靳文濤，劉 佳，劉永濤，夏旭洪

(華北科技學院 電子信息工程學院，北京 東燕郊 065201)

基于labview的綜合樓宇環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計

靳文濤，劉 佳，劉永濤，夏旭洪

(華北科技學院 電子信息工程學院，北京 東燕郊 065201)

多年工業(yè)的發(fā)展帶來了大氣環(huán)境污染嚴重。大氣污染不僅會影響人們的正常生活，而且還引發(fā)了一系列的疾病.由于人們的生活和工作基本都是在室內(nèi)，因此系統(tǒng)以民生相關的室內(nèi)環(huán)境參數(shù)作為采集對像，實現(xiàn)了基于LabVIEW的多層建筑物室內(nèi)外空氣質(zhì)量在線監(jiān)測。監(jiān)測對象包含了空氣中的二氧化碳、PM2.5、溫濕度、VOC等。分布式節(jié)點將多傳感器數(shù)據(jù)進行限幅均值濾波處理后，通過RS485總線傳輸?shù)缴衔粰C，最終實現(xiàn)實時監(jiān)測。系統(tǒng)還通過ZigBee技術(shù)實現(xiàn)了室外空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)采集，根據(jù)室內(nèi)外數(shù)據(jù)對比可以為室內(nèi)空氣凈化控制提供有效的支撐。

多傳感器融合；分布式處理；限幅均值濾波；動態(tài)曲線

隨著社會的發(fā)展，人們的生活水平越來越高，但同時人們賴以生存的大氣環(huán)境遭到的污染也越來越嚴重，人類的許多呼吸道疾病都由大氣污染引起，所以現(xiàn)在人們越來越關心大氣環(huán)境，由于許多人的生活和工作基本都是在室內(nèi)，因此室內(nèi)環(huán)境成了本次研究的重點對象。同時，環(huán)境監(jiān)測是人們認識環(huán)境、評價環(huán)境、控制環(huán)境質(zhì)量的重要手段，是進行環(huán)境決策的依據(jù)，是實現(xiàn)環(huán)境管理科學化的基礎。環(huán)境監(jiān)測可以及時、準確的反應當前環(huán)境質(zhì)量狀況，根據(jù)大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)還能預測其變換的趨勢。因此，環(huán)境監(jiān)測是實行環(huán)境管理與規(guī)劃的科學依據(jù)。所以有必要設計一套環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)實時監(jiān)測室內(nèi)環(huán)境[1]。根據(jù)監(jiān)測當各項指標不在正常范圍之內(nèi)時，管理者可以采取有效的調(diào)節(jié)措施。

針對以上的基本情況，本文設計了一種基于LabVIEW的建筑物室內(nèi)空氣質(zhì)量在線監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以監(jiān)測室內(nèi)二氧化碳的濃度、PM2.5的濃度、溫度、濕度、VOC等參數(shù)，并通過RS485總線傳輸?shù)缴衔粰C，實現(xiàn)實時監(jiān)控，并且通過ZigBee技術(shù)實現(xiàn)了室外空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)的采集，上位機軟件完成室內(nèi)外空氣質(zhì)量的對比，根據(jù)對比結(jié)果可以為人們的決策提供科學的依據(jù)。RS485總線上可掛接多個從機設備，從而實現(xiàn)大樓內(nèi)每個樓層、或者同一樓層不同位置的監(jiān)測。上位機用來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時顯示，并生成波形圖，方便看出各項數(shù)據(jù)的變化趨勢，波形圖表中的數(shù)據(jù)可以直接導入到Excel中進行進一步分析，為空氣凈化系統(tǒng)的控制研究提供依據(jù)。

