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

衡陽(yáng)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(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

衡陽(yáng)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(cè)系統(tǒng)作為智能家居的構(gòu)成部分，已經(jīng)受到越來(lái)越多的關(guān)注和重視。虛擬儀器技術(shù)將儀器和計(jì)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(jì)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(jì)了一個(gè)室內(nèi)環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)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(tái)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的顯示、存儲(chǔ)、分析以及歷史數(shù)據(jù)讀取、自動(dòng)控制、報(bào)警等功能，具有廣闊的推廣空間和廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

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

1. 引言

隨著社會(huì)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(duì)室內(nèi)環(huán)境的要求也越來(lái)越高［1］。室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是智能家居的重要組成部分，在國(guó)內(nèi)和國(guó)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(lái)越重要。以現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)為基礎(chǔ)的環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)可對(duì)各種環(huán)境參數(shù)進(jìn)行測(cè)量與分析，是研究環(huán)境質(zhì)量變化趨勢(shì)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(dòng)化的測(cè)試、測(cè)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(diǎn)，具有靈活性高、費(fèi)用低、使用周期長(zhǎng)、更新快和可重復(fù)利用等優(yōu)點(diǎn)［3］。與傳統(tǒng)儀器相比較，虛擬儀器可以根據(jù)不同的用戶(hù)需求來(lái)構(gòu)建測(cè)試測(cè)量系統(tǒng)，不僅可以減少系統(tǒng)的維護(hù)費(fèi)用和開(kāi)發(fā)時(shí)間，而且開(kāi)發(fā)出來(lái)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(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)這一方法，首先通過(guò)采集卡將采集的溫濕度數(shù)據(jù)傳送到計(jì)算機(jī)，然后利用虛擬儀器開(kāi)發(fā)軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示存儲(chǔ)、歷史數(shù)據(jù)讀取、超限報(bào)警、自動(dòng)控制和網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)等功能。

2. 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于虛擬儀器技術(shù)的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)、Labview軟件檢測(cè)平臺(tái)四個(gè)部分。首先利用溫濕度傳感器模塊檢測(cè)外界環(huán)境的信號(hào)，接收到的信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)理之后被DAQ采集卡采集，然后在計(jì)算機(jī)上經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理之后，接著在計(jì)算機(jī)虛擬儀器編程面板上，對(duì)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(guò)或者低于設(shè)定溫度和濕度時(shí)，系統(tǒng)指示燈亮起并且發(fā)出報(bào)警的聲音，另外還要對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示、保存記錄、報(bào)警歷史記錄與清除等功能。

圖1 硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)圖

3. 系統(tǒng)硬件平臺(tái)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(cè)信息轉(zhuǎn)化為電量。DHT111傳感器具有將校準(zhǔn)的數(shù)字信號(hào)輸出的功能，主要應(yīng)用溫濕度傳感技術(shù)和專(zhuān)用的數(shù)字模塊采集計(jì)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(cè)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(cè)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(lái)傳送信號(hào)。該采集卡包含十二個(gè)數(shù)字輸入/輸出通道，兩個(gè)單端模擬輸出口和兩個(gè)模擬輸入口。該系統(tǒng)需要用到采集卡的4個(gè)端口，分別為+5V電源端、接地端和兩個(gè)模擬輸入端。分別將溫濕度信號(hào)接到兩個(gè)模擬輸入端，通過(guò)采集卡的虛擬測(cè)試面板檢測(cè)輸入的電壓信號(hào)。USB-6009體積小易于攜帶，采用USB直插式接口易于使用，具有價(jià)格低、功能優(yōu)、實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)。

4. 系統(tǒng)軟件平臺(tái)搭建

對(duì)于軟件設(shè)計(jì)平臺(tái)采用LabVIWE 2013進(jìn)行編寫(xiě)，其系統(tǒng)軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)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(tái)設(shè)計(jì)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(cè)和退出登陸四個(gè)部分。通過(guò)注冊(cè)產(chǎn)生正確的用戶(hù)名和密碼，程序運(yùn)行時(shí)，用戶(hù)必須輸入正確的用戶(hù)名與密碼才能進(jìn)入其他操作界面，否則就會(huì)彈錯(cuò)誤信息，系統(tǒng)登陸失敗，程序?qū)⑼Ｖ惯\(yùn)行。

