基于虚拟仪器技术的室内环境监测系统的设计

衡阳师范学院物理与电子工程学院 王文静 陈列尊 唐建锋 李志强 谢宇希

基于虚拟仪器技术的室内环境监测系统的设计

衡阳师范学院物理与电子工程学院 王文静 陈列尊 唐建锋 李志强 谢宇希

随着人们生活水平的提高，室内环境监测系统作为智能家居的构成部分，已经受到越来越多的关注和重视。虚拟仪器技术将仪器和计算机进行了结合，采用通用的硬件模块，并充分发挥了计算机强大的处理功能。本文提出了利用虚拟仪器技术设计了一个室内环境自动监测系统，主要采集了室内温度、湿度等数据，在软件平台实现了数据的显示、存储、分析以及历史数据读取、自动控制、报警等功能，具有广阔的推广空间和广泛的应用价值。

室内环境监测；虚拟仪器技术；系统设计

1. 引言

随着社会的飞速发展和人们生活水平的不断提高，室内居住环境直接影响着人们的生活质量和身心健康，因此人们对室内环境的要求也越来越高［1］。室内环境监测系统是智能家居的重要组成部分，在国内和国外的现代化小区建设中所发挥的作用已经越来越重要。以现代测量技术为基础的环境监测技术可对各种环境参数进行测量与分析，是研究环境质量变化趋势的重要手段和环境保护的基础［2］。

虚拟仪器技术将高性能的模块化硬件和高效灵活的软件相结合以用于自动化的测试、测量领域，克服了传统仪器功能固定只能由厂家定义的缺点，具有灵活性高、费用低、使用周期长、更新快和可重复利用等优点［3］。与传统仪器相比较，虚拟仪器可以根据不同的用户需求来构建测试测量系统，不仅可以减少系统的维护费用和开发时间，而且开发出来的系统还具更可靠的质量和有更强的功能［4-5］。本文提出了基于虚拟仪器技术的室内环境监测系统设计这一方法，首先通过采集卡将采集的温湿度数据传送到计算机，然后利用虚拟仪器开发软件实现数据显示存储、历史数据读取、超限报警、自动控制和网络监测等功能。

2. 系统结构设计

基于虚拟仪器技术的室内环境监测系统结构设计如图1所示，主要包括采集温湿度等数据的传感变送器、USB采集卡、计算机、Labview软件检测平台四个部分。首先利用温湿度传感器模块检测外界环境的信号，接收到的信号经过调理之后被DAQ采集卡采集，然后在计算机上经过数据处理之后，接着在计算机虚拟仪器编程面板上，对采集到的温度和湿度进行分析、处理和判断，当温度和湿度超过或者低于设定温度和湿度时，系统指示灯亮起并且发出报警的声音，另外还要对采集到的信号进行实时显示、保存记录、报警历史记录与清除等功能。

图1 硬件系统的设计图

3. 系统硬件平台的搭建

3.1温湿度传感器

系统使用DHT111传感器将室内环境中的待测信息转化为电量。DHT111传感器具有将校准的数字信号输出的功能，主要应用温湿度传感技术和专用的数字模块采集计数，具有极高的稳定性。该传感器主要由电阻式感湿元件和测温元件两部分组成，采集的温度范围为0℃-50℃，误差为+-2℃，湿度测量范围为20%-95%，误差为+-5%，工作电压为3.3V-5V。

3.2数据采集卡

USB采集卡采用USB-6009数据采集来传送信号。该采集卡包含十二个数字输入/输出通道，两个单端模拟输出口和两个模拟输入口。该系统需要用到采集卡的4个端口，分别为+5V电源端、接地端和两个模拟输入端。分别将温湿度信号接到两个模拟输入端，通过采集卡的虚拟测试面板检测输入的电压信号。USB-6009体积小易于携带，采用USB直插式接口易于使用，具有价格低、功能优、实践性强的特点。

4. 系统软件平台搭建

对于软件设计平台采用LabVIWE 2013进行编写，其系统软件平台设计结构框图如图2所示，主要包括系统登陆模块、参数设置模块、数据采集模块、历史数据管理模块、以及网络发布等几部分组成。

图2 系统软件平台设计结构框图

4.1系统登陆

系统登陆部分主要包括登陆、注册和退出登陆四个部分。通过注册产生正确的用户名和密码，程序运行时，用户必须输入正确的用户名与密码才能进入其他操作界面，否则就会弹错误信息，系统登陆失败，程序将停止运行。