1 監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計

本設計監(jiān)測目標為高層建筑物的室內(nèi)外環(huán)境。室內(nèi)外環(huán)境監(jiān)測控制系統(tǒng)由上位機系統(tǒng)和下位機系統(tǒng)兩部分組成。下位機系統(tǒng)包括室內(nèi)RS485節(jié)點和室外Zigbee節(jié)點。室內(nèi)節(jié)點和室外節(jié)點都包括了電源模塊、處理器模塊、傳感器模塊、通信模塊。室內(nèi)RS485節(jié)點用于在線監(jiān)測室內(nèi)環(huán)境，包含多層建筑的每個樓層、或者同一樓層不同位置的情況。傳感器包括PM2.5顆粒物傳感器、二氧化碳傳感器、溫濕度傳感器、VOC空氣質(zhì)量傳感器，室內(nèi)節(jié)點使用RS485通信。室外Zigbee節(jié)點用于檢測室外環(huán)境參數(shù)，人們可以通過室內(nèi)外環(huán)境數(shù)據(jù)的對比，決定自動或者手動控制空氣凈化系統(tǒng)的的起停以及是否可以開窗等行為。上位機監(jiān)控界面通過LabVIEW軟件設計，所有的數(shù)據(jù)都通過上位機統(tǒng)一管理，上位機會依次查詢每個節(jié)點的數(shù)據(jù)，完成實時顯示并生成各項指標的波形圖表，上位機可給所有節(jié)點發(fā)送報警命令，觸發(fā)節(jié)點上的蜂鳴器實現(xiàn)報警功能[2]。

系統(tǒng)的輸入模塊為各路采集信號的傳感器，主要有溫濕度傳感器、二氧化碳傳感器、PM2.5傳感器，VOC傳感器。其中VOC傳感器的輸出為模擬信號，一般微處理器只能處理數(shù)字信號。為了避免添加冗余的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，微處理器選擇了STM32F103RBT6芯片，它的內(nèi)部集成了分辨率為12位AD轉(zhuǎn)換器，能方便的把傳感器的輸出信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完成后的數(shù)字量經(jīng)過微處理器處理后最后發(fā)送到上位機[3]。其他三個傳感器均為集成度較高的數(shù)字式傳感器通過I2C和SPI接口連接至處理器，無需添加額外的硬件電路。最后各個從機經(jīng)過通信模塊連接到RS485總線上，485總線通過一個RS485轉(zhuǎn)USB模塊連接到PC端[4]?？偩€上的每個從機都有自己的地址，方便上位機對從機設備的管理。為了防止總線沖突，所有的從機默認均為接收模式，從機不會主動上傳數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)由上位機下發(fā)命令依次讀取。上位機輪流的讀取各個從機的數(shù)據(jù)，從機發(fā)送完數(shù)據(jù)后又回到接收模式，等待下次的讀取命令[5]。上位機讀取完一次數(shù)據(jù)后便更新波形圖表。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1 室內(nèi)從機的整體結(jié)構(gòu)

室內(nèi)從機直接采用AC220V供電，由內(nèi)部集成的開關電源模塊和穩(wěn)壓模塊進行電壓的轉(zhuǎn)換，可滿足從機的各部分的電壓需求。當單片機收到總線上的讀取數(shù)據(jù)的命令后，單片機讀取各個傳感器的數(shù)據(jù)，進行限幅均值濾波處理，然后通過RS485總線發(fā)送數(shù)據(jù)回上位機。當單片機收到上位機發(fā)送的報警命令后，觸發(fā)本節(jié)點蜂鳴器報警。從機的下位機系統(tǒng)設計了豐富的命令，使得從機除了應用于本系統(tǒng)外，還能應用于其他的功能類似的系統(tǒng)。室內(nèi)從機結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 室內(nèi)從機結(jié)構(gòu)圖

1.2 室外從機的整體結(jié)構(gòu)

室外節(jié)點與室內(nèi)節(jié)點整體結(jié)構(gòu)類似，由于室外的二氧化碳濃度是人們難以改變的，并且室外的二氧化碳濃度通常低于室內(nèi)，所以室外節(jié)點為了考慮成本問題，取消了二氧化碳和VOC傳感器。室外節(jié)點可選AC220V供電或者是太陽能電池供電。室外節(jié)點結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 室外節(jié)點結(jié)構(gòu)圖

2 基于LabVIEW的上位機軟件設計

本次上位機設計采用的開發(fā)環(huán)境為LabVIEW2014。LabVIEW的軟件開發(fā)首先是從新建一個新的項目開始，然后在項目中添加VI。VI(虛擬儀器)主要由兩部分組成，一部分是前面板，一部分是程序框圖。前面板窗口相當于GUI，是VI的用戶界面，可以根據(jù)用戶的需要在上面放置控件。程序框圖相當于傳統(tǒng)編程方式的文本編輯器，不過使用的是是圖形化源代碼。創(chuàng)建前面板窗口并在上面添加控制對象后，需要控制前面板上的對象，所以就要為程序框圖添加圖形化函數(shù)。程序框圖對象包括函數(shù)、函數(shù)的接線端、引用的子VI、數(shù)據(jù)常量、程序結(jié)構(gòu)和連接線，連接線用于在程序框圖對象間傳遞數(shù)據(jù)[6]。

