礦區(qū)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

摘 要：為解決礦區(qū)環(huán)境信息實時采集及顯示問題，采用LabVIEW作為上位機平臺，STM32F103微處理器作為下位機進行數(shù)據(jù)的分析處理，選用DS18B20數(shù)字溫度傳感器采集礦區(qū)的環(huán)境溫度，MQ135氣體傳感器采集礦區(qū)空氣中二氧化硫的濃度。上位機和下位機之間利用串口通信進行信息交互。系統(tǒng)主要功能為上位機實時顯示溫度和氣體濃度，并可手動設置參數(shù)閾值、超限報警功能和溫度歷史數(shù)據(jù)顯示。經(jīng)過實驗驗證，所設計的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)實時性好、穩(wěn)定性高，滿足礦區(qū)環(huán)境參數(shù)智能化監(jiān)測要求。

關鍵詞：LabVIEW；STM32；環(huán)境監(jiān)測；串口通信；信息交互；VISA

中圖分類號：TP492.3 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）02-00-03

0 引 言

礦區(qū)人員密集，環(huán)境復雜，礦區(qū)溫度和有害氣體濃度是比較重要的環(huán)境因素，本文設計了一種由LabVIEW作為上位機，以STM32為下位機核心控制器的礦區(qū)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。該監(jiān)測系統(tǒng)主要功能為實時顯示溫度和氣體濃度，并可手動設置參數(shù)閾值、越限報警功能和溫度歷史數(shù)據(jù)顯示[1-2]。

1 總體方案設計

礦區(qū)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)由PC機、STM32單片機、MQ135氣體傳感器、DS18B20數(shù)字溫度傳感器和通信總線組成。在下位機系統(tǒng)中，各傳感器會將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至STM32中進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，下位機與上位機的數(shù)據(jù)交互使用串行通信，把下位機采集的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)缴衔粰C，滿足實時數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲、越限報警、數(shù)據(jù)讀取的要求[3]。圖1為系統(tǒng)整體結構。

2 監(jiān)測系統(tǒng)硬件設計

2.1 主控制器

下位機主控選用ST公司出品的STM32F103RCT6作為核心控制器，它以Cortex-M3作為處理器內(nèi)核，可以同時處理4個字節(jié)的數(shù)據(jù)，可應用于不同型號、不同用途的傳感器。STM32F103RCT6引腳如圖2所示。

2.2 串口轉(zhuǎn)換電路

串口（UART）總線可以將CPU、存儲器或微控制器等設備的數(shù)據(jù)發(fā)送到串口中，將CH340的數(shù)據(jù)發(fā)送口和接收口分別與STM32的數(shù)據(jù)接收口和發(fā)送口連接，這樣便可通過CH340將USB與RS 232串口連接，從而實現(xiàn)上位機和下位機的有線數(shù)據(jù)連接[4-6]。圖3為串口轉(zhuǎn)換結構圖。

2.3 溫度傳感器電路

溫度傳感器采用DS18B20，由于其具有高可靠性和穩(wěn)定性，被廣泛用于惡劣環(huán)境，其將溫度直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字值，輸出為數(shù)字信號。該模塊封裝后體積小，接線方便，溫度傳感器電路如圖4所示。

2.4 氣體傳感器電路

二氧化錫的特點是在清潔空氣中電導率較低，將其作為MQ135氣體傳感器的氣敏材料。當被檢測的空氣中有其他污染源存在時，二氧化錫會由于其本身的特性導致其電導率會隨空氣中污染氣體的濃度增大而增大。氣體傳感器可以檢測出多種有害氣體，且成本低、性價比高，適用于礦區(qū)等復雜環(huán)境[7]。MQ135的電路原理如圖5所示。

3 監(jiān)測系統(tǒng)軟件設計

將使用Keil軟件編寫好的程序燒寫到主控芯片中，以實現(xiàn)其對現(xiàn)場傳感器數(shù)據(jù)的讀取和處理，上位機的人機交互界面主要使用LabVIEW軟件設計，可對下位機采集的數(shù)據(jù)進行顯示，生成數(shù)據(jù)報表，并實現(xiàn)超限報警等功能[8]。

