀器技術(shù)將儀器和計算機(jī)進(jìn)行了結(jié)合，采用通用的硬件模塊，并充分發(fā)揮了計算機(jī)強(qiáng)大的處理功能。本文提出了利用虛擬儀器技術(shù)設(shè)計了一個室內(nèi)環(huán)境自動監(jiān)測系統(tǒng)，主要采集了室內(nèi)溫度、濕度等數(shù)據(jù)，在軟件平臺實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的顯示、存儲、分析以及歷史數(shù)據(jù)讀取、自動控制、報警等功能，具有廣闊的推廣空間和廣泛的應(yīng)用價值。

室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測；虛擬儀器技術(shù)；系統(tǒng)設(shè)計

1. 引言

隨著社會的飛速發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，室內(nèi)居住環(huán)境直接影響著人們的生活質(zhì)量和身心健康，因此人們對室內(nèi)環(huán)境的要求也越來越高［1］。室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)是智能家居的重要組成部分，在國內(nèi)和國外的現(xiàn)代化小區(qū)建設(shè)中所發(fā)揮的作用已經(jīng)越來越重要。以現(xiàn)代測量技術(shù)為基礎(chǔ)的環(huán)境監(jiān)測技術(shù)可對各種環(huán)境參數(shù)進(jìn)行測量與分析，是研究環(huán)境質(zhì)量變化趨勢的重要手段和環(huán)境保護(hù)的基礎(chǔ)［2］。

虛擬儀器技術(shù)將高性能的模塊化硬件和高效靈活的軟件相結(jié)合以用于自動化的測試、測量領(lǐng)域，克服了傳統(tǒng)儀器功能固定只能由廠家定義的缺點，具有靈活性高、費用低、使用周期長、更新快和可重復(fù)利用等優(yōu)點［3］。與傳統(tǒng)儀器相比較，虛擬儀器可以根據(jù)不同的用戶需求來構(gòu)建測試測量系統(tǒng)，不僅可以減少系統(tǒng)的維護(hù)費用和開發(fā)時間，而且開發(fā)出來的系統(tǒng)還具更可靠的質(zhì)量和有更強(qiáng)的功能［4-5］。本文提出了基于虛擬儀器技術(shù)的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計這一方法，首先通過采集卡將采集的溫濕度數(shù)據(jù)傳送到計算機(jī)，然后利用虛擬儀器開發(fā)軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示存儲、歷史數(shù)據(jù)讀取、超限報警、自動控制和網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測等功能。

2. 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于虛擬儀器技術(shù)的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示，主要包括采集溫濕度等數(shù)據(jù)的傳感變送器、USB采集卡、計算機(jī)、Labview軟件檢測平臺四個部分。首先利用溫濕度傳感器模塊檢測外界環(huán)境的信號，接收到的信號經(jīng)過調(diào)理之后被DAQ采集卡采集，然后在計算機(jī)上經(jīng)過數(shù)據(jù)處理之后，接著在計算機(jī)虛擬儀器編程面板上，對采集到的溫度和濕度進(jìn)行分析、處理和判斷，當(dāng)溫度和濕度超過或者低于設(shè)定溫度和濕度時，系統(tǒng)指示燈亮起并且發(fā)出報警的聲音，另外還要對采集到的信號進(jìn)行實時顯示、保存記錄、報警歷史記錄與清除等功能。

圖1 硬件系統(tǒng)的設(shè)計圖

3. 系統(tǒng)硬件平臺的搭建

3.1溫濕度傳感器

系統(tǒng)使用DHT111傳感器將室內(nèi)環(huán)境中的待測信息轉(zhuǎn)化為電量。DHT111傳感器具有將校準(zhǔn)的數(shù)字信號輸出的功能，主要應(yīng)用溫濕度傳感技術(shù)和專用的數(shù)字模塊采集計數(shù)，具有極高的穩(wěn)定性。該傳感器主要由電阻式感濕元件和測溫元件兩部分組成，采集的溫度范圍為0℃-50℃，誤差為+-2℃，濕度測量范圍為20%-95%，誤差為+-5%，工作電壓為3.3V-5V。

