基于LabVIEW的室內環境智能監控系統

王浩博 唐晨棟 張宇

摘 要：針對當下市場中大部分環境監測設備功能不完善的問題，文中提出并設計了一種室內氣體環境的智能監控系統，所設置的功能可以極大程度地滿足用戶需求。系統采用多種傳感器，可以測量多種氣體的濃度。將STM32單片機作為核心處理器，增加系統的運算能力，另設置了警戒閾值，實現了超過閾值時蜂鳴器報警、短信通知的功能。采用GSM模塊無線傳輸測量數據，使系統能夠將測量的結果實時傳輸至PC機中。為了實現數據的可視化，采用LabVIEW軟件完成上位機設計，顯示不同氣體的數據曲線，得到多種氣體的濃度變化情況，實現了在PC機上顯示測量結果的功能。

關鍵詞：STM32單片機;LabVIEW;環境監測;GSM;傳感器;通信

中圖分類號：TP274+.3文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）09-00-04

0 引 言

LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench，LabVIEW）是當前頗受業界人士推崇與青睞的一種圖形化開發環境。最初，LabVIEW的主要功能為測量測試，經過多年的發展，LabVIEW已能夠很好地完成大部分測量測試任務。如今，它被廣泛用于各種測量設備中，被工業、學術以及科研等領域作為測量測試、儀器控制必不可少的工具，用戶可以通過工具包組成完整的測試程序[1]。

國內外的智能家居行業隨著測量技術的逐步發展，產品準確性得到了明顯提高，隨著用戶對測量結果的重視程度不斷增加，智能家居系統將會向提升運算速度、無線傳輸以及實時發送測量結果的方向發展[2]。針對上述情況，以STM32F103VET6作為嵌入式MCU，以SIM900A通信模塊實現無線傳輸功能，以LabVIEW上位機實時顯示測量結果，設計了基于LabVIEW的室內環境監控系統，將多種傳感器采集的數據通過串口發送至STM32F103VET6單片機，通過SIM900A通信模塊將采集結果發送至電腦以及手機，創新性地利用LabVIEW對數據的處理功能方便用戶更直觀地了解采集結果。無線傳輸以及上位機顯示功能能夠方便用戶對緊急情況及時做出反應，使系統更加人性化。

1 系統總體設計

本系統擁有一個檢測點、一個后臺和一個用戶端，在對各檢測點的結構組成進行全面研究與分析后發現，其均由溫度傳感器、甲醛傳感器、煙霧傳感器、單片機等組成。另外，單片機作為系統的關鍵構成部分，以系統實現功能為重點依據，控制器需要控制數據采集、指令解析、數據通信等。本系統中單片機一方面控制通信模塊發送信息，另一方面還需控制報警，當某一測量值超限時蜂鳴器鳴叫。后臺為LabVIEW上位機，用戶端為用戶手機。系統總設計如圖1所示。

2 系統硬件設計

2.1 嵌入式微處理器

在一塊較小的電路板上嵌入一塊具有特定功能的微處理器芯片—嵌入式微處理器[2]，由于外圍電路可滿足特定功能，因此嵌入式電路板體積明顯縮小。近年來，嵌入式處理器發展的越來越成熟，其高性能、低功耗的特性已能夠滿足絕大部分設備的需求[3]。本系統選用意法半導體企業獨立研發的STM32F103VET6芯片，在對這款芯片的性能參數進行深入分析后發現，其內核為32位Cortex-M3，內置兩種不同規格的存儲器，分別為512 KB的閃存和64 KB的SRAM存儲器。芯片的運行頻率為72 MHz，內置12位ADC以及DAC，11個定時器。電源通過USB接口接入5 V電壓供電。晶振電路支持兩種不同規格的時鐘源，一是運行頻率為23.768 kHz的時鐘源，為低速時鐘源;另一個是運行頻率為8 MHz的時鐘源，為高速時鐘源。另外，復位電路的常用方式有兩種，即上電型與按鈕型，復位時電源復位輸出低電平作用于RESET管腳[4]。

