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基于labview的综合楼宇环境监测系统设计.pdf

发布时间：2022-05-30 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：1.80M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    第 14 2017 卷第 年 期 月 4 8 华北科技学院学报 Journal of North China Institute of Science and Technology Vol. 14 No. 4 Aug. 2017 基于 labview 的综合楼宇环境监测系统设计 靳文涛，刘 佳，刘永涛，夏旭洪 ( 华北科技学院 电子信息工程学院，北京 东燕郊 ) 065201 摘 要: 多年工业的发展带来了大气环境污染严重。大气污染不仅会影响人们的正常生活，而且 还引发了一系列的疾病 . 由于人们的生活和工作基本都是在室内，因此系统以民生相关的室内环 境参数作为采集对像，实现了基于 LabVIEW 的多层建筑物室内外空气质量在线监测。监测对象包 含了空气中的二氧化碳、PM2. 5、温湿度、VOC 等。分布式节点将多传感器数据进行限幅均值滤波 处理后，通过 RS485 总线传输到上位机，最终实现实时监测。系统还通过 ZigBee 技术实现了室外 空气质量数据采集，根据室内外数据对比可以为室内空气净化控制提供有效的支撑。 关键词: 多传感器融合; 分布式处理; 限幅均值滤波; 动态曲线 中图分类号: TP277 文章编号: 1672－7169 文献标识码: A 04－0086－07 2017 ( ) Design of the environment monitoring system for integrated building based on LabVIEW JIN Wen－tao ， LIU Jia ， LIU Yong－tao ， XIA Xu－hong ( School of Electronic and Information Engineering : ， North China Institute of Science and Technology ， Yanjiao ， 065201 ， China ) Abstract The development of industry for many years has brought serious pollution to the air environment. Air pollution will not only affect people＇s normal life but also trigger a series of diseases. Due to people＇s life and work are basically indoors ， hood as the collected objects ， the system takes the indoor environment parameters related to people＇s liveli- and realizes the online monitoring of indoor and outdoor air quality of multi－sto- rey buildings based on LabVIEW. The monitoring object contains carbon dioxide PM2. 5 temperature and humidity VOC etc. in the air. The multi sensor data which is processed via amplitude －limit fitltering and ， ， ， ， ， mean filtering by distributed nodes will be transmitted to the upper computer through RS485 bus ， and will be monitored in real time finally. The system also realizes the collection of outdoor air quality data through ZigBee technology. It can provide effective support for indoor air purification control according to the comparison of in- door and outdoor data . : Key words multisensor fusion ; distributed processing ; amplitude － limited filternig and mean fittering ; dynamic curve 随着社会的发展，人们的生活水平越来越高， 但同时人们赖以生存的大气环境遭到的污染也越 来越严重，人类的许多呼吸道疾病都由大气污染 引起，所以现在人们越来越关心大气环境，由于许 多人的生活和工作基本都是在室内，因此室内环 同时，环境监测是 境成了本次研究的重点对象 人们认识环境 控制环境质量的重要手 、 段，是进行环境决策的依据，是实现环境管理科学 评价环境 、 。 