3.1 監(jiān)測系統(tǒng)主程序

環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)場環(huán)境監(jiān)測部分主程序如圖6所示。首先對系統(tǒng)進行初始化配置，對各環(huán)境監(jiān)測傳感器的響應進行判斷，然后對采集的數(shù)據(jù)進行濾波，減少環(huán)境誤差對數(shù)據(jù)的影響，最后將處理換算過的溫度和空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)上傳并存儲。

3.2 基于LabVIEW的上位機程序設計

3.2.1 上位機前面板設計

使用LabVIEW對上位機界面進行開發(fā)設計，可分為前端人機交互界面和后面板程序兩部分，前面板顯示界面如圖7所示。在前面板顯示界面上，分別為“溫度”“有害氣體”

“歷史數(shù)據(jù)讀取”三個子區(qū)域。溫度監(jiān)測部分主要通過波形圖和溫度計實時顯示溫度參數(shù)，同時可設置溫度閾值，實現(xiàn)溫度超限報警。有害氣體監(jiān)測主要由儀表顯示控件、閾值設置和越限報警燈組成。歷史數(shù)據(jù)讀取部分可以對歷史溫度進行讀取，并由波形圖顯示。其中，報警的上下限值均可自定義設置。右下角為系統(tǒng)停止按鈕[9-10]。

3.2.2 上位機后面板程序框圖設計

后面板程序需要將上位機作為主機與各下位機進行通信協(xié)議設置，驅(qū)動、調(diào)用各控件，如圖8所示。包括串口數(shù)據(jù)的接收、串口數(shù)據(jù)的讀取，串口數(shù)據(jù)清空和關閉。串口發(fā)送的數(shù)據(jù)由溫度波形顯示和有害氣體表盤顯示，還可對存儲的數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)進行顯示。

4 系統(tǒng)運行測試實驗

所設計的礦區(qū)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)在實驗室中進行了模擬監(jiān)測及測試。運行過程中，設置溫度閾值為40 ℃，有害氣體濃度閾值設置為0.2 mg/L。試運行結果如圖9所示。

5 結 語

環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)了對溫度和有害氣體濃度的實時采集，并且上位機對環(huán)境狀態(tài)數(shù)據(jù)可以進行閾值設置，環(huán)境監(jiān)測出現(xiàn)異常情況時及時報警，顯示溫度歷史數(shù)據(jù)，還可以將采集數(shù)據(jù)的狀態(tài)實時顯示在上位機。該系統(tǒng)具有成本低、操作簡單、界面友好、功能豐富、軟件程序可移植性強等

特點。

參考文獻

[1]吳卓葵，許勝棋.基于LabVIEW的多點報警溫度監(jiān)測系統(tǒng)設計

[J].制造業(yè)自動化，2014，36（1）：139-142.

[2]史延東，楊萍，寧飛，等.基于LabVIEW的多路溫度流量監(jiān)測系統(tǒng)設計[J].測控技術，2013，32（8）：29-31.

[3]趙博文，梁西銀，顏昌林，等.基于虛擬儀器的真空計參數(shù)自動測試系統(tǒng)[J].儀表技術與傳感器，2020，57（6）：63-67.

[4]馬敏，楊勝偉.基于LabVIEW的氣體監(jiān)測系統(tǒng)串口通訊設計[J].自動化與儀表，2016，31（11）：43-46.

[5]李兆千，李廣凱，姜紹君，等.物聯(lián)網(wǎng)可穿戴體溫監(jiān)測系統(tǒng)設計

[J].物聯(lián)網(wǎng)技術，2023，13（1）：51-52.

[6]陳進京，姜志軒，王泓平.溫度采集系統(tǒng)設計[J].電子測試，2022，29（3）：37-39.

[7]朱菊香，谷衛(wèi)，潘斐，等.基于STM32室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術，2022，12（11）：11-14.

[8] SALIM O J. Correction to：Performance study of LabVIEW modelled PV panel and its hardware implementation [J]. Wireless personal communications，2021（prepublish）.

[9] ABHIJEET R S，DINESH R D，BHOOMI R S. Heart arrhythmia detection using labview GUI based approach [J]. International journal of advanced technology and engineering exploration（IJATEE），2018，48（5）.

[10]張婭琳，吳偉強，李文熙.基于NB-IoT的車載環(huán)境監(jiān)測多重預警系統(tǒng)設計[J].物聯(lián)網(wǎng)技術，2022，12（12）：18-22.