基于LabVIEW的智慧實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

茆玉辰+張宸烽+史洪瑋

摘要：針對(duì)高校實(shí)驗(yàn)室數(shù)量多、涉及面廣、管理難度大等問題，設(shè)計(jì)一種基于LabVIEW和樹莓派的智慧實(shí)驗(yàn)室的研究與設(shè)計(jì)系統(tǒng)。該系統(tǒng)以樹莓派為核心管理傳感器等設(shè)備，通過網(wǎng)絡(luò)建立樹莓派與LabVIEW的實(shí)時(shí)連接，對(duì)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行監(jiān)控和管理。試驗(yàn)證明，該系統(tǒng)開發(fā)成本低，可拓展性好，集成度高，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)室智能化信息管理、資源共享、安全防衛(wèi)和節(jié)能降耗，適用于各類實(shí)驗(yàn)室，具有廣泛的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：LabVIEW；樹莓派；實(shí)驗(yàn)室管理

隨著信息化與數(shù)字化時(shí)代的到來，高校實(shí)驗(yàn)室作為師生教學(xué)和科研的重要場(chǎng)所，不僅擁有大批貴重、精密儀器設(shè)備，還是學(xué)校人群密集區(qū)，使實(shí)驗(yàn)室安全管理問題顯得更加重要和突出。實(shí)驗(yàn)室管理不當(dāng)不僅會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)室資源利用率低，還會(huì)直接造成實(shí)驗(yàn)室重大的財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡。

目前，高校實(shí)驗(yàn)室的安全管理主要依賴于人工管理，管理體制和管理方式上過于單一，對(duì)于實(shí)驗(yàn)室實(shí)施開放式管理非常困難。當(dāng)前國內(nèi)高校實(shí)驗(yàn)室的安全管理都較為原始，門窗的關(guān)閉、設(shè)備的使用、材料的耗損，一般依附于實(shí)驗(yàn)室專門檢查、執(zhí)行的工作人員；實(shí)驗(yàn)室流動(dòng)性大、接觸人員多，不僅需要實(shí)驗(yàn)室工作人員明確的分工，還需要加大對(duì)安全管理的監(jiān)督、檢查力度，但人工的管理難免有疏忽，事故責(zé)任相互推脫屢見不鮮。為了解決大部分高校實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備使用率低、實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)控不完善的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種基于LabVIEW和樹莓派的智慧實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)。

1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1樹莓派模塊

該系統(tǒng)以樹莓派為核心，利用攝像頭、煙霧報(bào)警器、人體紅外傳感器、火焰安全傳感器、溫濕度傳感器采集到的數(shù)據(jù)，通過GPIO接口實(shí)現(xiàn)與樹莓派通信，利用無線模塊將實(shí)驗(yàn)室監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)、視頻實(shí)時(shí)發(fā)送給上位機(jī)。具體實(shí)施步驟為：首先根據(jù)樹莓派的驅(qū)動(dòng)程序?qū)漭傻腉PIO端口號(hào)和各傳感器進(jìn)行連接，確保模塊功能正常使用；將樹莓派和傳感器放在實(shí)驗(yàn)室合適的位置上，從而進(jìn)行全面、實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)；之后用戶自定義實(shí)驗(yàn)室的情況。達(dá)到用戶指定情況，上位機(jī)通過無線收發(fā)模塊向樹莓派發(fā)送開關(guān)命令數(shù)據(jù)。開關(guān)控制模塊與樹莓派相連，樹莓派收到開關(guān)命令數(shù)據(jù)后向繼電器發(fā)出命令，繼電器控制門、窗簾、空調(diào)等設(shè)備的開關(guān)。最后，上位機(jī)界面顯示樹莓派傳送上來的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行對(duì)比處理，超過閾值，發(fā)出警報(bào)，并及時(shí)提醒管理者。基于LabVIEW的智慧實(shí)驗(yàn)室的系統(tǒng)圖如圖1所示。

1.2外圍硬件模塊的改進(jìn)與實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)的硬件主要包括攝像頭、煙霧報(bào)警器、人體紅外傳感器、火焰?zhèn)鞲衅?、溫濕度傳感器等多種模塊，通過GPIO接口將樹莓派與各傳感器和電路通信，實(shí)現(xiàn)與外部世界交互，通過發(fā)送高電平或低電平信號(hào)到外部設(shè)備，從而控制各個(gè)功能模塊的工作。本樹莓派使用了3代B型，功能拓展性高，允許它充當(dāng)控制器去控制一個(gè)更大的電子電路。如圖2是樹莓派模塊與傳感器的搭建。