收稿日期: 2017－06－07 基金项目: 中央高校基本科研业务费资助项目( 作者简介: 靳文涛( 3142016022 ) 1963－) ，男，大学毕业，华北科技学院电子信息工程学院教授，从事电气控制研究 。E－mail : jwt@ ncist. edu. cn 68 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net
    第 4 期 靳文涛等: 基于 labview 的综合楼宇环境监测系统设计 。 。 环境监测可以及时 化的基础 准确的反应当前 、 环境质量状况，根据大量的监测数据还能预测其 因此，环境监测是实行环境管理与 变换的趋势 所以有必要设计一套环境监测 规划的科学依据 系统，能够实现实时监测室内环境［ 根据监测 当各项指标不在正常范围之内时，管理者可以采 取有效的调节措施 。 。 ］ 1 。 、VOC RS485 、PM2. 5 温度 、 湿度 、 针对以上的基本情况，本文设计了一种基于 的建筑物室内空气质量在线监测系统， 的 总 LabVIEW 该系统可以监测室内二氧化碳的浓度 等参数，并通过 浓度 线传输到上位机，实现实时监控，并且通过 ZigBee 技术实现了室外空气质量数据的采集，上位机软 件完成室内外空气质量的对比，根据对比结果可 以为人们的决策提供科学的依据 总线上 可挂接多个从机设备，从而实现大楼内每个楼层 、 或者同一楼层不同位置的监测 上位机用来实现 数据的实时显示，并生成波形图，方便看出各项数 据的变化趋势，波形图表中的数据可以直接导入 中进行进一步分析，为空气净化系统的 到 控制研究提供依据 1 监测系统结构设计 。RS485 Excel 。 。 。 。 、 、 。 。 。 室内 RS485 节点和室外 传感器包括 通信模块 、 二氧化碳传感器 、 境 位机系 统 两 部 分 组 成 RS485 Zigbee 节点都包括了电源模块 块 内环境，包含多层建筑的每个楼层 不同位置的情况 感器 质量传感 器，室 内 节 点 使 用 本设计监测目标为高层建筑物的室内外环 室内外环境监测控制系统由上位机系统和下 下 位 机 系 统 包 括 室 内 室内节点和室外 节点 处理器模块 传感器模 节点用于在线监测室 或者同一楼层 、 颗粒物传 空气 室 外 节点用于检测室外环境参数，人们可以通 Zigbee 过室内外环境数据的对比，决定自动或者手动控 制空气净化系统的的起停以及是否可以开窗等行 软件设计，所 为 有的数据都通过上位机统一管理，上位机会依次 查询每个节点的数据，完成实时显示并生成各项 指标的波形图表，上位机可给所有节点发送报警 命令，触发节点上的蜂鸣器实现报警功能［ PM2. 5 温湿度传感器 、 上位机监控界面通过 、VOC 通 信 LabVIEW RS485 。 。 ］ 2 。 系统的输入模块为各路采集信号的传感器， 。 VOC VOC 二氧化碳传感器 、 其中 主要有温湿度传感器 、PM2. 5 传感器， 传感器的输出 传感器 为模拟信号，一般微处理器只能处理数字信号 。 为了避免添加冗余的模数转换电路，微处理器选 芯片，它的内部集成了分 择了 转换器，能方便的把传感器的输 辨率为 出信号进行模数转换，转换完成后的数字量经过 微处理器处理后最后发送到上位机［ 其他三 个传感器均为集成度较高的数字式传感器通过 STM32F103RBT6 AD 位 12 。 ］ 3 I2 接口连接至处理器，无需添加额外的硬 最 后 各 个 从 机 经 过 通 信 模 块 连 接 到 和 SPI C 件电路 。 总线上， 。 转 PC RS485 总线通过一个 ］ 4 485 端［ USB RS485 模块连接到 总线上的每个从机都有自 己的地址，方便上位机对从机设备的管理 为了 防止总线冲突，所有的从机默认均为接收模式，从 机不会主动上传数据，数据由上位机下发命令依 上位机轮流的读取各个从机的数据，从 次读取 机发送完数据后又回到接收模式，等待下次的读 取命令［ 上位机读取完一次数据后便更新波 形图表 。 系统结构图如图 所示 。 。 ］ 5 1 。 。 图 1 系统结构图 室内从机直接采用 1. 1 室内从机的整体结构 AC220V 供电，由内部集 成的开 关 电 源 模 块 和 稳 压 模 块 进 行 电 压 的 转 换，可满足从机的各部分的电压需求 当单片 。 78 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net