3.2數(shù)據(jù)采集卡

USB采集卡采用USB-6009數(shù)據(jù)采集來傳送信號。該采集卡包含十二個數(shù)字輸入/輸出通道，兩個單端模擬輸出口和兩個模擬輸入口。該系統(tǒng)需要用到采集卡的4個端口，分別為+5V電源端、接地端和兩個模擬輸入端。分別將溫濕度信號接到兩個模擬輸入端，通過采集卡的虛擬測試面板檢測輸入的電壓信號。USB-6009體積小易于攜帶，采用USB直插式接口易于使用，具有價格低、功能優(yōu)、實踐性強(qiáng)的特點。

4. 系統(tǒng)軟件平臺搭建

對于軟件設(shè)計平臺采用LabVIWE 2013進(jìn)行編寫，其系統(tǒng)軟件平臺設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，主要包括系統(tǒng)登陸模塊、參數(shù)設(shè)置模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、歷史數(shù)據(jù)管理模塊、以及網(wǎng)絡(luò)發(fā)布等幾部分組成。

圖2 系統(tǒng)軟件平臺設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖

4.1系統(tǒng)登陸

系統(tǒng)登陸部分主要包括登陸、注冊和退出登陸四個部分。通過注冊產(chǎn)生正確的用戶名和密碼，程序運行時，用戶必須輸入正確的用戶名與密碼才能進(jìn)入其他操作界面，否則就會彈錯誤信息，系統(tǒng)登陸失敗，程序?qū)⑼Ｖ惯\行。

4.2參數(shù)設(shè)置模塊

參數(shù)設(shè)置模塊主要是對系統(tǒng)的采集配置、報警參數(shù)、數(shù)據(jù)庫等的進(jìn)行設(shè)置。在采集卡采集信號之前第一步需要對采集卡的模擬通道初始化，并設(shè)置采集卡的采集方式為多緩沖方式。本室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的采集配置主要是對采集卡類型、數(shù)據(jù)端口、總的緩沖區(qū)的數(shù)目、采樣頻率、每個緩沖區(qū)采樣點數(shù)、通道個數(shù)等參數(shù)進(jìn)行選擇和設(shè)置。信號的采樣時間和采樣點數(shù)就可以從這些設(shè)置的參數(shù)中計算得到。報警參數(shù)主要設(shè)置報警溫濕度的上下限，當(dāng)溫濕度超過設(shè)定值時，在超限報警模塊將會發(fā)生報警。數(shù)據(jù)庫主要對數(shù)據(jù)庫位置、名稱、數(shù)據(jù)存儲類型、是否啟用數(shù)據(jù)庫等進(jìn)行選擇和設(shè)置。參數(shù)設(shè)置模塊的正確設(shè)置是程序得以正確運行的先決條件，因此在設(shè)置參數(shù)時一定要考慮到實際應(yīng)用情況以及各個模塊的參數(shù)設(shè)置原因和需求。

4.3數(shù)據(jù)采集模塊

該模塊主要是將溫濕信號轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的數(shù)字量且傳送到計算機(jī)進(jìn)行處理的過程。該模塊首先需要下載安裝NI-DAQmx軟件。NIDAQmx是基于Windows系統(tǒng)和Linux系統(tǒng)的高性能多線程的驅(qū)動軟件，具有效率快、性能優(yōu)的特點。在驅(qū)動程序安裝完成之后，需要對研究中采用的NI USB-6009進(jìn)行相應(yīng)的配置，然后利用DAQ助手讀取相應(yīng)IO口的數(shù)據(jù)。

對于讀取到的數(shù)據(jù)，在虛擬儀器的面板上通過數(shù)值和曲線兩種形式顯示出來，以讓使用者更直觀和方便的觀察即時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)。為了更好的體現(xiàn)出人機(jī)交互性，引入了溫度計和儀表等控件來直接顯示溫度數(shù)據(jù)。

溫濕度上下限的報警指示燈以及系統(tǒng)指示燈均采用布爾顯示控件中的圓形指示燈，若沒有報警的時候正常顯示，若報警則相應(yīng)指示燈變成紅色。其次就是溫濕度上下限的設(shè)置，均采用銀色控件中的數(shù)值輸入控件，利用這些來設(shè)置溫度和濕度監(jiān)測范圍，若超過設(shè)定的范圍，則相應(yīng)的指示燈會變紅色。還有系統(tǒng)時間的設(shè)置，溫濕度數(shù)據(jù)存儲的文件位置以及開關(guān)控制模塊，開關(guān)控制主要用來控制停止采集、停止報警和是否清除歷史報警。