2.1 VI前面板設計

監(jiān)測界面有很好的可操作性， 操作人員只需對各模塊的功能加以了解，就可以輕松的操作該上位機監(jiān)測系統(tǒng)[7]。VI前面板如圖4所示，通過前面板即可方便的查看到各個點的監(jiān)測情況。

圖4 VI前面板

界面上的COM1和COM2控件用來選擇計算機所連接的COM口，點擊退出按鈕可以停止上位機軟件的運行并退出LabVIEW，其余控件均為顯示控件，左側(cè)區(qū)域用于顯示空氣質(zhì)量的當前值，右側(cè)區(qū)域的波形圖表用于記錄各項指標的曲線圖。通過波形圖表可以直接將數(shù)據(jù)導入到Excel中保存，波形圖標右下角的曲線圖標可以用來改變曲線的顯示顏色、設置曲線的形狀、調(diào)整曲線的粗細等屬性。波形圖表上方的選項卡控件用于選擇當前的顯示項，每項指標對應一個選項卡，鼠標單擊相應的選項卡即可進入對應的波形圖表。實時測量數(shù)據(jù)的圖形化顯示，在實時校準時， 有選擇地顯示多個通道曲線或者波形，可以是一條，多條或者是全部[8]。

2.2 VI程序框圖設計

利用LabVIEW的并行性，本次設計采用了生產(chǎn)者與消費者循環(huán)模式設計程序框圖，生產(chǎn)者循環(huán)用于生產(chǎn)數(shù)據(jù)，消費者循環(huán)用于處理數(shù)據(jù)。生產(chǎn)者循環(huán)與消費者循環(huán)之間通過個數(shù)據(jù)隊列傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)隊列的緩沖區(qū)可以存儲消費者循環(huán)來不及處理的數(shù)據(jù)，當數(shù)據(jù)的產(chǎn)生速率大于數(shù)據(jù)的消費速率的時候不會造成數(shù)據(jù)的丟失。當然，本次設計的數(shù)據(jù)產(chǎn)生速率較慢，而數(shù)據(jù)處理速率較快，緩沖區(qū)中一般不會存在未處理的數(shù)據(jù)。但是在許多高速數(shù)據(jù)采集程序中，數(shù)據(jù)隊列的作用便體現(xiàn)出來了。生產(chǎn)者循環(huán)程序框圖如圖5所示。

圖5 生產(chǎn)者循環(huán)

進入生產(chǎn)者循環(huán)之前，首先調(diào)用了串口配置函數(shù)(VISA Configure Serial Port)，此函數(shù)會根據(jù)輸入的多個參數(shù)自動配置COM口，參數(shù)包括波特率大小、數(shù)據(jù)位寬度、有無校驗位、有無流控制等。參數(shù)可以直接定義為常量，也能為參數(shù)添加輸入控件，讀取用戶的輸入?yún)?shù)。接下來調(diào)用Obtain Queue函數(shù)，該函數(shù)用于創(chuàng)建數(shù)據(jù)隊列。進入生產(chǎn)者While循環(huán)后，每2秒發(fā)生一次超時事件，超時事件中通過COM口發(fā)送讀取數(shù)據(jù)的命令，讀取從機上的數(shù)據(jù)，讀取到數(shù)據(jù)后送入數(shù)據(jù)隊列。當前面板上點擊退出按鈕是會觸發(fā)退出事件，此時會結(jié)束當前運行的While循環(huán)程序，執(zhí)行退出操作的程序段。生產(chǎn)者循環(huán)中使用了事件結(jié)構(gòu)，使用事件結(jié)構(gòu)的好處是可以快速響應用戶的操作，如果不使用事件結(jié)構(gòu)有可能用戶的退出操作存在較大延遲，甚至導致退出操作因為延時程序而被錯過，最終不能正常退出程序。