    华北科技学院学报 2017 年第 期 4 RS485 总线发送数据回上位机 机收到总线上的读取数据的命令后，单片机读 取各个传感器的数据，进行限幅均值滤波处理， 然后通过 当单 片机收到上位机发送的报警命令后，触发本节 点蜂鸣器报警 从机的下位机系统设计了丰富 的命令，使得从机除了应用于本系统外，还能应 用于其他的功能类似的系统 室内从机结构如 图 所示 。 。 。 2 。 图 3 室外节点结构图 2 基于 LabVIEW 的上位机软件设计 本次上 位 机 设 计 采 用 的 开 发 环 境 为 Lab- 的软件开发首先是从新建 VI 。 。 前面板窗口相当于 VIEW2014。LabVIEW 一个新的项目开始，然后在项目中添加 VI。VI ( 虚拟仪器) 主要由两部分组成，一部分是前面 板，一部分是程序框图 ， GUI 的用户界面，可以根据用户的需要在上面放 是 程序框图相当于传统编程方式的文本编 置控件 辑器，不过使用的是是图形化源代码 创建前面 板窗口并在上面添加控制对象后，需要控制前面 板上的对象，所以就要为程序框图添加图形化函 数 引用 、 。 程序结构和连接线，连接线用 的子 、 于在程序框图对象间传递数据［ 2. 1 VI 前面板设计 程序框图对象包括函数 函数的接线端 、 数据常量 VI、 。 。 ］ 6 监测界面有很好的可操作性，操作人员只需 对各模块的功能加以了解，就可以轻松的操作该 所示，通过 上位机监测系统［ 前面板即可方便的查看到各个点的监测情况 前面板如图 。VI ］ 7 4 。 图 2 室内从机结构图 1. 2 室外从机的整体结构 室外节点与室内节点整体结构类似，由于室 外的二氧化碳浓度是人们难以改变的，并且室外 的二氧化碳浓度通常低于室内，所以室外节点为 了考虑成本问题，取消了二氧化碳和 传感 器 供电或者是太阳能电 池供电 AC220V 室外节点结构如图 室外节点可选 所示 VOC 。 3 。 。 88 图 4 VI 前面板 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net
    第 4 期 靳文涛等: 基于 labview 的综合楼宇环境监测系统设计 和 COM COM2 COM1 LabVIEW 界面上的 控件用来选择计算 口，点击退出按钮可以停止上位 机所连接的 ，其余控件均为显 机软件的运行并退出 示控件，左侧区域用于显示空气质量的当前值，右 侧区域的波形图表用于记录各项指标的曲线图 。 通过波形图表可以直接将数据导入到 中保 存，波形图标右下角的曲线图标可以用来改变曲 线的显示颜色 调整曲线的粗细 、 等属性 波形图表上方的选项卡控件用于选择当 前的显示项，每项指标对应一个选项卡，鼠标单击 相应的选项卡即可进入对应的波形图表 实时测 量数据的图形化显示，在实时校准时，有选择地 显示多个通道曲线或者波形，可以是一条，多条或 者是全部［ 设置曲线的形状 、 Excel 。 。 ］ 8 。 2. 2 VI 程序框图设计 。 利用 LabVIEW 的并行性，本次设计采用了 生产者与消费者循环模式设计程序框图，生产 者循环用于生产数据，消费者循环用于处理数 据 生产者循环与消费者循环之间通过个数据 队列传输数据，数据队列的缓冲区可以存储消 费者循环来不及处理的数据，当数据的产生速 率大于数据的消费速率的时候不会造成数据的 当然，本次设计的数据产生速率较慢，而 丢失 数据处理速率较快，缓冲区中一般不会存在未 但 是 在 许 多 高速 数 据 采 集 程 序 处理 的 数 据 中，数据队列的作用便体现出来了 生产者循 环程序框图如图 所示 。 。 。 5 。 图 5 生产者循环 COM 接下来调用 数据位宽度 、 VISA Configure Serial Port 进入生产者循环之前，首先调用了串口配置 ) ，此函数会根据 函数( 口，参数包括波特 输入的多个参数自动配置 有无流控制等 率大小 、 。 参数可以直接定义为常量，也能为参数添加输入 控件，读取用户的输入参数 有无校验位 、 循环后，每 函数，该函数用于创建数据队列 Obtain 进入生 Queue 秒发生一次超时事件，超 产者 口发送读取数据的命令，读取 时事件中通过 从机上的数据，读取到数据后送入数据队列 当 前面板上点击退出按钮是会触发退出事件，此时 循环程序，执行退出操 会结束当前运行的 生产者循环中使用了事件结构，使 作的程序段 用事件结构的好处是可以快速响应用户的操作， While While COM 。 。 。 。 2 如果不使用事件结构有可能用户的退出操作存在 较大延迟，甚至导致退出操作因为延时程序而被 错过，最终不能正常退出程序 。 。 。 消费者循环用于处理生产者循环中产生的 首先索引数据队列中的数组元素，得出 数据 该组数据对应的从机，然后将数据发送到相应 的前面板显示控件中 当所有从机的数据都被 读取一遍之后，调用前面板显示控件的值的属 性节点，捆绑数据并且更新一次波形图表，此时 波形图表上将看到一组新的数据，前面的数据 被存入波形图表的缓冲区，缓冲区设置为 ， 1024 多余的数据则被抛弃 消费者循环的程序框图 如图 所示 。 6 。 98 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net
