基于LabVIEW的嬰兒培養箱溫濕度檢測系統

李 軍，曾志平，張 雯，王耀弘，陳里里

(1.重慶交通大學機電與汽車工程學院，重慶 400074;2.重慶市計量質量檢測研究院，重慶 401147)

嬰兒培養箱是綜合了臨床醫學、機械、自動控制等學科先進技術的裝置，它為早產兒或病嬰提供了一個空氣凈化、溫濕度適宜、類似母體子宮的優良環境。它必須是一個能為嬰兒提供溫度恒定、濕度適宜、空氣潔凈、環境安靜等較理想環境因素的診療場所［1］，是醫療機構質量控制和計量部門重點監控的檢測項目。

作為評價嬰兒培養箱環境優劣的重要指標，溫濕度參數的檢測是嬰兒培養箱質量控制檢測的重要一環。而目前嬰兒培養箱溫濕度測控系統大多基于智能儀器技術構建，其功能模塊基本以硬件方式實現。以該方式構建的系統存在諸如面板復雜、不便操作、測試設備容易受測試環境影響等問題，從而影響測量精度與準確度［2－3］。鑒于這些因素，結合虛擬儀器界面人性化、功能可自定、顯示圖形化等特點，本文設計了基于LabVIEW的嬰兒培養箱溫濕度檢測系統。

1 設計要求

根據嬰兒培養箱的技術以及項目建議書的要求，完成嬰兒培養箱溫濕度各項指標的檢測。操作界面采用LabVIEW 2009圖形可視化開發平臺，具有直觀的用戶操作界面，用戶可根據界面提示完成相關操作以及檢測系統的數據采集、處理、存儲和結果輸出等工作。

1.1 溫度設計要求

設備溫度測量范圍:0～50℃;測量溫度最大允許誤差:±0.15℃;測量溫度探頭的相對誤差:≤0.1℃;溫度測量的擴展不確定度:＜0.12℃。

1.2 濕度設計要求

相對濕度測量范圍:0～100%RH;相對濕度最大允許誤差:±3.0%RH;相對濕度測量的擴展不確定度:＜2.0%。

2 硬件設計

本文設計必須符合嬰兒培養箱安全專用要求等國家標準和醫藥行業標準要求。在設計過程中主要參照了 JJF1260—2010嬰兒培養箱校準規范［4］和 GB11243—2008嬰兒培養箱安全專用要求［5］等標準體系，結合項目研究與開發任務要求，完成檢測系統的硬件設計。

2.1 溫濕度檢測系統硬件設計

基于LabVIEW的嬰兒培養箱溫濕度檢測系統硬件主要由溫濕度傳感器、溫濕度變送器、溫濕度數據傳輸線路等部分組成。其中溫濕度傳感器采用SHT10數字溫濕度傳感器，集溫度與濕度采集于一體，相對濕度工作范圍為0～100%RH，溫度工作范圍為－40～+125℃，且滿足設計要求［6］。溫濕度變送器采用FLEX 2000溫濕度變送器，精度為±0.3℃，±2%RH。硬件系統基本結構見圖1。

圖1 硬件系統基本結構

2.2 數據傳輸系統

數據傳輸系統由數據采集、數據轉換、數據傳輸串口轉換、程序讀取數據等模塊組成。圖1中的RS485－RS232、RS232－USB設計旨在實現傳輸串口轉換。前端部分與溫濕度傳感器、溫濕度變送器、傳輸串口轉換模塊組成系統的檢測部分;后端與計算機、數據讀取與存儲程序、顯示器等部分組成系統的顯示部分。

數據的讀取主要由LabVIEW對通過RS485串口轉換為RS232串口傳輸的數據進行編譯讀取。溫濕度傳感器采集的數據經過溫濕度變送器的前期處理，采用Modbus傳輸協議，經過RS485串口，再通過RS485轉RS232的轉換器，最終由LabVIEW 程序讀取并顯示出來［7－9］。

3 軟件設計

采用LabVIEW 2009可視化開發系統，使用圖形編輯器產生最優化編輯代碼，利用應用程序生成器產生一個虛擬儀器，生成直觀的用戶界面，且所采集的信號具有多種顯示模式［10］。本系統用戶界面包括溫、濕度數據以及溫、濕度的變化曲線，且將采集的溫、濕度數據輸出并保存，同時對測量得到的溫、濕度參數進行相關指標的計算以驗證系統的可靠性與檢測精度。圖2為基于Lab-VIEW軟件開發平臺設計的嬰兒培養箱的軟件系統基本結構。

圖2 軟件系統基本結構

通信與數據采集是實現溫濕度測試的重要組成部分，它包括:系統總線初始化模塊、虛擬儀器測試參數設置模塊和數據采集模塊。在LabVIEW開發平臺上，經過數據處理子程序、溫濕度顯示子程序可輸出系統實時采集的溫濕度信號，同時實時輸出溫度、濕度的變化曲線［10－11］。程序框圖與顯示面板設計見圖3～5。

圖3 系統程序框圖(1)

圖4 系統程序框圖(2)