4.2參數(shù)設(shè)置模塊

參數(shù)設(shè)置模塊主要是對(duì)系統(tǒng)的采集配置、報(bào)警參數(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)等的進(jìn)行設(shè)置。在采集卡采集信號(hào)之前第一步需要對(duì)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(cè)系統(tǒng)的采集配置主要是對(duì)采集卡類(lèi)型、數(shù)據(jù)端口、總的緩沖區(qū)的數(shù)目、采樣頻率、每個(gè)緩沖區(qū)采樣點(diǎn)數(shù)、通道個(gè)數(shù)等參數(shù)進(jìn)行選擇和設(shè)置。信號(hào)的采樣時(shí)間和采樣點(diǎn)數(shù)就可以從這些設(shè)置的參數(shù)中計(jì)算得到。報(bào)警參數(shù)主要設(shè)置報(bào)警溫濕度的上下限，當(dāng)溫濕度超過(guò)設(shè)定值時(shí)，在超限報(bào)警模塊將會(huì)發(fā)生報(bào)警。數(shù)據(jù)庫(kù)主要對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)位置、名稱(chēng)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)類(lèi)型、是否啟用數(shù)據(jù)庫(kù)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(yùn)行的先決條件，因此在設(shè)置參數(shù)時(shí)一定要考慮到實(shí)際應(yīng)用情況以及各個(gè)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(hào)轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的數(shù)字量且傳送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理的過(guò)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(dòng)軟件，具有效率快、性能優(yōu)的特點(diǎn)。在驅(qū)動(dòng)程序安裝完成之后，需要對(duì)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(duì)于讀取到的數(shù)據(jù)，在虛擬儀器的面板上通過(guò)數(shù)值和曲線兩種形式顯示出來(lái)，以讓使用者更直觀和方便的觀察即時(shí)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(jì)和儀表等控件來(lái)直接顯示溫度數(shù)據(jù)。

溫濕度上下限的報(bào)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(méi)有報(bào)警的時(shí)候正常顯示，若報(bào)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(lái)設(shè)置溫度和濕度監(jiān)測(cè)范圍，若超過(guò)設(shè)定的范圍，則相應(yīng)的指示燈會(huì)變紅色。還有系統(tǒng)時(shí)間的設(shè)置，溫濕度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的文件位置以及開(kāi)關(guān)控制模塊，開(kāi)關(guān)控制主要用來(lái)控制停止采集、停止報(bào)警和是否清除歷史報(bào)警。

4.4歷史數(shù)據(jù)管理模塊

為了將測(cè)量結(jié)果保存起來(lái)，方便對(duì)歷史數(shù)據(jù)的查詢(xún)與打印，將采集的溫度、濕度、采集時(shí)間等數(shù)據(jù)保存在Excel表格中，通過(guò)讀取Excel表格就可顯示出某一時(shí)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(xiě)入電子表格文件節(jié)點(diǎn)，并且選擇文件存儲(chǔ)文件夾，設(shè)置文件名，在對(duì)應(yīng)文件夾下面會(huì)自動(dòng)生成一個(gè).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(shí)間都保存再該文件中。該方法可自動(dòng)生成并保存數(shù)據(jù)文件，不僅節(jié)約了用戶(hù)時(shí)間，也減少了繁瑣的操作步驟，為用戶(hù)提供了方便。

4.5網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)模塊

本模塊利用LabVIEW中的TCP/IP節(jié)點(diǎn)，采用TCP/IP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓ぷ鞣椒ǎ瑏?lái)實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)通訊，完成數(shù)據(jù)的傳輸與監(jiān)測(cè)。再TCP通訊中，將一端設(shè)定為客戶(hù)端，一端設(shè)定為服務(wù)端。這樣的話，在程序運(yùn)行時(shí)，服務(wù)端不斷幀聽(tīng)，若有客戶(hù)端連接時(shí)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(méi)連接上就會(huì)出現(xiàn)報(bào)錯(cuò)提示，并不斷的進(jìn)行連接。

5. 結(jié)束語(yǔ)

本文以溫度和濕度為例設(shè)計(jì)了一個(gè)室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)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(cè)信息轉(zhuǎn)化為電量，通過(guò)USB 6009將數(shù)據(jù)傳送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。在軟件方面，通過(guò)LabVIEW 2013建立監(jiān)測(cè)平臺(tái)，首先利用DAQ助手讀取采集卡，然后對(duì)采集后的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析、顯示和存儲(chǔ)，當(dāng)溫度超過(guò)上下限時(shí)進(jìn)行報(bào)警。為了提高人機(jī)交互性，設(shè)計(jì)了登陸界面、表盤(pán)顯示、波形顯示、excel自動(dòng)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(diǎn)，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(cè)。

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

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

［3］劉萍，曹慧，邱鵬.虛擬儀器的發(fā)展過(guò)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(cè)量系統(tǒng)［J］.儀器儀表用戶(hù)，2004，11（6）：42-43.

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

［6］陳錫輝，張銀鴻.LabVIEW 8.20程序設(shè)計(jì)從入門(mén)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(jì)算機(jī)視覺(jué)與圖像處理。

衡陽(yáng)師范學(xué)院基金青年項(xiàng)目“基于虛擬儀器技術(shù)的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（14A05）”；衡陽(yáng)師范學(xué)院省級(jí)平臺(tái)開(kāi)放基金項(xiàng)目“基于機(jī)器視覺(jué)的生物幼苗數(shù)量估計(jì)（GD15K08）”；衡陽(yáng)師范學(xué)院南岳學(xué)院院級(jí)教學(xué)改革研究項(xiàng)目“基于大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽的模擬電子技術(shù)課程實(shí)踐教學(xué)改革研究（NJY201505）”。