基于LabVIEW的糧庫數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究及實現(xiàn)

摘? 要：在本文中，筆者設(shè)計了一套完整的糧庫檢測系統(tǒng)，來檢測糧庫溫度和濕度。以下是本文的主要研究內(nèi)容：（1）使用虛擬儀器開發(fā)平臺LabVIEW來實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。（2）利用虛擬儀器開發(fā)平臺LabVIEW中的TCP/IP來實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。把傳感器采集的溫度和濕度數(shù)據(jù)傳給本地控制中心。（3）利用虛擬儀器開發(fā)平臺LabVIEW來對采集到和傳輸來的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在LabVIEW的界面上顯示，從而對糧庫采取措施。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集;LabVIEW;傳感器

中圖分類號：TP274.2? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）22-0043-03

Abstract：In this paper，the author has designed a complete grain depot detection system to detect the temperature and humidity of the grain depot. The following are the main research contents of this paper：（1）Using virtual instrument development platform LabVIEW to realize data acquisition system.（2）Using TCP/IP in LabVIEW to realize data communication. The temperature and humidity data collected by the sensor are transmitted to the local control center.（3）Using the virtual instrument development platform LabVIEW to analyze the collected and transmitted data and display them on the interface of LabVIEW，so as to take measures for grain depot.

Keywords：data collection;LabVIEW;sensor

1? 選題的背景及意義

我國有14億人口，糧食安全很重要，除了提高畝產(chǎn)量，增加種植面積之外，減少糧食儲藏過程中的損失也很重要。糧食本身的物理特性決定糧食的傳熱慢的特質(zhì)，以前糧庫工作人員需要對糧食的表面及糧庫壁的溫度進(jìn)行預(yù)測，需要人工進(jìn)入糧庫用溫度計等測量，如果溫度過高，就需要對糧食進(jìn)行翻庫等操作，糧庫里灰塵多、空氣質(zhì)量差，如果長時間工作在這種情況之下會對工作人員的健康造成十分嚴(yán)重的危害，而且這種檢測方法費時、費力，不能及時反映糧食的真實情況。因此本文采用智能化的檢測技術(shù)，通過軟件和硬件結(jié)合的方法來預(yù)報糧情，及時采取措施。

本文應(yīng)用虛擬儀器的技術(shù)來實現(xiàn)對糧庫數(shù)據(jù)的采集和分析，對糧庫內(nèi)的數(shù)據(jù)實行遠(yuǎn)程采集和遠(yuǎn)程實時的監(jiān)測，虛擬儀器技術(shù)為我們提供了一種理想的解決方案。糧庫糧情測控采用基于LabVIEW的軟件開發(fā)平臺，開發(fā)了檢測溫度、濕度等一體的糧庫糧情自動監(jiān)控系統(tǒng)，進(jìn)而降低工作人員的勞動強度，保證糧食的質(zhì)量和糧食的品質(zhì)。

2? 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件和硬件

糧庫數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分組成。以下就是對軟件和硬件的相關(guān)介紹。軟件部分主要介紹虛擬儀器LabVIEW，硬件部分主要介紹各種傳感器（溫度、濕度等）、無線路由器、單片機、數(shù)據(jù)采集卡等。

2.1? 軟件：虛擬儀器

2.1.1? 虛擬儀器的概念

虛擬儀器其實就是在通用計算機平臺上增加了一些軟件和一些硬件模塊，使用戶能夠更簡單地操作該計算機平臺，就像操作一臺專門設(shè)計的儀器一樣。虛擬儀器技術(shù)是電子測量與儀器領(lǐng)域中發(fā)展方興未艾的技術(shù)，而且它使用了越來越先進(jìn)和現(xiàn)代化的測控系統(tǒng)。

2.1.2? 虛擬儀器的特點

（1）擴展了傳統(tǒng)儀器的作用和功能。

（2）虛擬儀器充分地突出了“軟件就是儀器”的全新觀念。

（3）用戶定義儀器。虛擬儀器可以通過用戶的需要來具體設(shè)置儀器的功能。

2.1.3? 虛擬儀器軟件平臺LabVIEW的介紹

LabVIEW（Laboratory Virtual instrument Enginee-ring）是一種圖形化的程序設(shè)計軟件，它在許多企業(yè)和研究型實驗室得到了大規(guī)模運用，是一個標(biāo)準(zhǔn)化的儀器控制和數(shù)據(jù)采集的軟件。

2.2? 硬件

2.2.1? 溫度傳感器

鉑熱電阻傳感器（Pt10、Pt100、Pt1000）是替代進(jìn)口產(chǎn)品，其特點是體積、結(jié)構(gòu)合理，響應(yīng)時間短，性能可靠，應(yīng)用于電機軸承及線圈溫度顯示中，可直接觀察到電機的軸承及線圈的實際工作溫度。