2.2 傳感器模塊

2.2.1 溫度傳感器

本系統選用的溫度傳感器型號為DS18B20，該傳感器可利用1-Wire總線與STM32F103單片機通信，因此可使自身抗干擾性能得到進一步提升，同時該傳感器監測范圍相對較廣，其監測區間為-55～125 ℃，且在監測范圍-10～85 ℃之外時誤差可被合理地控制在±0.5 ℃之下，輸出數字量，正常情況下，其供電范圍為3.0～5.5 V[5]。此型號的傳感器與單片機的3.3 V及GND口連接，DQ口則與單片機的PA5口相連。

此型號傳感器支持6種不同形式的信號，分別為復位脈沖、應答脈沖、寫0、寫1、讀0、讀1。溫度測量過程由STM32F103單片機發出復位脈沖開始，STM32F103單片機輸出480 μs以上的低電平。轉變為接收模式（Rx）之前需完成兩項基本操作，首先釋放總線，然后再對總線進行上拉處理，由此轉變為高電平。在此之后，DS18B20傳感器通過拉低總線60～240 μs的方式輸出低脈沖，并對兩者的連接方法進行檢測，以進一步確定是否為應答信號的值，當顯示0時，說明檢測到傳感器，返回1時表示未檢測到傳感器。在讀取檢測結果時，單片機一定要先輸出讀時序，并且在該過程中，主機對總線完全釋放，在15 μs后對總線狀態進行監測與采樣。通過圖2可對此傳感器的溫度讀取過程有更直觀、全面的了解。

2.2.2 濕度傳感器

濕度傳感器型號為DHT22，采用3引線連接方式，數據線定義為SDA引腳，串行傳輸數據，與單片機U3口相連。運行電壓為3.3～5.5 V，測量范圍為0～99.9%RH，當溫度為25 ℃時，誤差在±2%RH以內[6]。

DHT22傳感器一次采集8位數據，循環采集4次，校驗數據，共40位。其中，高16位為濕度數據，對捕獲到的濕度值進行除10處理便能獲取準確無誤的真實濕度值。在測量過程中，DHT22在接收到起始指令后立即轉變運行模式，即由最初的休眠模式轉變為高速模式，利用SDA數據線傳送數據并在結束時執行一次信息收集操作，在下次通信之前，傳感器進入休眠模式。為了避免誤差過大，兩次采集的時間間隔必須大于1 s。

2.2.3 甲醛傳感器

甲醛傳感器采用ZE08-CH2O型電化學甲醛模組，是鄭州煒盛電子科技有限公司生產的產品。該傳感器利用電化學原理對空氣中存在的甲烷進行探測，穩定性好，方便使用。內部設計溫度傳感器可實現溫度補償功能，具有數字輸出和模擬輸出兩種方式。將系統的數字輸出與STM32單片機的串口3相連，量程為0～6.69 mg/m3，在0～50 ℃范圍內運行時其分辨率未達到0.01 mg/m3。選用主動上傳方式通信，每間隔1 s發送一組測量值，數據共為8位，其中1位起止位，氣體濃度位于Byte4（高位）和Byte5（低位），測量的氣體濃度值計算式如下：

氣體濃度值=氣體濃度高位×256+氣體濃度低位[7]

2.2.4 煙霧傳感器

本系統選用集多重優勢于一身的MQ-2煙霧傳感器對煙霧濃度進行實時監測。此傳感器的運行電壓小于5 V，內置有4個標準接口，可實現雙路信號輸出[8]。MQ-2煙霧傳感器采用模擬量A0接口與A/D轉換器相連的方式輸出數字量，連接單片機的PA7口。

2.2.5 GSM通信模塊

GSM是全球移動通信系統（Global System for Mobile communications，GSM）的簡稱，是由歐洲電信標準組織ETSI制定的一個數字移動通信標準[10]，其最大優勢在于支持短信與數字語音的高效傳送，在本系統中，GSM模塊的功能是把傳感器采集的信息發送至手機及電腦中[11]。

