基于LabVIEW的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張安莉，謝 檬，邵鳳婷，馬鵬鵬

（西安交通大學(xué)城市學(xué)院 電氣與信息工程系，西安710018）

近年來(lái)，各類環(huán)境問(wèn)題頻頻出現(xiàn)，影響著人們的生存與健康[1]。目前環(huán)境問(wèn)題對(duì)人類生存影響較大的因素包括：溫度、濕度以及二氧化硫濃度等[2]。隨著全球氣溫的上升，導(dǎo)致冰川融化，破壞生物的生存環(huán)境，氣候的變化將會(huì)破壞生物鏈、食物鏈，同時(shí)，會(huì)誘發(fā)人體的心臟病以及各種呼吸系統(tǒng)疾病。濕度過(guò)低或二氧化硫濃度過(guò)高，都會(huì)導(dǎo)致動(dòng)植物的損害及各種疾病的誘發(fā)[3-7]。環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)記錄影響環(huán)境變化相關(guān)因素的趨勢(shì)和走向，能夠更好的監(jiān)控和改善這些因素，對(duì)監(jiān)測(cè)全球環(huán)境變化以及人類生存環(huán)境變化有著重大意義[8-11]。

本文所設(shè)計(jì)的基于LabVIEW 的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，選用STM32F103C8T6 單片機(jī)作為主控芯片，DTH11溫濕度傳感器和MQ135 氣體傳感器采集大氣中溫度、濕度以及二氧化硫的濃度[12-17]。上位機(jī)采用LabVIEW 搭建監(jiān)測(cè)平臺(tái)，完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、故障報(bào)警以及歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與查看功能。

1 總體方案設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括二氧化硫傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、微控制器和通信總線。用于監(jiān)測(cè)二氧化硫的空氣溫度，濕度，濃度相應(yīng)的傳感器，并產(chǎn)生電信號(hào)，再經(jīng)單片機(jī)進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換，接入數(shù)據(jù)傳輸線，并安裝串口驅(qū)動(dòng)，即可將下位機(jī)的數(shù)據(jù)傳入上位機(jī)并顯示。

圖1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Monitoring system structure

2 軟件程序設(shè)計(jì)

2.1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主程序

環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主程序流程如圖2所示，程序流程依次為系統(tǒng)初始化、傳感器響應(yīng)、數(shù)據(jù)采集濾波、數(shù)據(jù)顯示、監(jiān)測(cè)溫度、濕度和二氧化硫濃度。

圖2 環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主程序流程Fig.2 Master program flow chart of environmental monitoring system

2.2 溫度及二氧化硫濃度監(jiān)測(cè)子程序

環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上位機(jī)溫度及二氧化硫濃度監(jiān)測(cè)子程序流程，如圖3所示。

圖3 溫度及二氧化硫濃度監(jiān)測(cè)子程序流程Fig.3 Monitoring subprogram flow chart of temperature and SO2 concentration

人體感到舒適的溫度范圍為18～24 ℃，MQ135傳感器顯示污染濃度百分比，當(dāng)污染濃度達(dá)到50%時(shí)，紅色指示燈報(bào)警，并完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)、保存及報(bào)警。

2.3 濕度監(jiān)測(cè)子程序

人體適宜濕度范圍為45%RH～65%RH，低于45%RH 時(shí)，藍(lán)色指示燈亮起；高于濕度65%RH 時(shí)，紅色指示燈亮起。環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)濕度監(jiān)測(cè)子程序流程，如圖4所示。

圖4 濕度監(jiān)測(cè)子程序流程Fig.4 Monitoring subprogram flow chart of humidity

2.4 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)前面板設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)前面板由串口模塊、實(shí)時(shí)波形顯示模塊、報(bào)警模塊和歷史數(shù)據(jù)記錄模塊組成，如圖5所示。

圖5 環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)前面板Fig.5 Front panel of environmental monitoring system

1）串口模塊

上位機(jī)串口的選擇必須與下位機(jī)傳輸?shù)拇诒３忠恢?，否則無(wú)法讀取下位機(jī)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。串口選擇COM3，將上位機(jī)與下位機(jī)連接起來(lái)，從而監(jiān)測(cè)環(huán)境中各項(xiàng)物理量，即溫度、濕度及二氧化硫濃度的變化情況。

2）實(shí)時(shí)波形顯示模塊

實(shí)時(shí)波形顯示模塊包括溫濕度波形圖表和煙霧波形圖表。溫度信號(hào)和濕度信號(hào)通過(guò)溫濕度波形圖表實(shí)時(shí)顯示，藍(lán)色曲線代表實(shí)時(shí)溫度信號(hào)，紅色曲線代表實(shí)時(shí)濕度信號(hào)。左縱軸為溫度范圍，即0～50 ℃；右縱軸為濕度范圍，即0～100%RH，橫軸為時(shí)間，單位為秒（s），每次測(cè)量時(shí)間間隔為1 s。