2.2.2? 濕度傳感器

濕度檢測采用溫濕度傳感器SHT10。SHT10是瑞士Sensirion公司推出的一款高度集成、低功耗、高精度、抗干擾能力強的基于技術(shù)的數(shù)字溫濕度傳感器。SHT10實現(xiàn)了溫濕度傳感器的數(shù)字式輸出，具有免調(diào)試、免標(biāo)定等特點，極大地方便了在嵌入式測控領(lǐng)域的應(yīng)用。濕度傳感器數(shù)量由糧庫的大小和本地的氣候條件決定。

2.2.3? 無線通信模塊

無線通信路由器采用nRF905，nRF905是挪威Nordik公司推出的一款單片射頻收發(fā)器集成的芯片，它的體積小、性能穩(wěn)定。它有433MHz、868MHz和915MHz等多個頻道和多個頻段用來供用戶免費使用。

2.2.4? 單片機系統(tǒng)

單片機使用超強抗干擾、低功耗的STC89C51最小系統(tǒng)，具有可靠性高、成本低的特點。STC89C51能夠完成ISP在線編程，可以定時采集數(shù)據(jù)，并保存在內(nèi)部存儲器中，通過RS485接口實現(xiàn)與主機的遠(yuǎn)距離通信，進(jìn)而完成檢測和傳輸。

2.2.5? 數(shù)據(jù)采集卡PCL-711B

PCL-711B是一款多功能、高性能的數(shù)據(jù)采集卡，它擁有所有數(shù)據(jù)采集的功能，如：A/D、D/A、D/O和D/I。

3? 糧庫數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件的設(shè)計

數(shù)據(jù)采集硬件系統(tǒng)由溫濕度傳感器、本地監(jiān)控中心、數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點組成。本地監(jiān)控中心為糧庫數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心，對整個系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一控制和管理，保證整個系統(tǒng)協(xié)調(diào)有效地運行;傳感器收集糧庫中的濕度和溫度的數(shù)據(jù);糧庫數(shù)據(jù)匯聚點用于將傳感器數(shù)據(jù)打包，通過GPRS經(jīng)Internet網(wǎng)絡(luò)傳送到控制中心，接收控制中心發(fā)送的各類控制命令，實現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信。

3.1? 硬件選擇

3.1.1? 傳感器

我們?yōu)樵撓到y(tǒng)選擇了鉑熱電阻傳感器（Pt10、Pt100、Pt1000）。

3.1.2? 數(shù)據(jù)采集卡

采用一個多功能，高性能通用的數(shù)據(jù)采集卡：PCL-711B，其在板上集成了所有數(shù)據(jù)采集的功能，適用于Win-dows9x/2000/NT。

3.1.3? 無線路由器（nRF905）

無線模塊采用nRF905，nRF905是挪威Nordik公司推出的一款單片射頻收發(fā)器芯片，它體積小，性能穩(wěn)定。

3.1.4? 單片機

單片機采用新一代超強抗干擾，高速，低功耗的單片機STC89C51最小系統(tǒng)設(shè)計，成本低，可靠性高。

3.2? ZigBee的應(yīng)用

（1）ZigBee的定義：ZigBee是低成本、低功耗、低速率、低復(fù)雜度的短距離的無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。

（2）ZigBee的工作原理：ZigBee無線通信設(shè)備工作在868MHZ，915MHZ和2.4Hz這三個頻帶。其最大數(shù)據(jù)速率是250Kbps。ZigBee技術(shù)主要是以電池作為電源，因此ZigBee設(shè)備對于電池的壽命和性能有較高的要求。

3.3? 接口電路

3.3.1? RS-232-C接口

RS-232-C是一種串行物理接口標(biāo)準(zhǔn)。RS是“推薦標(biāo)準(zhǔn)”的英文縮寫，232是識別號，C是串口的修改次數(shù)。RS-232-C的全稱為“數(shù)據(jù)通信裝備（DCE）和數(shù)據(jù)末端裝備（DTE）之間串行的二進(jìn)制數(shù)據(jù)交換的接口標(biāo)準(zhǔn)”。

3.3.2? RS-485數(shù)據(jù)總線接口的應(yīng)用

當(dāng)客戶要求的通信距離達(dá)到幾十米甚至上千米時，一般應(yīng)用串行總線RS-485。RS-485串行總線接口應(yīng)用了差分接收和平衡發(fā)送的原理，它具有抑制共模信號干擾的能力。

