基于LabVIEW的远程通信机房温度监测系统的设计

江苏省邮电规划设计院有限公司 张德景

西安创联电气科技有限公司 钱 璐

江苏省邮电规划设计院有限公司 朱明明 顾 晨

引言

随着“互联网＋”口号的提出，必将迎来通信机房大规模的新建和升级。如果通信机房中温度过高，将导致设备故障引起通信中断，严重时设备可能损毁。为了保证通信网络安全稳定地运行，设计一种实时温度监测系统显得尤为重要。

本文提出一种串口数据通信协议[1]，无论下位机何种方式采集数据，只要遵循文中的通信协议，将采集到的数据进行打包并通过串口传递给上位机PC，上位机PC采用图形化编程软件LabVIEW开发系统[2]完成对数据包的处理，实现了对温度数据的波形实时显示、存储和报警等功能，降低了温度监测系统的开发成本，提高了该系统的智能化。

1 系统设计

1.1 系统的结构

本系统主要包含下位机数据采集部分和上位机温度数据监测部分。下位机又包含温度传感器和数据转换处理部分，温度传感器主要完成各个点实时温度数据的采集；数据转换处理部分使用STC89C51单片机及外围电路组成[3-5]，主要完成对温度传感器采集到的数据进行初步的转换，并对数据按照规定的串口协议进行打包处理和串口输出到上位机；上位机对下位机传递的数据包根据规定的数据协议进行解析，分离出温度数据，并对数据进行实时波形显示、上下限告警、储存及基本温度数据处理，如图1所示。

图1 系统结构图

1.2 软件设计

软件设计主要涉及上位机界面的编程和下位机从控CPU采集数据的编程两部分，下位机采集数据的打包部分按照文中规定的协议进行，其他初始化与初始数据的处理根据不同的传感器和从控CPU进行编程实现。文中采用LabVIEW图形化编程语言编写上位机主控界面和数据处理界面系统[6-7]，主要包括串口配置、串口数据读取、数据包解析、数据存储、数据显示五个模块，这五个模块相互之间协作完成实时温度的监测；如图2所示。

2 串口通信协议的设计

通信协议是通信的双方所达成的一种约定，其中统一规定数据格式、同步方式、传送速度、传送步骤、检纠错方式以及控制字符定义等问题，且在双方的通信中必须共同遵守[7]。为实现下位机采集的实时数据能够快速准确的传送到上位机主控PC上，并且为使得该监测系统达到通用性的目的，因此规定一种简单有效的串口通信协议就必不可少。文中串口通信协议的制定是基于面向连接的服务的，可以按层次方式进行组织，串口通信协议体系结构如图3所示。

图2 监测软件结构图

图3 串口通信协议体系结构图

2.1 握手帧格式

握手帧用于验证上位机主控PC与下位机设备间是否正常通信。上位机串行通信接口定时向下位机设备发送询问帧，若上位机与下位机设备硬件连接正常，且下位机设备正常工作，则下位机设备在收到询问帧后，向上位机主控PC发送应答帧，上位机收到应答帧，通过和校验正确后，双方握手成功，即可以进行下一步的数据采集控制及数据传输。握手帧格式格式为：

帧头 设备地址 询问标识 和校验 帧尾FFH 00H—FFH ABH 1字节 FEH

设备地址占用一个字节，用于区分多个下位机设备，一个设备一个固定的地址，地址范围为00H～FFH，和校验是为了防止数据包在传输过程受到干扰，使得某些位改变，造成数据错误，经过和校验就可验证传送的数据包是否正确，若不正确下位机请求上位机重新发送查询帧，直到接收到正确的查询帧，下位机向上位机发送应答帧，格式与查询帧格式相同。

2.2 控制帧格式

控制帧是为了完成相应的控制功能而制定的，控制帧可以实现上位机对设备的控制，如读写数据、发送请求等。上位机向下位机设备发送控制帧，下位机执行控制帧中的命令，并向上位机发送响应帧，上位机接收到响应帧才可以进行下一步操作。文中控制帧主要用于上位机主控PC对下位机设备数据采集的控制，用户在应用中可以根据帧格式，增加其他的控制指令。控制帧格式为：