二氧化硫濃度信號(hào)通過(guò)煙霧波形圖表實(shí)時(shí)顯示，藍(lán)色曲線代表實(shí)時(shí)二氧化硫濃度，縱軸為百分比，橫軸為時(shí)間，單位為秒（s）。

3）報(bào)警模塊

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)根據(jù)所采集的數(shù)據(jù)，報(bào)警模塊分別為溫度報(bào)警模塊、濕度報(bào)警模塊和二氧化硫濃度報(bào)警模塊。

（1）溫度報(bào)警模塊

溫度報(bào)警模塊由2 個(gè)上下限調(diào)節(jié)裝置、1 個(gè)布爾燈、1 個(gè)溫度實(shí)時(shí)數(shù)值顯示控件以及2 個(gè)溫度拉桿組成。調(diào)節(jié)裝置可自由設(shè)定溫度的最高上限和最低下限，正常情況下布爾燈為綠色，當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)值顯示超過(guò)上限或下限時(shí)，布爾燈變?yōu)榧t色，并顯示溫度過(guò)低或過(guò)高。而實(shí)時(shí)數(shù)值顯示控件則會(huì)實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前溫度。溫度為攝氏度（℃），插棒溫度范圍為0～50 ℃，精確值為1 ℃。

（2）濕度報(bào)警模塊

濕度報(bào)警模塊由2 個(gè)上下限調(diào)節(jié)裝置、1 個(gè)布爾燈、2 個(gè)濕度實(shí)時(shí)數(shù)值顯示控件以及2 個(gè)濕度拉桿組成。調(diào)節(jié)裝置可自由設(shè)定濕度的最高上限和最低下限，正常情況下布爾燈為綠色，當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)值顯示超過(guò)上限或下限時(shí)，布爾燈變?yōu)榧t色，并顯示濕度過(guò)低或過(guò)高。單元濕度RH（即，%RH）為空氣在相同溫度下的絕對(duì)濕度與它的飽和濕度之百分比。桿濕度范圍為0～100%RH，精確值為1%RH。

（3）二氧化硫濃度報(bào)警模塊

二氧化硫濃度報(bào)警模塊由1 個(gè)上限調(diào)節(jié)模塊、1 個(gè)布爾燈、1 個(gè)二氧化硫濃度實(shí)時(shí)數(shù)值顯示控件以及1 個(gè)濃度拉桿組成。正常情況下布爾燈為綠色，當(dāng)監(jiān)控?cái)?shù)值顯示超過(guò)上限時(shí)，布爾燈變?yōu)榧t色，并顯示二氧化硫濃度過(guò)高。二氧化硫濃度拉桿為百分比的形式，精確值為1%。

4）歷史數(shù)據(jù)記錄模塊

歷史數(shù)據(jù)記錄模塊可以根據(jù)需求將歷史數(shù)據(jù)記錄文本儲(chǔ)存在PC 端，并通過(guò)自定義儲(chǔ)存路徑找到歷史數(shù)據(jù)。

3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的測(cè)試及誤差分析

3.1 串口設(shè)置和數(shù)據(jù)設(shè)置

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)完成單片機(jī)和傳感器的連線，并將USB 接口接入PC，安裝好各項(xiàng)驅(qū)動(dòng)，打開(kāi)上位機(jī)監(jiān)測(cè)界面，串口就會(huì)有顯示。點(diǎn)擊RUN，在串口設(shè)置處點(diǎn)擊下拉，并選擇對(duì)應(yīng)串口COM3，點(diǎn)擊打開(kāi)串口，再點(diǎn)擊開(kāi)始，串口設(shè)置完畢。

設(shè)置溫度上下限18～24 ℃；設(shè)置濕度上下限45%RH～65%RH；設(shè)置二氧化硫濃度上限50%。此時(shí)各個(gè)物理量范圍設(shè)置完成，如圖6所示。

圖6 串口設(shè)置和數(shù)據(jù)設(shè)置Fig.6 Serial port settings and data settings

3.2 正常運(yùn)行

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)正常運(yùn)行如圖7所示。設(shè)置溫度范圍為18～24 ℃，濕度范圍為20%RH～90%RH，二氧化硫濃度范圍為0～100%。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)為：溫度21 ℃；濕度58%RH；濃度20%。波形圖中顯示的為1 s 時(shí)間間隔的實(shí)時(shí)波形，橫軸為相對(duì)時(shí)間，縱軸為0～50 ℃。

圖7 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)正常運(yùn)行Fig.7 Normal running on monitoring system

3.3 溫度報(bào)警

溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖8所示，溫度過(guò)低報(bào)警時(shí)如圖8（a）所示，此時(shí)，設(shè)置的溫度范圍為18～24 ℃，濕度范圍為20%RH～90%RH，二氧化硫濃度范圍為0～100%。溫度為2 ℃，濕度為62%RH，濃度為7%。在波形圖中顯示的為1 s 時(shí)間間隔的實(shí)時(shí)波形，橫軸為相對(duì)時(shí)間，縱軸為0～50 ℃。由于此刻溫度低于設(shè)定范圍，因此布爾燈由綠色變?yōu)榧t色并報(bào)警。

