基于LabVIEW的船用氣囊群安全監測系統的設計

摘 要： 為了提高氣囊內壓監測效率，替代機械壓力表監測方法，提出并設計了一款基于無線網絡的船用氣囊安全監測系統。系統分為下位機和上位機兩個部分，下位機是基于ZigBee無線網絡的氣壓采集系統，上位機是PC機上基于LabVIEW的安全監測系統軟件。實現了氣壓數據的無線傳輸，下位機與上位機的串口通信，氣壓值的實時顯示，以及數據庫數據的管理。

關鍵詞： LabVIEW； 船用氣囊； VISA； LabSQL； 數據庫

中圖分類號： TN911.7?34； TP319 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）11?0100?03

0 引 言

船舶氣囊下水技術是我國獨創的，擁有自主知識產權的下水工藝[1]。相較于以往的下水工藝，氣囊下水是一種更為簡單、經濟的方式。從20世紀80年代開始，氣囊下水工藝已經在各種中小型船廠得到廣泛應用[2]，并且下水船舶的重量也逐年增大。隨著應用的推廣，以及下水船舶重量的不斷增大，船用氣囊的壓力監測顯得尤為重要[3?4]。

目前船用氣囊的壓力監測仍然采用傳統的機械式壓力表，而下水操作需要同時使用數十個甚至上百個氣囊，壓力監測工作的效率較低。為了提高氣囊內壓監測效率，設計開發了一套基于LabVIEW的船用氣囊安全監測系統，通過ZigBee無線網絡完成氣壓采集，并通過PC機上LabVIEW的安全監測系統軟件對監測數據進行管理。本文介紹的系統能夠實現氣囊內壓的實時監測、報警、數據管理等，大大提高了氣囊內壓監測的效率和操作安全性。

1 系統概述

該安全監測系統分為上位機和下位機兩大部分。下位機是基于ZigBee無線技術的氣囊內壓采集系統。將裝有壓力傳感器的采集節點裝在各個氣囊上，通過無線技術與采集器通信，將采集到的內壓傳輸到采集器中。上位機是基于LabVIEW的安全監測系統軟件，將內壓實時顯示出來，并對過載壓力報警。同時，LabVIEW與數據庫連通，將采集到的壓力等數據存儲到數據庫。

2 下位機部分的設計

ZigBee是一種短距離無線通信技術，具有低成本，低功耗，自組網等特點[5]。該系統的下位機部分是基于ZigBee的無線網絡，包括采集節點、中繼器和采集器三個部分。采集節點以CC2530芯片為微處理器，以MPX5700為氣體壓力傳感器的硬件設備，是該無線網絡中的終端，安裝在氣囊的氣嘴位置。采集節點將采集到的傳感器地址、編號、氣壓值等數據通過無線網絡發送給采集器。中繼器負責數據轉發，由采集節點的硬件設備通過軟件編程來實現[6]。采集節點距離較遠時，無法與采集器直接通信，采集節點的數據會通過相鄰的中繼器（采集節點）中轉給采集器。采集器是該網絡中的協調器，對接收的數據進行處理后，傳送給上位機。

3 上位機部分的設計

LabVIEW是一種圖形化編程語言，具有界面友好、操作簡便、開發周期短等特點[7]，廣泛應用于各個行業的仿真、數據采集、儀器控制、測量分析和數據顯示等方面。上位機是在該安全監測系統的操作界面，是現場操作人員遠程監測時使用的。因此，該系統的上位機部分是在PC機Windows操作系統下基于LabVIEW的安全監測系統軟件，包括串口調試、內壓的實時顯示、波形顯示、過載報警、數據庫存取等模塊。

3.1 串口通信模塊

VISA實質上就是一組標準的I/O函數庫及相關規范的總稱。它駐留于計算機系統之中執行儀器總線的特殊功能，起著連接計算機與儀器的作用[8]。VISA適用于VXI、GPIB、串口等多種接口。上位機軟件與下位機的采集器通過RS 232接口連接。該模塊就是以VISA庫函數為基礎的。

串口通信模塊是整個系統軟件的基礎。如圖2所示，VISA Configure Serial Port.vi首先運行，波特率、數據位數、奇偶校驗等根據下位機參數進行配置。之后調用VISA open，打開相應的串口VISA資源的會話。VISA read從串口讀入數據，待讀取的數據長度由屬性節點返回。讀取緩沖區的數據就是下位機發送過來，包含有傳感器地址、編號、氣壓值等數據的字符串。最后調用VISA Close關閉串口會話，釋放資源[7?8]。

3.2 實時顯示模塊

實時顯示模塊包含數據顯示、波形顯示、過載報警，是建立在串口通信模塊上的數據處理模塊，是整個系統軟件的重要部分。

該模塊是以串口通信模塊為基礎的，以VISA read的讀取緩存區為起點。從串口每隔10 s會有一個包含有傳感器地址、編號、氣壓值等數據的字符串發送過來。經過字符串截取等操作，能從字符串中分離出表示氣囊編號和壓力傳感器電壓值的子字符串。對這些子字符串做一系列的數值處理，將電壓值轉化為氣壓值，然后顯示在前面板上。對氣壓值和安全閾值進行比較得到報警結果。最后，將各個氣壓值與氣囊擺放位置對應顯示在波形圖上。