帧头 帧长度 设备地址 控制命令标识 和校验 帧尾FFH 00H～FFH 00H～FFH 2字节 1字节 FEH

响应帧格式为：

帧头 设备地址 帧尾FFH 00H～FFH FEH

这里以采集数据为例来说明控制帧，上位机向地址为01H的下位机设备发送采集数据的控制帧“FF 05 01 CJ 11 FE”，下位机接收到控制帧，开始控制传感器采集温度数据，同时向上位机发送响应帧“FF 01 FE”，上位机接收到响应帧，即可进行下面的操作。

2.3 数据帧格式

在上位机主控PC与下位机设备握手成功，且上位机已向下位机设备发送控制采集数据帧，并接收到响应帧后，上位机即可向下位机设备发送数据请求，下位机收到请求后，将传感器采集到的温度数据初步处理，然后按照数据帧格式打包，并发送给上位机主控PC。数据帧包含帧头、设备地址、数据区长度、数据区、检验和及帧尾六个部分，帧头、帧尾和设备地址与前面的控制帧保持一致，与前面两类帧格式比较，数据帧增加了数据区长度和数据区，增加数据区长度主要目的是在上位机数据包解析过程中防止数据与其他字符混淆，造成数据错误。数据区长度为1个字节，数据区最多可以占用256个字节。数据帧格式为：

帧头 设备地址 数据区长度 数据区 校验和 帧尾FFH 00H～FFH 00H～FFH n个字节 1字节 FEH

3 测试方案及结果

3.1 测试方案与系统

为了验证设计温度监测系统的可行性，文中选择数字温度湿度传感器SHT1x作为终端现场温度数据的采集，采集到的温度数据经点到点Zigbee无线通信系统[8-10]CC2530模块作简单处理并通过串口传给上位机主控PC。下位机无线温度数据采集部分由多个Zigbee模块CC2530[11]组成，其中一个将其配置成协调器，其余的配置成终端节点。协调器用于完成上电启动、配置网络、控制终端采集数据及接收终端数据并将其通过串口传递给上位机PC等功能，终端节点上带有温度湿度传感器SHT1x，完成现场温度数据的采集及数据的打包传送。测试系统构成如图4所示。

图4 测试系统图

图5 温度监测软件界面

3.2 温度监测结果

数据接收处理功能是是测试中最重要的环节，主要包括数据包解析、温度数据的实时显示、储存与告警功能，检测流程为，上位机收到下位机回传的控制响应帧后，发送数据帧到协调器，协调器控制对应的目标地址终端器将采集数据按照数据帧格式打包，以无线形式传送给协调器，协调器再经串口将数据包传输到上位机，上位机接收到数据包，并对其进行解析，从中截取出数据段，并对数据进行计算转换，然后输送到界面的波形图表中显示，并判断是否超出限定温度值，若超出，则界面报警灯点亮，提示温度超标，如图5所示。同时还可应用LABVIEW中的文件读写函数，可将数据保存成文件格式，以便事后查看并分析数据。

4 结论

本文设计了基于LabVIEW的远程通信机房温度监测系统，监测界面美观、操作便捷。规定一种简单有效地串口通信协议，使得下位机设备与上位机进行准确可靠的信息传输。经测试，该系统既可进行多点和单点温度测试，还可进行有线和无线连接温度测试，且系统具有操作简便、控制灵活[10]和易于扩展等优点，因此可以广泛适用于通信机房温度的监测，可以直观得看到温度变化趋势图，还可以对已保存温度值进行事后数据分析。

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[5]朱芳.基于单片机的数据采集系统设计[J].重庆科技学院学报(自然科学版),2009,11(2):95-97.

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[11]章伟聪,俞新武,李忠成,等.基于CC2530及ZigBee协议栈设计无线网络传感器节点[J].计算机系统应用,2011,20(7):184-187.