當(dāng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)為：溫度44 ℃，濕度65%RH，濃度31%。由于此刻溫度高于設(shè)定范圍，因此布爾燈由綠色變?yōu)榧t色并報(bào)警，如圖8（b）所示。

圖8 溫度測(cè)試Fig.8 Temperature test

3.4 濕度報(bào)警

濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖9所示，濕度過(guò)低報(bào)警時(shí)如圖9（a）所示，設(shè)置溫度范圍為18～24 ℃，濕度范圍為20%RH～90%RH，二氧化硫濃度范圍為0～100%。實(shí)時(shí)溫度為31 ℃，濕度為16%RH，濃度為19%。波形圖顯示1 s 時(shí)間間隔的實(shí)時(shí)波形，橫軸為相對(duì)時(shí)間，縱軸為0～100%RH。由于濕度低于設(shè)定范圍，溫度高于設(shè)定范圍，布爾燈由綠色變?yōu)榧t色并報(bào)警。

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)為：溫度為47 ℃，濕度為88%RH，濃度為41%。由于此刻濕度高于設(shè)定范圍，溫度高于設(shè)定范圍，因此布爾燈由綠色變?yōu)榧t色并報(bào)警，如圖9（b）所示。

圖9 濕度測(cè)試Fig.9 Humidity test

3.5 濃度報(bào)警

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)濃度過(guò)高報(bào)警時(shí)如圖10所示，此時(shí)，設(shè)置的溫度范圍為18～24 ℃，濕度范圍為20%RH～90%RH，二氧化硫濃度范圍為0～100%。溫度為35 ℃，濕度為58%RH，濃度為69%。在波形圖中顯示的為1 s 時(shí)間間隔的實(shí)時(shí)波形，橫軸為相對(duì)時(shí)間，縱軸為0～100%。由于此刻濃度高于設(shè)定范圍，溫度高于設(shè)定范圍，布爾燈由綠色變?yōu)榧t色進(jìn)行報(bào)警。

圖10 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)濃度過(guò)高報(bào)警Fig.10 High monitoring system concentration causes alarm

3.6 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)誤差分析

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的誤差分析見(jiàn)表1。

表1 誤差分析Tab.1 Error analysis

數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)值由標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)表測(cè)量，相對(duì)誤差的計(jì)算如式（1）所示：

式中：Y 為相對(duì)誤差；Xa為測(cè)量值；Xb為標(biāo)準(zhǔn)值。

根據(jù)以上測(cè)試結(jié)果分析，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)溫度誤差范圍為0～6.3%，濕度誤差范圍為0～7.3%，濃度誤差范圍為2%～10%。

為了進(jìn)一步提高測(cè)量準(zhǔn)確度，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行一階多項(xiàng)式擬合，溫度、濕度和濃度的擬合公式分別如式（2）、式（3）和式（4）所示：

對(duì)擬合后的數(shù)據(jù)和測(cè)量數(shù)據(jù)分別進(jìn)行平均相對(duì)誤差計(jì)算，平均相對(duì)誤差（MRE）的計(jì)算公式為

式中：xi為測(cè)量值；n 為測(cè)量次數(shù)。

環(huán)境測(cè)量參數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)及擬合參數(shù)如圖11所示。

圖11 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)參數(shù)Fig.11 Monitoring system parameter

由式（5）和式（6）計(jì)算可得：溫度測(cè)量值平均相對(duì)誤差為2.6%，擬合值平均相對(duì)誤差為2.08%；濕度的測(cè)量平均相對(duì)誤差為3.79%，擬合平均相對(duì)誤差為3.18%；二氧化硫濃度的測(cè)量平均相對(duì)誤差為6.33%，擬合平均相對(duì)誤差為6.33%。數(shù)據(jù)表明：擬合后的參數(shù)測(cè)量誤差相較之測(cè)量數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確度得到明顯提升。因此，基于此算法，對(duì)參數(shù)測(cè)量算法進(jìn)行優(yōu)化，代入擬合方程式后，其測(cè)量準(zhǔn)確度可得到進(jìn)一步改善。

4 結(jié)語(yǔ)

本文所設(shè)計(jì)的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，將下位機(jī)的數(shù)據(jù)傳入上位機(jī)并顯示，上位機(jī)采用LabVIEW 軟件搭建的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)面板，設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)顯示模塊、報(bào)警模塊、波形圖模塊、串口模塊以及歷史數(shù)據(jù)記錄模塊。測(cè)試表明，本系統(tǒng)溫度傳感器量程為0～50 ℃，精確度為1%，平均相對(duì)誤差為2.08%；濕度傳感器量程為0～100%RH，精確度為1%。平均相對(duì)誤差為3.18%；氣體傳感器量程為0～100%，精確度為1%，平均相對(duì)誤差為6.33%。系統(tǒng)具備環(huán)境監(jiān)測(cè)的實(shí)用功能，具有為人們生活提供方便的現(xiàn)實(shí)意義。