3.3 數據庫存取模塊

由于氣囊數量較多，數據量大，需要一個成熟的數據管理平臺來處理。因此，選用SQL Server數據庫軟件，實現大量數據的存儲、查詢等功能[9]。

LabVIEW本身沒有訪問數據庫的功能，目前常用的方法有：

（1）利用NI公司提供的附加工具包SQLToolkit進行訪問；

（2）利用LabVIEW中的ActiveX功能，調用Microsoft ADO控件，通過SQL語言實現數據庫訪問；

（3）利用其他語言（如Visual C++）編寫DLL程序訪問數據庫；

（4）利用第三方提供的LabSQL工具包實現訪問[10]。

第一種方法中的工具包需要購買，第二種方法中要求精通SQL語言，第三種方法的工作量較大，而第四種方法中的LabSQL是一個免費工具包，使用方便。本系統采用的就是第四種方法。

LabSQL是一個基于Microsoft ADO和SQL的LabVIEW數據庫訪問工具包，支持Windows操作系統中任何基于OBDC的數據庫，如Access、SQL server或Oracle等。它將復雜的底層ADO與SQL操作封裝成一個個子VI，因此對開發者的SQL語言熟練程度要求不高[11]。

首先安裝LabSQL，將LabSQL壓縮包解壓到LabVIEW安裝目錄下的user.lib文件中。在LabVIEW中安裝完LabSQL工具包之后，還需要對LabSQL進行配置，即在Windows操作系統的ODBC數據源中創建一個DSN，命名為mydb。LabVIEW與數據庫的連接就是建立在ODBC基礎之上的[12]。

數據庫存取模塊包括兩個部分，數據寫入和數據查詢。數據庫數據寫入是該模塊的基礎。首先要在數據庫中新建一個名為mydb數據庫，在該數據庫下創建一個名為Table_1的表。

數據庫寫入程序框圖如圖3所示，其中ADO Connection Creat.vi用于創建一個connection對象，ADO Connection Open.vi用于建立與數據庫的連接，字符串“DSN=mydb”用于指定數據源。ADO SQL Execute.vi用于執行數據寫入命令，最后用ADO Connection Close.vi 關閉與數據庫之間的連接[13]。圖示程序可以實現時間、氣囊編號、氣壓值和報警情況的存儲。

4 結 語

本文介紹了一個氣囊內壓安全監測系統的設計。該設計通過ZigBee技術實現內壓數據的無線傳輸，通過RS 232實現上位機和下位機之間的通信。硬件系統以CC2530芯片為微處理器，以MPX5700為氣體壓力傳感器，實現了具有低功耗、低成本、自組網等特點的無線傳輸網絡。軟件系統基于LabVIEW，并與數據庫連接，實現數據寫入與查詢、實時顯示、過載報警等功能。經實驗表明，該系統運行穩定，界面友好，很好地替代了機械壓力表的測量系統，提高了測量效率，值得推廣。

參考文獻

[1] 孫菊香.船舶氣囊下水技術綜述[J].中國修船，2010，23（6）：42?46.

[2] 孫菊香，朱珉虎.大型船舶采用氣囊上下水工藝安全對策研究[J].中國修船，2007，20（5）：31?35.

[3] 錢少明，程國標，胡夏夏.船舶氣囊下水過程中氣囊動態壓力測試與研究[J].液壓與氣動，2009（1）：38?40.

[4] 任慧龍，李陳峰，陳占陽.船舶氣囊下水安全性評估方法研究[J].中國造船，2009，50（4）：53?60.

[5]高守瑋，吳燦陽.ZigBee技術實踐教程：基于CC2430/31的無線傳感器[M].北京：北京航空航天大學出版社，2009.

[6] 李文仲，段朝玉.ZigBee 2006無線網絡與無線定位實戰[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008.

[7] 陳錫輝，張銀鴻.LabVIEW 8.20程序設計從入門到精通[M].北京：清華大學出版社，2007.

[8] 張桐，陳國順，王正林.精通LabVIEW程序設計[M].北京：電子工業出版社，2008.

[9] 衛琳.SQL Server 2008數據庫應用與開發教程[M].2版.北京：清華大學出版社，2011.

[10] 姜昊，張方，姜金輝.利用LabSQL實現對數據庫的訪問[J].電子測量技術，2008，31（12）：70?73.

[11] 劉翔宇，陳曾漢.利用LabSQL實現對遠程數據庫的訪問[J].測控技術，2008，27（6）：68?72.

[12] 文皓，南金瑞，董小瑞.動態網站連接數據庫方法應用于LabVIEW的研究[J].化工自動化及儀表，2010，37（8）：98?100.

[13] 吉順祥，劉旺鎖，宋曉婷.基于LabVIEW的數據庫訪問技術[J].航海工程，2007，36（3）：125?128.