基于LabVIEW的糧庫數據采集系統研究及實現

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

關鍵詞：數據采集;LabVIEW;傳感器

中圖分類號：TP274.2? ? ? ?文獻標識碼：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，以前糧庫工作人員需要對糧食的表面及糧庫壁的溫度進行預測，需要人工進入糧庫用溫度計等測量，如果溫度過高，就需要對糧食進行翻庫等操作，糧庫里灰塵多、空氣質量差，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，通過軟件和硬件結合的方法來預報糧情，及時采取措施。

本文應用虛擬儀器的技術來實現對糧庫數據的采集和分析，對糧庫內的數據實行遠程采集和遠程實時的監測，虛擬儀器技術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的軟件開發平臺，開發了檢測溫度、濕度等一體的糧庫糧情自動監控系統，進而降低工作人員的勞動強度，保證糧食的質量和糧食的品質。

2? 數據采集系統的軟件和硬件

糧庫數據采集系統主要由硬件系統和軟件系統兩部分組成。以下就是對軟件和硬件的相關介紹。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、數據采集卡等。

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計的儀器一樣。虛擬儀器技術是電子測量與儀器領域中發展方興未艾的技術，而且它使用了越來越先進和現代化的測控系統。

2.1.2? 虛擬儀器的特點

（1）擴展了傳統儀器的作用和功能。

（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計軟件，它在許多企業和研究型實驗室得到了大規模運用，是一個標準化的儀器控制和數據采集的軟件。

2.2? 硬件

2.2.1? 溫度傳感器

鉑熱電阻傳感器（Pt10、Pt100、Pt1000）是替代進口產品，其特點是體積、結構合理，響應時間短，性能可靠，應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的數字溫濕度傳感器。SHT10實現了溫濕度傳感器的數字式輸出，具有免調試、免標定等特點，極大地方便了在嵌入式測控領域的應用。濕度傳感器數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器集成的芯片，它的體積小、性能穩定。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

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

2.2.5? 數據采集卡PCL-711B

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

3? 糧庫數據采集系統硬件的設計

數據采集硬件系統由溫濕度傳感器、本地監控中心、數據匯聚節點組成。本地監控中心為糧庫數據采集系統的核心，對整個系統進行統一控制和管理，保證整個系統協調有效地運行;傳感器收集糧庫中的濕度和溫度的數據;糧庫數據匯聚點用于將傳感器數據打包，通過GPRS經Internet網絡傳送到控制中心，接收控制中心發送的各類控制命令，實現遠距離通信。

3.1? 硬件選擇

3.1.1? 傳感器

我們為該系統選擇了鉑熱電阻傳感器（Pt10、Pt100、Pt1000）。

3.1.2? 數據采集卡

采用一個多功能，高性能通用的數據采集卡：PCL-711B，其在板上集成了所有數據采集的功能，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器芯片，它體積小，性能穩定。

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最小系統設計，成本低，可靠性高。

3.2? ZigBee的應用

（1）ZigBee的定義：ZigBee是低成本、低功耗、低速率、低復雜度的短距離的無線網絡通信技術。

（2）ZigBee的工作原理：ZigBee無線通信設備工作在868MHZ，915MHZ和2.4Hz這三個頻帶。其最大數據速率是250Kbps。ZigBee技術主要是以電池作為電源，因此ZigBee設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準。RS是“推薦標準”的英文縮寫，232是識別號，C是串口的修改次數。RS-232-C的全稱為“數據通信裝備（DCE）和數據末端裝備（DTE）之間串行的二進制數據交換的接口標準”。

3.3.2? RS-485數據總線接口的應用

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

3.4? 硬件系統的框圖

在糧庫數據采集系統硬件設計中，在糧庫內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據傳輸到數據采集卡中，通過LabVIEW的InPort.vi和OutPort.vi圖標實現對數據采集卡的驅動，進而對數據進行采集。數據采集卡通過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。數據經過GPRS模塊由Internet傳輸給本地控制中心的無線路由器，無線路由器經過串口RJ-45傳輸給PC機，由本地控制中心對數據進行分析，并采取相應措施。

3.5? 數據采集系統

設計數據采集系統，最重要的是對實時采集到的數據進行顯示、處理和查詢等。在糧庫系統中，數據采集就是能在將濕度、溫度轉化為數字量以后，通過計算機進行存儲、處理和顯示。

4? 糧庫數據采集系統軟件的設計

4.1? 虛擬儀器開發平臺LabVIEW的創建過程

（1）前面板的創建;

（2）框圖程序的創建;

（3）圖標的創建;

（4）程序的運行。

4.2? 使用LabVIEW驅動數據采集卡的軟件設計

設計前面板。放置三個輸入控制型數字控件和一個圖形控件。

4.3? 系統軟件設計的流程圖

將LabVIEW軟件用流程圖進行敘述，再按照功能進行設計。

（1）程序首先進行界面元素和相關數據的初始化，并把開關狀態初始化為打開;

（2）進入一個檢測循環;

（3）檢測開關是否打開，如果關閉就退出，否則進入以下流程;

（4）檢查是否有操作發生，有就進行處理;

（5）返回步驟（2）繼續進行循環檢測，直到檢測完成。

4.4? 糧庫報警功能設計

4.4.1? 功能描述

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

4.4.2? 設計流程

（1）前面板設計;

（2）放置數字控件（設置最高溫度）;

（3）放置邏輯控件。

4.5? 系統主界面前面板和程序框圖設計

對于糧情監控系統的用戶界面的設計，應滿足界面友好，直觀、有效、便于管理和可擴充性等特點。

5? 結? 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雜而綜合性強的系統，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，對于實際應用中的大型糧庫，本文中的研究沒有應用到，還需要驗證。當有多個糧庫一起檢測時，也沒有應用到，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雜的系統，比如糧庫周圍的環境，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，當溫度和濕度傳感器放置在糧食內部時，需要保障其在數據的采集和傳輸的過程中的準確性，需要選擇合適的傳感器。當糧庫內糧食溫度和濕度超過規定值時，糧庫內糧食的通風裝置還需改進，特別是糧庫內部的溫度和濕度。

參考文獻

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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。