攝像頭與樹莓派相連，在LabVIEW界面上可以觀測(cè)到實(shí)驗(yàn)室的所有情況。當(dāng)不使用實(shí)驗(yàn)室時(shí)，根據(jù)安裝在門窗上的人體紅外傳感器傳來的數(shù)據(jù)可以判斷是否有人員進(jìn)人。當(dāng)有人員非法進(jìn)出實(shí)驗(yàn)室時(shí)，上位機(jī)接收紅外數(shù)據(jù)，對(duì)攝像頭發(fā)出拍攝指令，將非法人員的照片存入上位機(jī)，并向樹莓派的蜂鳴器發(fā)出指令進(jìn)行警報(bào)。

溫濕度傳感器DHT11能夠同時(shí)測(cè)量溫度和相對(duì)濕度，在檢測(cè)到環(huán)境變化時(shí)就把相應(yīng)的數(shù)據(jù)電平發(fā)送給樹莓派執(zhí)行來傳給上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。DHT11應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，具有極高的可靠性與卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)。上位機(jī)監(jiān)控界面LabVIEW，通過發(fā)送到的數(shù)據(jù)字符串，提取溫濕度值，并采用數(shù)字和波形圖的方式顯示出來。用戶可按季節(jié)等因素設(shè)定最佳的溫濕度值，系統(tǒng)將設(shè)定值和當(dāng)前數(shù)據(jù)對(duì)比，當(dāng)室內(nèi)溫濕度低于或高于溫濕度的設(shè)定值時(shí)，控制終端設(shè)備進(jìn)行溫濕度自動(dòng)調(diào)節(jié)。

同時(shí)為了防范插座引起的火災(zāi)，而采用了火焰?zhèn)鞲衅?。火焰?zhèn)鞲衅鲗?duì)火焰最敏感，可以檢測(cè)波長(zhǎng)在760納米～1100納米范圍內(nèi)的光源，靈敏度可以根據(jù)需求調(diào)節(jié)?；鹧?zhèn)鞲衅鬏敵鼋涌诳梢耘c樹莓派GPIO口直接相連，把外界的紅外光的強(qiáng)弱轉(zhuǎn)化為高低變化的電平信號(hào)，輸入到樹莓派，上位機(jī)根據(jù)接收的信號(hào)判斷火情發(fā)出警報(bào)。

煙霧的檢測(cè)采用MQ-2氣體傳感器，探測(cè)范圍廣泛、靈敏度高、穩(wěn)定性好，可燃?xì)怏w數(shù)據(jù)通過無線模塊發(fā)送至上位機(jī)，當(dāng)檢測(cè)信號(hào)超過設(shè)定的閾值時(shí)，上位機(jī)上有所警示并發(fā)送緊急命令給樹莓派，樹莓派發(fā)出警報(bào)并關(guān)閉所有開關(guān)。

2系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的軟件設(shè)計(jì)包括控制開發(fā)環(huán)境的搭建，Lab—VIEW庫函數(shù)的調(diào)用，數(shù)據(jù)采集程序的設(shè)計(jì)和圖形化的界面程序設(shè)計(jì)。用LabVIEW來設(shè)計(jì)用戶界面、子程序框圖，包含圖形化的程序”G”語言編輯器，TCP/IP、Active x等庫函數(shù)和設(shè)計(jì)測(cè)試并實(shí)現(xiàn)儀器系統(tǒng)功能。

LabVIEW工具用圖標(biāo)、連線和框圖代替?zhèn)鹘y(tǒng)的程序代碼，編制各種控制程序，通過測(cè)試測(cè)量最終實(shí)現(xiàn)子程序調(diào)用。

2.1前面板的設(shè)計(jì)

前面板界面主要由監(jiān)控畫面、溫濕度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、溫度計(jì)、軟件電源開關(guān)、繼電器電源開關(guān)以及火焰、煙霧報(bào)警的顯示窗口組成。

