基于虛擬儀器技術(shù)的粉塵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉 智 劉修泉 劉 俊

（佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 佛山528137）

0 引言

在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織中，將浮在空氣中的且粒徑小于75μm的固體顆粒稱之為粉塵。粉塵顆粒極易通過呼吸道進(jìn)入人體，會(huì)對(duì)人的身體造成嚴(yán)重的危害[1]。隨著科技的發(fā)展，工業(yè)以及汽車行業(yè)排放的尾氣不斷增多，致使粉塵污染對(duì)人類健康以及環(huán)境的破壞程度越來越嚴(yán)重。特別是在各種類型的工礦作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中，粉塵超標(biāo)事件時(shí)有發(fā)生[2]。工礦業(yè)中粉塵超標(biāo)不僅嚴(yán)重威脅了作業(yè)人員的生命及財(cái)產(chǎn)安全，還會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。因此，設(shè)計(jì)出一款能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)空氣中粉塵濃度，以及當(dāng)濃度超標(biāo)時(shí)能夠?qū)崟r(shí)報(bào)警，并能夠?qū)⑺袛?shù)據(jù)保存以進(jìn)行進(jìn)一步分析的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)尤為重要。

虛擬儀器技術(shù)是將計(jì)算機(jī)技術(shù)與傳統(tǒng)的測(cè)量?jī)x器技術(shù)進(jìn)行了結(jié)合，是現(xiàn)代測(cè)量?jī)x器發(fā)展的一個(gè)重要的方向[3]。與傳統(tǒng)的測(cè)量監(jiān)測(cè)儀器相比較，虛擬儀器可以根據(jù)用戶的需求來自定義功能，當(dāng)用戶的需求發(fā)生改變時(shí)，可以隨時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行功能修改和系統(tǒng)配置，并且在不同系統(tǒng)之間可以進(jìn)行硬件和軟件資源共享。不僅克服了傳統(tǒng)儀器功能只能由廠家提前定義且功能固定的缺點(diǎn)，還具有使用周期長(zhǎng)、靈活性極高、成本低且可以重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)[4]。本文提出了基于虛擬儀器技術(shù)的粉塵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，首先通過傳感器采集粉塵濃度數(shù)據(jù)，然后通過采集卡將數(shù)據(jù)傳送到計(jì)算機(jī)，最后利用虛擬儀器的LabVIEW軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示、存儲(chǔ)、監(jiān)測(cè)以及報(bào)警等功能。

1 粉塵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

該粉塵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖1所示，主要包括下位機(jī)和上位機(jī)兩個(gè)部分的設(shè)計(jì)。其中，下位機(jī)主要通過傳感器和串口來實(shí)現(xiàn)粉塵濃度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和傳送功能。上位機(jī)主要通過計(jì)算機(jī)中裝有的LabVIEW 2011軟件來實(shí)現(xiàn)，主要是對(duì)下位機(jī)傳送過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收和進(jìn)一步的分析以及處理。其通過波形圖和數(shù)值顯示框來顯示測(cè)量數(shù)據(jù)，當(dāng)粉塵濃度數(shù)值超過一定范圍時(shí)通過LED報(bào)警燈實(shí)現(xiàn)超限報(bào)警，通過波形圖和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的記錄、保存、讀取、修改和消除等功能。

圖1 粉塵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)

2 系統(tǒng)下位機(jī)的設(shè)計(jì)

2.1 激光粉塵傳感器

該系統(tǒng)下位機(jī)采用ZH06傳感器將環(huán)境中待測(cè)的粉塵濃度信息轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)。ZH06是一個(gè)小型化、集成化的一個(gè)通用的激光粉塵傳感器模組，主要利用米氏散射的原理來實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣中的粉塵顆粒監(jiān)測(cè)。當(dāng)顆粒物經(jīng)過該模塊時(shí)會(huì)產(chǎn)生微弱的光散射，而光散射在特定方向上的波形與顆粒直徑有關(guān)。首先通過不同顆粒的波形分類統(tǒng)計(jì)以及換算可以得到顆粒的大小和數(shù)目，然后根據(jù)專業(yè)算法和檢測(cè)標(biāo)定技術(shù)得到質(zhì)量轉(zhuǎn)換公式以及粒徑的分布，最終得到標(biāo)準(zhǔn)單位的質(zhì)量濃度。該傳感器包含串口輸出和PWM輸出兩種方式，最小分辨顆粒的直徑在0.3μm，不僅精度高，還具有體積小、使用方便、一致性好、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、便于集成、低功耗等優(yōu)點(diǎn)。