    华北科技学院学报 2017 年第 期 4 图 6 消费者循环 7 执行退出操作的程序如图 所示，此程序首 先关闭串口，然后等待数据队列中的数据被消费 者循环处理完，处理完成之后关闭数据队列并退 ，因为本系统的数据处理速率远大于 出 数据的生成速率，所以数据队列中一般不会存在 缓冲，因此用户点击退出按钮后，通常程序能立即 关闭并退出 LabVIEW LabVIEW。 图 8 密码认证 要组成部分，程序设计好坏直接决定了整个系统 的开发周期的长短 本次系统设计的软件 程序流程图如图 性能 、 所示 。 9 。 图 7 退出操作程序 2. 3 上位机程序安装包的生成 专业版提供了安装包生成工具，可 程序的安装包，当其他电脑 的运行引擎时，可以安装生 LabVIEW LabVIEW 以用来生成 上没有安装 LabVIEW 成的安装包既可运行 LabVIEW 编写的程序 。 为了防止非专业人员修改程序框图，本系统 还提供了密码保护，开启后只有正确输入密码才 能查看或者修改程序框图 3 节点的下位机程序设计 如图 所示 。 8 。 在下位机节点程序设计是整个系统开发的重 图 9 软件流程图 09 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net
    第 4 期 靳文涛等: 基于 labview 的综合楼宇环境监测系统设计 软件程序运行的具体步骤: ( 的 1 寄存器并初始化系统时钟，将系统时钟配置 ) 系 统 初 始 化 主 要 是 操 作 STM32 。 RCC 为 72 MHz。 。 ( ( ) 定时器初始化 主要是初始化 2 。 SYSTICK STM32 定时器，为了得到较为准确的延时函 定时器 这样做的好处是定时时 也不占用系统定 的 数，本次设计的延时程序使用了 来实现指定时间的延时 间精确，而且不占用中断资源 时器 SYSTICK 。 、 256 CM3 。STM32 ) 设置中断优先级分组 51 个中断，但是 系列单片机复杂了很多， 3 统相对 持 STM32 部中断，而是使用了一部分 片机有 60 级，相 比 的中断系 内核支 并没有使用内核的全 系列单 个中断源，具有十六级可编程中断优先 级 中 断 优 先 级 控 制， 如此强大的中 STM32 断系统必须使用完善的中断系统管理程序，才能 保证中断系统的有条不紊 的中断系统强大了许多 。STM32F103 单 片 机 的 51 。 2 。 。 。 ) 串口初始化 ( 本次选用的处理器硬件支 4 个串口，所用的颗粒物传感器和二氧化碳传 持 感器数据接口均为串口，所以必先初始化串口，配 置好串口相应参数 3 ( 5 IO ) 初始化 IO。STM32 单片机的 口相比 单片机而言要强大得多，所以使用起来也大有 口可以由软件配 根据不同的应用需求，需要 采样 51 不同 置为多种工作模式 将 口，则应该配置成模拟输入模式 口配置成相应的模式 系列单片机的 例如作为 。STM32 AD 。 。 IO IO ( 6 IO 。 的每个 。STM32 ) 初始化外部中断 口 都可以作为外部中断的输入口 本次设计的二氧 接口，但是 化碳传感器和处理器连接采用 因为处理器串口资源已全部使用，所以采取软件 完成虚拟串口设计，用任意的两个 口虚拟出串 口通信格式和传感器通信，在此配置的外部中断 则相似于串口中断 USART IO 。 。 初始化 ) ( 7 。 ADC 本次设计的 传感器 输出为模拟量输出，所以需要将模拟量转换成数 字量， 转换器， 能方便的将传感器输出的模拟量转换成数字量 单片机集成了 STM32 为的 VOC AD 12 ( ) 传感器初始化 主要是初始化 。 AM2321 初始化成功则继续执行，初始化 8 温湿度传感器 。 失败会有指示灯会闪烁提示 。 因为 ( 9 。 RS485 ) 解析从机地址 总线上同 时挂接多个传感器，所以为了方便管理所有从机， 每个从机都有自己的地址，节点通过直连处理器 个节点地址， 8 所以进入主程序之前必须先解析从机的地址，所 有的总线数据都通过从机的地址进行一一区分， 解析流程如图 口为整个系统可以提供 所示 256 I /0 个 10 。 图 10 系统解析流程图 ( 。 。 10 ) 进入主循环 等待总线下发命令 收 到命令后首先比对地址，地址与从机地址不匹配 则返回继续等待，地址匹配则解析命令并执行操 作，主要操作为发送数据或触发蜂鸣器报警，执行 操作完成后继续等待总线下发的命令，具体命 如下: : 数据的起始帧，即帧头; 5A、A5 addr : 从机地址 。 5A FF FF 00 00 5Aaddr aaddr FF FF 5Aaddr aaddr 86 86 5Aaddr aaddr 87 87 5Aaddr aaddr 88 88 5Aaddr aaddr 89 89 读取从机地址 触发从机报警 读取 传感器数据 读取温湿度传感器数据 读取二氧化碳传感器数据 读取 传感器数据 PM2. 5 VOC 19 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net