監(jiān)控圖像采集部分主要由LabVIEW前面板控制面板中VI—SION模塊的IMAQ或者IMAQdx來采集，并且結(jié)合VB和VC中調(diào)用攝像頭用的圖像控件，也就是picturebox共同實(shí)現(xiàn)，另外捕捉攝像頭利用的是capCreateCaptureWindowA函數(shù)。溫濕度部分通過溫度計(jì)和數(shù)值兩種方式顯示數(shù)據(jù)，溫度顯示部分由一個(gè)溫度計(jì)和一個(gè)顯示控件構(gòu)成，兩者可以顯示0到40攝氏度的溫度；濕度顯示部分由一個(gè)濕度計(jì)和一個(gè)顯示控件構(gòu)成，兩者可以顯示相對(duì)濕度的范圍為0到50%。

前面板上的火焰、煙霧報(bào)警模塊由兩個(gè)布爾元件組成，在正常情況下，報(bào)警燈顯示為綠色，在溫度或濕度在遇到超過設(shè)定的閾值的情況時(shí)會(huì)變成紅色?；鹧?、煙霧報(bào)警燈模塊下方的“開關(guān)”控件是上位機(jī)程序的開關(guān)，“電源開關(guān)”控制繼電器。當(dāng)繼電器開啟的時(shí)候用一個(gè)微小的電流，能控制大功率的電路、擴(kuò)大控制范圍，在信號(hào)達(dá)到定值時(shí)，按觸點(diǎn)組的不同形式，同時(shí)換接、開斷、接通多路電路，達(dá)到自動(dòng)開關(guān)的目的。

2.2后面板的介紹

LabVIEW開啟之后，程序創(chuàng)建多個(gè)并行循環(huán)，在每個(gè)循環(huán)中中分別建立負(fù)責(zé)接收溫濕度信息、火焰報(bào)警信息，煙霧報(bào)警信息的UDP服務(wù)，建立監(jiān)聽和控制繼電器狀態(tài)的tcp服務(wù)（每個(gè)服務(wù)分別監(jiān)聽一個(gè)上位機(jī)的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)端口），以及打開視頻監(jiān)控。樹莓派獲取到傳感器數(shù)據(jù)之后立即將數(shù)據(jù)打包通過網(wǎng)絡(luò)拋給labview端設(shè)備的相應(yīng)端口。上位機(jī)labview獲取數(shù)據(jù)之后，處理成相應(yīng)狀態(tài)顯示。其中溫濕度傳感器傳遞過來的為數(shù)值字符串，火焰和煙霧傳感器傳遞過來的是0、1狀態(tài)，其中火焰?zhèn)鞲衅?狀態(tài)時(shí)為有火焰，1狀態(tài)時(shí)為沒有火焰，煙霧傳感器狀態(tài)響應(yīng)與火焰?zhèn)鞲衅飨喾?。獲取電源繼電器。繼電器狀態(tài)為1（開）0（關(guān)）實(shí)時(shí)返回，當(dāng)實(shí)驗(yàn)室忘記斷電時(shí)，可以點(diǎn)擊電源開關(guān)。這時(shí)LabVIEW會(huì)發(fā)送0指令給樹莓派，樹莓派接收之后關(guān)閉繼電器。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果

智能實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)與研究的界面如圖所示，LabVIEW前面板控制面板中最左邊的是監(jiān)控圖像采集部分，用于實(shí)時(shí)掌握實(shí)驗(yàn)室動(dòng)態(tài)；其右側(cè)顯示的是當(dāng)前溫濕度，能將樹莓派采集的數(shù)據(jù)成功的傳輸至上位機(jī)，具有較高的精確性。

為了驗(yàn)證該實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，實(shí)驗(yàn)采取不同溫濕度、煙霧、火焰環(huán)境進(jìn)行測(cè)試，并且分別做了記錄，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)發(fā)生煙霧火這火焰時(shí)的對(duì)應(yīng)但是警示燈會(huì)變成紅色，并發(fā)出蜂鳴警告。提醒管理人員進(jìn)行檢查并處理。為實(shí)驗(yàn)室人員工作帶來了便捷，加強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)室安全設(shè)施建設(shè)。

4總結(jié)

本文提出了以一種LabVIEW為軟件平臺(tái)的樹莓派數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)，通過對(duì)上述軟硬件的調(diào)試和完善，實(shí)驗(yàn)得以驗(yàn)證。該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)室的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，能夠利用Lab—VIEW的強(qiáng)大功能和樹莓派的語言接口動(dòng)態(tài)掌握實(shí)驗(yàn)室的安全，廣泛前景。