本套系統選用SIM900A無線通信模塊。此模塊由全球知名廠商芯訊通（SIMCom）自主研發與生產制造，它是一種GPRS通信模塊，同時具備GSM與GPRS這兩大模塊的通信功能，外觀精致，性能可靠。常見的SIM900A運行頻率分別為900 MHz與1 800 MHz，采用工業標準接口，與STM32單片機基于串口2相連并由此保持正常通信。SIM900A模塊內置兩種專用TTL接口，可供3.3～5 V電壓的單片機使用。在連接之前，需將SIM900A的RXD與單片機的TXD相連，SIM900A的TXD與單片機的RXD相連，GND與單片機的GND相連[12]。SIM900A需接通5 V直流電源，接通后模塊會點亮D5與D6指示燈，模塊的工作狀態也可以通過兩個指示燈確定。

進入AT狀態：將USB-232串口線與電腦連接，安裝驅動程序。在計算機中找到設備管理器端口并點擊COM，配置串口助手，同步波特率定義為9 600，發送AT指令查看SIM900A的運行狀態。GPRS模塊發送數據與GPRS配置分別見表1與表2所列。

3 系統總體設計

3.1 單片機軟件設計

系統軟件主要為編寫的程序，用于控制系統各硬件做出指定動作。各硬件之間相對獨立，軟件的模塊化特征愈加顯著。該系統由定時器程序模塊、溫度采集程序模塊、濕度采集程序模塊、煙霧濃度采集程序模塊、甲醛濃度采集程序模塊、SIM900A無線傳輸程序模塊、按鍵程序模塊組成。程序流程如圖3所示。

系統運行時會按照圖3所示的流程進行控制，當網絡連接成功后可通過按鍵1和按鍵2來控制系統狀態。按下按鍵1時，系統進入監測狀態，可對超過閾值的數據進行報警;按下按鍵2，則系統退出檢測狀態。

3.2 通信協議

對于通信協議這一概念，具體指為實現正常通信或服務需雙方彼此共同遵循的制度與規定。在通信協議中，主要針對數據模塊使用的格式進行了明確規定，同時要求信息單元的各項配置務必完整，唯有此才能保證數據的正常傳送[13]。本系統的無線傳輸功能需要將溫度、濕度、甲醛、煙霧傳感器測量的結果發送至電腦以及手機，這是系統設計的重要環節。

3.3 后臺軟件設計

后臺軟件的設計工具為LabVIEW，利用此軟件設計上位機不僅能夠清晰顯示傳感器的測量結果，還可以利用其強大的運算功能實現數據的運算處理[14]。

通過LabVIEW中自帶的TCP/IP通信組件實現上位機與下位機的數據連接，在降低復雜度的同時可確保網絡通信的可靠性[15]。TCP服務器VI建立時，首先創建TCP偵聽器函數，接入服務名稱注冊的端口號，接出偵聽器ID與錯誤輸出;接著創建讀取TCP數據函數，接入連接ID與錯誤輸入，接出接連ID、數據輸出和錯誤輸出;最后創建關閉TCP連接函數，接入連接ID與錯誤輸入。在運行之前，將預先在下位機設定好的端口號填入VI中便可啟動TCP服務器[16]。

采用LabVIEW自帶的數值轉化模塊時，數據需輸出一個判斷語句，當發送語句字節為48 B時進入數據處理部分，采用自帶的讀取數據功能讀取下位機數據每行對應字符串，截取每一行字符串中對應的數值進行數值判斷和數值分析[17]。

LabVIEW數據讀取與處理程序如圖4所示。

該后臺軟件實現了對現場監控的功能，包括顯示采集的信息、處理信息等，顯示界面如圖5、圖6所示。

4 結 語

該系統實現了室內環境的實時監控，盡管在設計時本系統的定位是室內智能家居，但本系統也可以應用于工廠、礦井、汽車、大棚等地[18]。通過GSM無線傳輸功能和LabVIEW的可視化以及數據處理功能實現了室內氣體環境的實時監控，結合單片機控制報警等功能，本系統已能夠有效保證室內氣體環境，較為人性化。本系統能夠優化居住環境，有效降低成本，具有廣泛的應用前景。

注：本文通訊作者為張宇。

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