消費者循環(huán)用于處理生產(chǎn)者循環(huán)中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。首先索引數(shù)據(jù)隊列中的數(shù)組元素，得出該組數(shù)據(jù)對應的從機，然后將數(shù)據(jù)發(fā)送到相應的前面板顯示控件中。當所有從機的數(shù)據(jù)都被讀取一遍之后，調(diào)用前面板顯示控件的值的屬性節(jié)點，捆綁數(shù)據(jù)并且更新一次波形圖表，此時波形圖表上將看到一組新的數(shù)據(jù)，前面的數(shù)據(jù)被存入波形圖表的緩沖區(qū)，緩沖區(qū)設置為1024，多余的數(shù)據(jù)則被拋棄。消費者循環(huán)的程序框圖如圖6所示。

圖6 消費者循環(huán)

執(zhí)行退出操作的程序如圖7所示，此程序首先關閉串口，然后等待數(shù)據(jù)隊列中的數(shù)據(jù)被消費者循環(huán)處理完，處理完成之后關閉數(shù)據(jù)隊列并退出LabVIEW，因為本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理速率遠大于數(shù)據(jù)的生成速率，所以數(shù)據(jù)隊列中一般不會存在緩沖，因此用戶點擊退出按鈕后，通常程序能立即關閉并退出LabVIEW。

圖7 退出操作程序

2.3 上位機程序安裝包的生成

LabVIEW專業(yè)版提供了安裝包生成工具，可以用來生成LabVIEW程序的安裝包，當其他電腦上沒有安裝LabVIEW的運行引擎時，可以安裝生成的安裝包既可運行LabVIEW編寫的程序。

為了防止非專業(yè)人員修改程序框圖，本系統(tǒng)還提供了密碼保護，開啟后只有正確輸入密碼才能查看或者修改程序框圖。如圖8所示。

圖8 密碼認證

3 節(jié)點的下位機程序設計

在下位機節(jié)點程序設計是整個系統(tǒng)開發(fā)的重要組成部分，程序設計好壞直接決定了整個系統(tǒng)的開發(fā)周期的長短、性能。本次系統(tǒng)設計的軟件程序流程圖如圖9所示。

圖9 軟件流程圖

軟件程序運行的具體步驟：

(1) 系統(tǒng)初始化。主要是操作STM32的RCC寄存器并初始化系統(tǒng)時鐘，將系統(tǒng)時鐘配置為72 MHz。

(2) 定時器初始化。主要是初始化STM32的SYSTICK定時器，為了得到較為準確的延時函數(shù)，本次設計的延時程序使用了SYSTICK定時器來實現(xiàn)指定時間的延時。這樣做的好處是定時時間精確，而且不占用中斷資源、也不占用系統(tǒng)定時器。

(3) 設置中斷優(yōu)先級分組。STM32的中斷系統(tǒng)相對51系列單片機復雜了很多，CM3內(nèi)核支持256個中斷，但是STM32并沒有使用內(nèi)核的全部中斷，而是使用了一部分。STM32F103系列單片機有60個中斷源，具有十六級可編程中斷優(yōu)先級，相比51單片機的2級中斷優(yōu)先級控制，STM32的中斷系統(tǒng)強大了許多。如此強大的中斷系統(tǒng)必須使用完善的中斷系統(tǒng)管理程序，才能保證中斷系統(tǒng)的有條不紊。

(4) 串口初始化。本次選用的處理器硬件支持3個串口，所用的顆粒物傳感器和二氧化碳傳感器數(shù)據(jù)接口均為串口，所以必先初始化串口，配置好串口相應參數(shù)。

(5) 初始化IO。STM32單片機的IO口相比51單片機而言要強大得多，所以使用起來也大有不同。STM32系列單片機的IO口可以由軟件配置為多種工作模式。根據(jù)不同的應用需求，需要將IO口配置成相應的模式。例如作為AD采樣口，則應該配置成模擬輸入模式。

(6) 初始化外部中斷。STM32的每個IO口都可以作為外部中斷的輸入口。本次設計的二氧化碳傳感器和處理器連接采用USART接口，但是因為處理器串口資源已全部使用，所以采取軟件完成虛擬串口設計，用任意的兩個IO口虛擬出串口通信格式和傳感器通信，在此配置的外部中斷則相似于串口中斷。