2.2 串口通信

該傳感器自帶專門的串口接收和發(fā)送接口，主要是使用TTL電平來進(jìn)行數(shù)據(jù)的輸出以及接收，采用了數(shù)據(jù)傳輸總線UART轉(zhuǎn)TTL接口的方式來實(shí)現(xiàn)傳感器和電腦的連接。該串口的通信參照Z(yǔ)H06-UART的協(xié)議，波特率為9 600，數(shù)據(jù)位為8位，停止位為1位，檢驗(yàn)位為無，主要采用了異步通信的方式。UART主要是通過采集接收的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成串行數(shù)據(jù)來進(jìn)行傳輸。當(dāng)接收器發(fā)現(xiàn)開始位時(shí)就知道有數(shù)據(jù)準(zhǔn)備發(fā)送。與傳統(tǒng)的USB接口以及通過采集卡的方式傳輸數(shù)據(jù)的方式相比，該方法具有傳輸速度快、數(shù)據(jù)容量大的優(yōu)點(diǎn)。

3 系統(tǒng)上位機(jī)的設(shè)計(jì)

對(duì)于系統(tǒng)的上位機(jī)平臺(tái)，采用軟件LabVIWE 2011進(jìn)行編寫。LabVIEW是用圖標(biāo)來代替文本代碼來創(chuàng)建程序的一種圖形化編程語(yǔ)言，提供了很多外觀與萬用表、示波器等傳統(tǒng)儀器類似的控件，可以很方便地創(chuàng)建各種用戶界面[5]。本文通過利用軟件編程來設(shè)計(jì)清晰的人機(jī)交互界面，并且實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、處理、顯示、存儲(chǔ)、報(bào)警以及歷史數(shù)據(jù)清除等功能。該檢測(cè)系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)圖主要由串口配置、參數(shù)設(shè)置、采集數(shù)據(jù)顯示、分析數(shù)據(jù)顯示、報(bào)警、按鍵控制這六大模塊組成，主要通過程序框圖和前面板的設(shè)計(jì)兩個(gè)部分來完成。

3.1 串口配置模塊

串口配置模塊主要是通過前面板選擇串口號(hào)，設(shè)置波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和檢驗(yàn)位。設(shè)置好參數(shù)之后，在程序框圖中利用NI-VISA編程接口進(jìn)行串口配置，在通信成功后再發(fā)送數(shù)據(jù)流，以此來實(shí)現(xiàn)對(duì)下位機(jī)的傳感器的驅(qū)動(dòng)，并讓串口和計(jì)算機(jī)成功進(jìn)行連接以實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和下位機(jī)之間數(shù)據(jù)的傳送和接收。

3.2 參數(shù)設(shè)置模塊

參數(shù)設(shè)置模塊主要是設(shè)置報(bào)警限值和采樣間隔。報(bào)警限值的設(shè)定不是固定唯一的，需要根據(jù)長(zhǎng)期數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果、國(guó)家的環(huán)境指標(biāo)以及自動(dòng)控制原理等綜合確定的，主要包括下限值和上限值兩個(gè)部分的設(shè)置。采樣間隔根據(jù)需要采集樣本的點(diǎn)數(shù)和總共采集時(shí)間來決定。如果要實(shí)現(xiàn)單次采集，可以通過設(shè)定采樣間隔時(shí)間來實(shí)現(xiàn)。