4.2参数设置模块

参数设置模块主要是对系统的采集配置、报警参数、数据库等的进行设置。在采集卡采集信号之前第一步需要对采集卡的模拟通道初始化，并设置采集卡的采集方式为多缓冲方式。本室内环境监测系统的采集配置主要是对采集卡类型、数据端口、总的缓冲区的数目、采样频率、每个缓冲区采样点数、通道个数等参数进行选择和设置。信号的采样时间和采样点数就可以从这些设置的参数中计算得到。报警参数主要设置报警温湿度的上下限，当温湿度超过设定值时，在超限报警模块将会发生报警。数据库主要对数据库位置、名称、数据存储类型、是否启用数据库等进行选择和设置。参数设置模块的正确设置是程序得以正确运行的先决条件，因此在设置参数时一定要考虑到实际应用情况以及各个模块的参数设置原因和需求。

4.3数据采集模块

该模块主要是将温湿信号转化为对应的数字量且传送到计算机进行处理的过程。该模块首先需要下载安装NI-DAQmx软件。NIDAQmx是基于Windows系统和Linux系统的高性能多线程的驱动软件，具有效率快、性能优的特点。在驱动程序安装完成之后，需要对研究中采用的NI USB-6009进行相应的配置，然后利用DAQ助手读取相应IO口的数据。

对于读取到的数据，在虚拟仪器的面板上通过数值和曲线两种形式显示出来，以让使用者更直观和方便的观察即时数据和历史数据。为了更好的体现出人机交互性，引入了温度计和仪表等控件来直接显示温度数据。

温湿度上下限的报警指示灯以及系统指示灯均采用布尔显示控件中的圆形指示灯，若没有报警的时候正常显示，若报警则相应指示灯变成红色。其次就是温湿度上下限的设置，均采用银色控件中的数值输入控件，利用这些来设置温度和湿度监测范围，若超过设定的范围，则相应的指示灯会变红色。还有系统时间的设置，温湿度数据存储的文件位置以及开关控制模块，开关控制主要用来控制停止采集、停止报警和是否清除历史报警。

4.4历史数据管理模块

为了将测量结果保存起来，方便对历史数据的查询与打印，将采集的温度、湿度、采集时间等数据保存在Excel表格中，通过读取Excel表格就可显示出某一时刻或者某一阶段的历史数据。

在labview程序框图中，选用函数中文件IO里面的写入电子表格文件节点，并且选择文件存储文件夹，设置文件名，在对应文件夹下面会自动生成一个.xls文件［6］。将数据采集卡采集到的所有温湿度数据以及采集时间都保存再该文件中。该方法可自动生成并保存数据文件，不仅节约了用户时间，也减少了繁琐的操作步骤，为用户提供了方便。

4.5网络监测模块

本模块利用LabVIEW中的TCP/IP节点，采用TCP/IP协议进行数据传输的工作方法，来实现局域网通讯，完成数据的传输与监测。再TCP通讯中，将一端设定为客户端，一端设定为服务端。这样的话，在程序运行时，服务端不断帧听，若有客户端连接时建立连接，若连接上进行数据发送和接收处理，若没连接上就会出现报错提示，并不断的进行连接。

5. 结束语

本文以温度和湿度为例设计了一个室内环境监测系统，在硬件方面利用DHT111传感器将室内环境中的待测信息转化为电量，通过USB 6009将数据传送到计算机进行处理。在软件方面，通过LabVIEW 2013建立监测平台，首先利用DAQ助手读取采集卡，然后对采集后的数据进行处理分析、显示和存储，当温度超过上下限时进行报警。为了提高人机交互性，设计了登陆界面、表盘显示、波形显示、excel自动保存读取、TCP通讯等功能。该方法不仅具有人机交互性强、操作方便，可靠性高等特点，还可以进一步拓展功能，如在以后的研究中加入CO2浓度、粉尘浓度等环境因素的监测。

［1］郝光健.基于Labview和单片机的室内环境监测预警系统的设计［D］.山东：山东农业大学，2014.

［2］任立全，张永坚，陈梅.基于虚拟仪器技术的室内环境智能检测系统［A］.中国仪器仪表与测控技术交流大会论文集，2007.

［3］刘萍，曹慧，邱鹏.虚拟仪器的发展过程及应用［J］.山东科学，2009，22（1）：80-83.

［4］王娟，夏承遗，孙颖，等.基于虚拟仪器技术的温湿度测量系统［J］.仪器仪表用户，2004，11（6）：42-43.

［5］李文芳，李海霞.基于LabVIEW的温度采集报警系统［J］.电子设计工程，2015，23（5）：71-73.

［6］陈锡辉，张银鸿.LabVIEW 8.20程序设计从入门到精通［M］.北京：清华大学出版社，2007.

王文静（1988-），女，助教，研究方向：计算机视觉与图像处理。

衡阳师范学院基金青年项目“基于虚拟仪器技术的室内环境监测系统的设计（14A05）”；衡阳师范学院省级平台开放基金项目“基于机器视觉的生物幼苗数量估计（GD15K08）”；衡阳师范学院南岳学院院级教学改革研究项目“基于大学生电子设计竞赛的模拟电子技术课程实践教学改革研究（NJY201505）”。