3.4? 硬件系統(tǒng)的框圖

在糧庫數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計中，在糧庫內(nèi)布置溫度和濕度傳感器，這些傳感器通過RS-485串行總線相連，把溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集卡中，通過LabVIEW的InPort.vi和OutPort.vi圖標(biāo)實現(xiàn)對數(shù)據(jù)采集卡的驅(qū)動，進(jìn)而對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。數(shù)據(jù)采集卡通過RS-232接口與無線通信ZigBee模塊相連，再通過ZigBee接收，ZigBee通過RS-232接口與單片機相連。數(shù)據(jù)經(jīng)過GPRS模塊由Internet傳輸給本地控制中心的無線路由器，無線路由器經(jīng)過串口RJ-45傳輸給PC機，由本地控制中心對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并采取相應(yīng)措施。

3.5? 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

設(shè)計數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，最重要的是對實時采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、處理和查詢等。在糧庫系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集就是能在將濕度、溫度轉(zhuǎn)化為數(shù)字量以后，通過計算機進(jìn)行存儲、處理和顯示。

4? 糧庫數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件的設(shè)計

4.1? 虛擬儀器開發(fā)平臺LabVIEW的創(chuàng)建過程

（1）前面板的創(chuàng)建;

（2）框圖程序的創(chuàng)建;

（3）圖標(biāo)的創(chuàng)建;

（4）程序的運行。

4.2? 使用LabVIEW驅(qū)動數(shù)據(jù)采集卡的軟件設(shè)計

設(shè)計前面板。放置三個輸入控制型數(shù)字控件和一個圖形控件。

4.3? 系統(tǒng)軟件設(shè)計的流程圖

將LabVIEW軟件用流程圖進(jìn)行敘述，再按照功能進(jìn)行設(shè)計。

（1）程序首先進(jìn)行界面元素和相關(guān)數(shù)據(jù)的初始化，并把開關(guān)狀態(tài)初始化為打開;

（2）進(jìn)入一個檢測循環(huán);

（3）檢測開關(guān)是否打開，如果關(guān)閉就退出，否則進(jìn)入以下流程;

（4）檢查是否有操作發(fā)生，有就進(jìn)行處理;

（5）返回步驟（2）繼續(xù)進(jìn)行循環(huán)檢測，直到檢測完成。

4.4? 糧庫報警功能設(shè)計

4.4.1? 功能描述

這個裝置可以顯示糧庫內(nèi)的溫度是否超過了所設(shè)置的最高溫度，最高溫度可由用戶自行設(shè)置，當(dāng)溫度超過了所設(shè)溫度值，則報警燈亮。這時糧庫采取各種措施來降低溫度，比如通風(fēng)。如果采集的溫度未超過所設(shè)溫度值，則報警燈不亮。

4.4.2? 設(shè)計流程

（1）前面板設(shè)計;

（2）放置數(shù)字控件（設(shè)置最高溫度）;

（3）放置邏輯控件。

4.5? 系統(tǒng)主界面前面板和程序框圖設(shè)計

對于糧情監(jiān)控系統(tǒng)的用戶界面的設(shè)計，應(yīng)滿足界面友好，直觀、有效、便于管理和可擴充性等特點。

5? 結(jié)? 論

在本文的研究中雖然得到了一些成果，但是在研究過程中，由于受到各種因素的制約，糧庫中糧食的儲存也是一個復(fù)雜而綜合性強的系統(tǒng)，存在著很多的問題需要解決：一是本文的研究模型只針對單個實驗用的糧庫，對于實際應(yīng)用中的大型糧庫，本文中的研究沒有應(yīng)用到，還需要驗證。當(dāng)有多個糧庫一起檢測時，也沒有應(yīng)用到，也需要驗證。二是在本研究中只涉及了糧庫中溫度和濕度的檢測，而在糧庫中糧食的儲存是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，比如糧庫周圍的環(huán)境，天氣情況，以及害蟲對糧食的影響等各種因素，需要去檢測和預(yù)報，從而保證糧食儲存的安全性。三是溫度和濕度傳感器的選擇，當(dāng)溫度和濕度傳感器放置在糧食內(nèi)部時，需要保障其在數(shù)據(jù)的采集和傳輸?shù)倪^程中的準(zhǔn)確性，需要選擇合適的傳感器。當(dāng)糧庫內(nèi)糧食溫度和濕度超過規(guī)定值時，糧庫內(nèi)糧食的通風(fēng)裝置還需改進(jìn)，特別是糧庫內(nèi)部的溫度和濕度。

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作者簡介：徐正元（1981.01-），男，漢族，江蘇揚州人，

講師，工程碩士，研究方向：電子信息。