圖5 系統顯示面板

圖3主要實現對系統串口的配置以及對寄存器數據的讀取;圖4主要對寄存器讀取的數據進行處理和存儲。

本系統只涉及對嬰兒培養箱環境的檢測，而未涉及對環境參數的控制，故在顯示面板設計方面只考慮了溫濕度數據的實時顯示與變化曲線的顯示。另外，由于FLEX2000除了具有測量溫濕度的功能以外，還具有測量露點的功能，所以在顯示面板的設計中增加了對露點的顯示。

4 系統檢驗測試與調試

根據項目建議書的要求，系統進行如下參數的測定，并根據測試結果進行調試:

1)測量溫度最大誤差;

2)測量溫度探頭的相對誤差;

3)溫度測量的擴展不確定度;

4)相對濕度最大誤差;

5)相對濕度測量的擴展不確定度。

本系統在檢驗測試過程中對在多個溫度和濕度下的性能進行了組合測量，每一組合測量10組數據。在數據測量過程中，每隔1 min讀取一次儀器標準值，且與系統測量值進行比較。由于數據繁多，組合測量得到的數據未逐一列于本文中。表1為在重慶市質量計量檢測研究院溫濕度標準檢測設備上進行系統性能測試得到的其中一組數據。

表1 系統檢驗測試數據

由測量的數據可以計算出項目建議書中所要求的相關性能參數:

1)測量溫度最大誤差(±0.15℃)

各組數據的測量溫度誤差分別如下:

由此可以看出:各組測量數據均超出了規定的最大誤差，因此在后期程序的調試中需對溫度進行－0.80℃的補償。調試后所產生的最大誤差為－0.08℃，滿足設計要求。

2)測量溫度探頭的相對誤差(≤0.1℃)

在對系統進行－0.08℃的溫度補償之后，實驗數據測試表明:測量溫度探頭的相對誤差為0.08℃，滿足設計要求。

3)溫度測量的擴展不確定度［1］(＜0.12℃)

其中:uc為合成標準不確定度;k為B類方式評估系數。計算結果表明:溫度測量的擴展不確定度滿足設計要求。

4)相對濕度最大誤差(±3.0%RH)

各組數據的相對濕度誤差分別為 +0.01，+0.02， +0.28， +0.25， +0.24， +0.26，+0.20，－0.17，－0.04，+0.06

由以上數據可以看出:相對濕度誤差均滿足誤差要求。

5)相對濕度測量的擴展不確定度(＜2.0%)

對于本文采用的靈敏度較高的SHT 10數字溫濕度傳感器，可以依據貝塞爾公式(標準偏差σ的常用估計公式)計算濕度計的測量不確定度［12］:其中:n為測量數據的組數;xi為第i個數據值;ˉx為所測量數據的平均值。計算結果表明:濕度測量的擴展不確定度滿足設計要求。

5 結束語

本文利用LabVIEW虛擬儀器技術的優點，結合嬰兒培養箱環境檢測的國家標準和行業標準，設計了工作可靠性高、操作簡便的嬰兒培養箱溫濕度檢測系統及裝置。該系統包含溫濕度數據采集與處理、溫濕度與變化曲線的實時顯示、數據存儲與回讀等模塊，并借助重慶市質量計量檢測研究院溫濕度標準檢測設備進行了系統性能測試。測試結果表明:系統具有較高的可靠性，能以較高精度與準確度完成嬰兒培養箱溫濕度的檢測。同時，本系統的設計思路與調試測試過程對基于虛擬儀器開發平臺的系統設計具有一定的參考意義。

［1］王平均.智能嬰兒培養箱的檢測儀［J］.上海計量測試，2013(05):31－39.

［2］張麗娜.基于LabVIEW的溫濕度測控系統設計［D］.呼和浩特:內蒙古大學，2006.

［3］陳龍，鄭焜，沈云明，等.嬰兒培養箱及其質量控制［J］.中國醫療器械信息，2009，15(4):30 －33.

［4］JJF1260—2010，嬰兒培養箱校準規范［S］.北京:中國標準出版社，2010.

［5］GB11243—2008，嬰兒培養箱安全專用要求［S］.北京:中國標準出版社，2008.

［6］李麗榮.基于SHT10的無線溫濕度采集系統設計［J］.邢臺職業技術學院學報，2012，29(5):90－92.

［7］桑娟萍，梁明亮，趙子忠.基于Modbus協議的育苗大棚溫濕度在線監測系統［J］.工業儀表與自動化裝置，2012(3):48－53.

［8］馬東，王萬崗，蔣強，等.基于RS485總線的溫濕度在線監測系統［J］.中國農機化學報，2013，34(2):121－126.

［9］王軍，何鵬舉，楊杰.基于USB接口的無線溫濕度監測系統［J］.儀表技術與傳感器，2009(12):49－52.

［10］王書娟.基于LabVIEW的濕度傳感器自動測試系統的研究與開發［D］.長春:吉林大學，2009.

［11］俞陳光，趙丹丹，沈斌，等.嬰兒培養箱性能參數測試方法探討［J］.中國計量，2009(11):88.

［12］袁玉靜，錢紹圣.擴展不確定度分析與評定［J］.中國計量學院學報，2004，15(3):181 －185.

［13］孟飛，羅愛斌.多點溫濕度測量儀的設計［J］.電子技術，2013(6):47 －49.

［14］袁林，袁強.嬰兒培養箱基本性能研究與改進［J］.醫療設備信息，2007，22(12):46 －47.