(7) ADC初始化。本次設計的VOC傳感器輸出為模擬量輸出，所以需要將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，STM32單片機集成了12為的AD轉(zhuǎn)換器，能方便的將傳感器輸出的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量

(8) 傳感器初始化。主要是初始化AM2321溫濕度傳感器。初始化成功則繼續(xù)執(zhí)行，初始化失敗會有指示燈會閃爍提示。

(9) 解析從機地址。因為RS485總線上同時掛接多個傳感器，所以為了方便管理所有從機，每個從機都有自己的地址，節(jié)點通過直連處理器8個I/0口為整個系統(tǒng)可以提供256個節(jié)點地址，所以進入主程序之前必須先解析從機的地址，所有的總線數(shù)據(jù)都通過從機的地址進行一一區(qū)分，解析流程如圖10所示。

圖10 系統(tǒng)解析流程圖

(10) 進入主循環(huán)。等待總線下發(fā)命令。收到命令后首先比對地址，地址與從機地址不匹配則返回繼續(xù)等待，地址匹配則解析命令并執(zhí)行操作，主要操作為發(fā)送數(shù)據(jù)或觸發(fā)蜂鳴器報警，執(zhí)行操作完成后繼續(xù)等待總線下發(fā)的命令，具體命如下：

5A、A5:數(shù)據(jù)的起始幀，即幀頭；

addr:從機地址。

5A FF FF 00 00 讀取從機地址

5Aaddr aaddr FF FF 觸發(fā)從機報警

5Aaddr aaddr 86 86 讀取PM2.5傳感器數(shù)據(jù)

5Aaddr aaddr 87 87 讀取溫濕度傳感器數(shù)據(jù)

5Aaddr aaddr 88 88 讀取二氧化碳傳感器數(shù)據(jù)

5Aaddr aaddr 89 89 讀取VOC傳感器數(shù)據(jù)

5Aaddr aaddr 90 90 一次讀取所有傳感器數(shù)據(jù)

系統(tǒng)主函數(shù)如下：

int main(void)//主函數(shù)

{

SystemInit();//系統(tǒng)初始化

delay_init();//延時函數(shù)初始化

NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);

uart_init(9600);//串口初始化

USART_Cmd(USART2, DISABLE);

Init();//IO初始化

EXTIX_Init();//外部中斷初始化

DIS_VU;

Adc_Init();//ADC初始化

while(AM2321_Init())

{

delay_ms(60);LED=!LED;

}

PMS=1;//開啟顆粒物傳感器

ARP_slave();//解析從機地址

Pointer=task0;

while(1)//主循環(huán)

{

(*Pointer)();//執(zhí)行任務函數(shù)

}

}

4 總結(jié)

本文設計了監(jiān)測系統(tǒng)的整體方案，完成了上位機LabVIEW軟件的設計和下位機軟硬件的開發(fā)，最后對本系統(tǒng)進行了綜合調(diào)試，由于環(huán)境參數(shù)基本沒有數(shù)據(jù)突變情況發(fā)生，通過分布式節(jié)點限幅均值濾波處理大大提高了系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的時效性和準確性，經(jīng)過長時間運行系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。

[1] 郝光健.基于labview和單片機的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測預警系統(tǒng)的設計[D]．山東：山東農(nóng)業(yè)大學，2014.

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DesignoftheenvironmentmonitoringsystemforintegratedbuildingbasedonLabVIEW

JIN Wen-tao, LIU Jia, LIU Yong-tao, XIA Xu-hong

(SchoolofElectronicandInformationEngineering,NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Yanjiao, 065201,China)

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, the system takes the indoor environment parameters related to people's livelihood as the collected objects, and realizes the online monitoring of indoor and outdoor air quality of multi-storey 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 indoor and outdoor data .

multisensor fusion;distributed processing;amplitude-limited filternig and mean fittering;dynamic curve

2017-06-07

中央高?；究蒲袠I(yè)務費資助項目(3142016022)

靳文濤(1963-)，男，大學畢業(yè)，華北科技學院電子信息工程學院教授，從事電氣控制研究。E-mail：jwt@ncist.edu.cn

TP277

A

1672-7169(2017)04-0086-07