4.4歷史數(shù)據(jù)管理模塊

為了將測量結(jié)果保存起來，方便對歷史數(shù)據(jù)的查詢與打印，將采集的溫度、濕度、采集時間等數(shù)據(jù)保存在Excel表格中，通過讀取Excel表格就可顯示出某一時刻或者某一階段的歷史數(shù)據(jù)。

在labview程序框圖中，選用函數(shù)中文件IO里面的寫入電子表格文件節(jié)點，并且選擇文件存儲文件夾，設(shè)置文件名，在對應(yīng)文件夾下面會自動生成一個.xls文件［6］。將數(shù)據(jù)采集卡采集到的所有溫濕度數(shù)據(jù)以及采集時間都保存再該文件中。該方法可自動生成并保存數(shù)據(jù)文件，不僅節(jié)約了用戶時間，也減少了繁瑣的操作步驟，為用戶提供了方便。

4.5網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測模塊

本模塊利用LabVIEW中的TCP/IP節(jié)點，采用TCP/IP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓ぷ鞣椒?，來實現(xiàn)局域網(wǎng)通訊，完成數(shù)據(jù)的傳輸與監(jiān)測。再TCP通訊中，將一端設(shè)定為客戶端，一端設(shè)定為服務(wù)端。這樣的話，在程序運行時，服務(wù)端不斷幀聽，若有客戶端連接時建立連接，若連接上進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送和接收處理，若沒連接上就會出現(xiàn)報錯提示，并不斷的進(jìn)行連接。

5. 結(jié)束語

本文以溫度和濕度為例設(shè)計了一個室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，在硬件方面利用DHT111傳感器將室內(nèi)環(huán)境中的待測信息轉(zhuǎn)化為電量，通過USB 6009將數(shù)據(jù)傳送到計算機(jī)進(jìn)行處理。在軟件方面，通過LabVIEW 2013建立監(jiān)測平臺，首先利用DAQ助手讀取采集卡，然后對采集后的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析、顯示和存儲，當(dāng)溫度超過上下限時進(jìn)行報警。為了提高人機(jī)交互性，設(shè)計了登陸界面、表盤顯示、波形顯示、excel自動保存讀取、TCP通訊等功能。該方法不僅具有人機(jī)交互性強(qiáng)、操作方便，可靠性高等特點，還可以進(jìn)一步拓展功能，如在以后的研究中加入CO2濃度、粉塵濃度等環(huán)境因素的監(jiān)測。

［1］郝光健.基于Labview和單片機(jī)的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計［D］.山東：山東農(nóng)業(yè)大學(xué)，2014.

［2］任立全，張永堅，陳梅.基于虛擬儀器技術(shù)的室內(nèi)環(huán)境智能檢測系統(tǒng)［A］.中國儀器儀表與測控技術(shù)交流大會論文集，2007.

［3］劉萍，曹慧，邱鵬.虛擬儀器的發(fā)展過程及應(yīng)用［J］.山東科學(xué)，2009，22（1）：80-83.

［4］王娟，夏承遺，孫穎，等.基于虛擬儀器技術(shù)的溫濕度測量系統(tǒng)［J］.儀器儀表用戶，2004，11（6）：42-43.

［5］李文芳，李海霞.基于LabVIEW的溫度采集報警系統(tǒng)［J］.電子設(shè)計工程，2015，23（5）：71-73.

［6］陳錫輝，張銀鴻.LabVIEW 8.20程序設(shè)計從入門到精通［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2007.

王文靜（1988-），女，助教，研究方向：計算機(jī)視覺與圖像處理。

衡陽師范學(xué)院基金青年項目“基于虛擬儀器技術(shù)的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計（14A05）”；衡陽師范學(xué)院省級平臺開放基金項目“基于機(jī)器視覺的生物幼苗數(shù)量估計（GD15K08）”；衡陽師范學(xué)院南岳學(xué)院院級教學(xué)改革研究項目“基于大學(xué)生電子設(shè)計競賽的模擬電子技術(shù)課程實踐教學(xué)改革研究（NJY201505）”。