3.3 采集數(shù)據(jù)顯示模塊

對(duì)于通過串口通信讀取過來的數(shù)據(jù)，在LabVIEW前面板上主要是通過數(shù)據(jù)顯示控件來顯示當(dāng)前測(cè)量濃度，以及通過波形顯示控件來顯示某一個(gè)時(shí)間段的數(shù)據(jù)波形圖和曲線。該模塊主要包含PM2.5和PM1.0兩類粉塵濃度數(shù)據(jù)的顯示。其程序框圖的設(shè)計(jì)主要是對(duì)串口讀取過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將接收到的十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)據(jù)之后，通過轉(zhuǎn)換公式轉(zhuǎn)換成濃度值，然后再將數(shù)據(jù)送往相應(yīng)的顯示控件進(jìn)行顯示。

3.4 數(shù)據(jù)分析顯示模塊

數(shù)據(jù)分析顯示模塊前面板部分主要通過數(shù)值顯示控件來顯示計(jì)算出的平均值、最大值以及最小值。其程序框圖主要通過將要計(jì)算的數(shù)據(jù)存入存儲(chǔ)器，然后通過數(shù)據(jù)計(jì)算模塊存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)將求得最大值、最小值以及平均值后，將計(jì)算結(jié)果送入對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)顯示控件。

3.5 報(bào)警模塊

報(bào)警模塊主要通過按鍵和LED燈實(shí)現(xiàn)控制，當(dāng)按鍵打開且粉塵濃度值超過設(shè)定的閾值時(shí)，達(dá)到報(bào)警標(biāo)志位，使報(bào)警燈會(huì)點(diǎn)亮，同時(shí)粉塵濃度數(shù)據(jù)與報(bào)警信息將一并打包發(fā)送給存儲(chǔ)部分。

3.6 按鍵控制模塊

按鍵模塊主要包括開始采集、清除波形和退出3個(gè)按鍵。當(dāng)運(yùn)行程序選擇開始運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)將開始運(yùn)行并顯示系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行。當(dāng)選擇歷史數(shù)據(jù)清除控件時(shí)，所有數(shù)值顯示模塊所有的控件將清空。當(dāng)選擇退出按鍵時(shí)，系統(tǒng)會(huì)通過退出主程序While循環(huán)來停止程序的運(yùn)行并提示是否退出系統(tǒng)。

3.7 前面板的設(shè)計(jì)

該粉塵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的前面板設(shè)計(jì)如圖2所示，在參數(shù)模塊將各類參數(shù)設(shè)置好之后，系統(tǒng)通過開始采集按鈕給下位機(jī)發(fā)送命令，下位機(jī)在通信成功接到命令后，開始采集粉塵濃度數(shù)據(jù)，并通過串口傳送給上位機(jī)。上位機(jī)接收的數(shù)據(jù)之后將會(huì)在對(duì)應(yīng)模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、分析、顯示和報(bào)警等功能。

圖2 粉塵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的前面板設(shè)計(jì)

4 結(jié)語(yǔ)

由于生活水平的提高，人們對(duì)環(huán)境狀況的關(guān)注度越來越高，對(duì)粉塵濃度的監(jiān)測(cè)需求越來越大，對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的要求也越來越高。本文提出基于虛擬儀器的粉塵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通過傳感器、計(jì)算機(jī)和軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了粉塵濃度的采集、處理、顯示、報(bào)警等功能。本設(shè)計(jì)是基于虛擬儀器技術(shù)，解決了傳統(tǒng)儀器監(jiān)測(cè)粉塵濃度的設(shè)備過于笨重且不夠靈活的缺點(diǎn)，不僅集成度高，還可隨時(shí)根據(jù)不同用戶的要求和目的來增減功能，具有靈活多變、使用方便的優(yōu)點(diǎn)。但是本文介紹的系統(tǒng)功能還可以進(jìn)一步拓展和優(yōu)化，比如在今后的研究中加入遠(yuǎn)程監(jiān)控、數(shù)據(jù)庫(kù)的鏈接等功能，以便于該系統(tǒng)的進(jìn)一步推廣。