    华北科技学院学报 2017 年第 期 4 一次读取所有传感器数据 4 总结 5Aaddr aaddr 90 90 系统主函数如下: ( ) void / / 主函数 int main { SystemInit delay_init ( ) ; ( ) ; / / / / 系统初始化 延时函数初始化 NVIC_PriorityGroupConfig ( NVIC_PriorityGroup_ ( uart_init ) ; 串口初始化 / / 9600 ( 初始化 USART_Cmd USART2 ( ) ; Init / / IO ， DISABLE ) ; EXTIX_Init ( ) ; 外部中断初始化 / / DIS_VU ; ( ) ; Adc_Init / / ADC ( while AM2321_Init 初始化 ( ) ) delay_ms } ; PMS = 1 ( ) ; LED = ! 60 ; LED 开启颗粒物传感器 / / ( ) ; 解析从机地址 ; / / ARP_slave Pointer = task0 ( ) 1 / / 主循环 while { ( * Pointer ) ( ) ; / / 执行任务函数 } ) ; 2 { } LabVIEW 本文设计了监测系统的整体方案，完成了上 位机 软件的设计和下位机软硬件的开 发，最后对本系统进行了综合调试，由于环境参数 基本没有数据突变情况发生，通过分布式节点限 幅均值滤波处理大大提高了系统数据采集的时效 性和准确性，经过长时间运行系统稳定可靠 。 参考文献: ［ ］ 郝光健 1 基于 . ］ 的设计［ D ． 基于 ［ ］ 毛江 2 . 和单片机的室内环境监测预警系统 labview 山东: 山东农业大学， 2014. 的上位机监控程序设计［ ( ) ］ . J / OL 中 ARM Cortex－M3 核微控制器 北京: 清华大学出版社， 2011. ］ 的空气质量监测系统［ J ． 四川 LabVIEW 国科技论文在线， 2010 ］ 喻金钱，喻斌 ［ 3 开发与应用［ M ［ ］ 刚乐，杜文正 基于 4 ( ， 32 兵工学报， ． . STM32F ］ . RS485 ) : . 3 系列 ［ ］ 卢蒙蒙 5 . 2011 实现与血氧光谱分离的脉搏色素谱测量方法研究 103－105． 5 ］ ［ D ． 长春: 吉林大学， 2014. ［ ］ 陈树学，刘萱 6 . LabVIEW 社， 2011. 宝典［ ］ . M 北京: 电子工业出版 ］ 刘二林，柳彦虎，姜香菊 ［ . 7 ］ 环境监控系统的设计［ J ． 基于 LabVIEW 制造业自动化， 的无线多点实时 ， 37 ( ) : 3 141 2015 －144. ［ ］ 金鑫 8 . 基于 ］ 准系统［ J ． LabVIEW 的环境试验设备温湿度实时监测校 上海计量测试， ( ) : 3 30－33. 2013 櫋櫋櫋櫋櫋櫋櫋櫋櫋櫋櫋櫋櫋櫋櫋櫋櫋櫋櫋櫋櫋櫋櫋櫋櫋櫋櫋櫋櫋櫋櫋櫋櫋櫋櫋櫋櫋櫋櫋櫋櫋櫋櫋櫋 ( 上接第 68 页) 参考文献: ］ 王金龙，赵敬德 ［ 1 ( 通风空调， 2016 . ］ 空气源热泵除霜过程分析［ J . ) : 11 17－20. 建筑热能 ， 28 ］ 闻作样，马景涛 ［ 6 ， 1954 tioning : . 122－130. ］ 北京地区多种供热方式研究［ J . 区域供 ［ ］ 5 R C Jordan ， J L Threlkeld. Design and economics of solar energy heat pump systems . Heating ［ ］ J ， Piping and Air Condi- 热， ( 2003 3 ］ 付冰，刘亮 ［ 7 与设计， ) : . 14－30. 空气源热泵热水机组节能分析［ ］ J . ( ) : 工程建设 80－82. ］ 王春青，王舒展，徐凯，等 ［ 8 2008 7 . 吉林建筑大学学报， ］ ［ J . ( ) : 3 39－42. 2015 集中供热管网热损失实测分析 ］ 曲明璐，余倩，李封澍，等 ［ 2 ］ 状及进展［ J . . 建筑节能， ( ) : 08 1－5. 2016 空气源热泵除霜问题的研究现 ［ ］ 孙莹 3 . 暖通空调领域太阳能应用及发展态势研究［ ］ . J 能源 与节能， 2016 ( ) : 1 90－91. 太阳能一热泵辅助加热热水系统 节能科技， ) : ( 2015 1 38－40. ］ 刘晓静，许超，施娟，等 ［ 4 ］ 运行的经济性分析［ J . . 29 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net
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