基于LabVIEW的环境监测系统设计

张安莉，谢 檬，邵凤婷，马鹏鹏

（西安交通大学城市学院 电气与信息工程系，西安710018）

近年来，各类环境问题频频出现，影响着人们的生存与健康[1]。目前环境问题对人类生存影响较大的因素包括：温度、湿度以及二氧化硫浓度等[2]。随着全球气温的上升，导致冰川融化，破坏生物的生存环境，气候的变化将会破坏生物链、食物链，同时，会诱发人体的心脏病以及各种呼吸系统疾病。湿度过低或二氧化硫浓度过高，都会导致动植物的损害及各种疾病的诱发[3-7]。环境监测系统通过记录影响环境变化相关因素的趋势和走向，能够更好的监控和改善这些因素，对监测全球环境变化以及人类生存环境变化有着重大意义[8-11]。

本文所设计的基于LabVIEW 的环境监测系统，选用STM32F103C8T6 单片机作为主控芯片，DTH11温湿度传感器和MQ135 气体传感器采集大气中温度、湿度以及二氧化硫的浓度[12-17]。上位机采用LabVIEW 搭建监测平台，完成实时数据显示、故障报警以及历史数据存储与查看功能。

1 总体方案设计

监测系统结构如图1所示，包括二氧化硫传感器、温度传感器、湿度传感器、微控制器和通信总线。用于监测二氧化硫的空气温度，湿度，浓度相应的传感器，并产生电信号，再经单片机进行A/D 转换，接入数据传输线，并安装串口驱动，即可将下位机的数据传入上位机并显示。

图1 监测系统结构Fig.1 Monitoring system structure

2 软件程序设计

2.1 监测系统主程序

环境监测系统主程序流程如图2所示，程序流程依次为系统初始化、传感器响应、数据采集滤波、数据显示、监测温度、湿度和二氧化硫浓度。

图2 环境监测系统主程序流程Fig.2 Master program flow chart of environmental monitoring system

2.2 温度及二氧化硫浓度监测子程序

环境监测系统上位机温度及二氧化硫浓度监测子程序流程，如图3所示。

图3 温度及二氧化硫浓度监测子程序流程Fig.3 Monitoring subprogram flow chart of temperature and SO2 concentration

人体感到舒适的温度范围为18～24 ℃，MQ135传感器显示污染浓度百分比，当污染浓度达到50%时，红色指示灯报警，并完成实时数据的监测、保存及报警。

2.3 湿度监测子程序

人体适宜湿度范围为45%RH～65%RH，低于45%RH 时，蓝色指示灯亮起；高于湿度65%RH 时，红色指示灯亮起。环境监测系统湿度监测子程序流程，如图4所示。

图4 湿度监测子程序流程Fig.4 Monitoring subprogram flow chart of humidity

2.4 监测系统前面板设计

监测系统前面板由串口模块、实时波形显示模块、报警模块和历史数据记录模块组成，如图5所示。

图5 环境监测系统前面板Fig.5 Front panel of environmental monitoring system

1）串口模块

上位机串口的选择必须与下位机传输的串口保持一致，否则无法读取下位机传输的数据。串口选择COM3，将上位机与下位机连接起来，从而监测环境中各项物理量，即温度、湿度及二氧化硫浓度的变化情况。

2）实时波形显示模块

实时波形显示模块包括温湿度波形图表和烟雾波形图表。温度信号和湿度信号通过温湿度波形图表实时显示，蓝色曲线代表实时温度信号，红色曲线代表实时湿度信号。左纵轴为温度范围，即0～50 ℃；右纵轴为湿度范围，即0～100%RH，横轴为时间，单位为秒（s），每次测量时间间隔为1 s。

二氧化硫浓度信号通过烟雾波形图表实时显示，蓝色曲线代表实时二氧化硫浓度，纵轴为百分比，横轴为时间，单位为秒（s）。

3）报警模块

监测系统根据所采集的数据，报警模块分别为温度报警模块、湿度报警模块和二氧化硫浓度报警模块。

（1）温度报警模块

温度报警模块由2 个上下限调节装置、1 个布尔灯、1 个温度实时数值显示控件以及2 个温度拉杆组成。调节装置可自由设定温度的最高上限和最低下限，正常情况下布尔灯为绿色，当监测数值显示超过上限或下限时，布尔灯变为红色，并显示温度过低或过高。而实时数值显示控件则会实时显示当前温度。温度为摄氏度（℃），插棒温度范围为0～50 ℃，精确值为1 ℃。

（2）湿度报警模块

湿度报警模块由2 个上下限调节装置、1 个布尔灯、2 个湿度实时数值显示控件以及2 个湿度拉杆组成。调节装置可自由设定湿度的最高上限和最低下限，正常情况下布尔灯为绿色，当监测数值显示超过上限或下限时，布尔灯变为红色，并显示湿度过低或过高。单元湿度RH（即，%RH）为空气在相同温度下的绝对湿度与它的饱和湿度之百分比。杆湿度范围为0～100%RH，精确值为1%RH。

（3）二氧化硫浓度报警模块

二氧化硫浓度报警模块由1 个上限调节模块、1 个布尔灯、1 个二氧化硫浓度实时数值显示控件以及1 个浓度拉杆组成。正常情况下布尔灯为绿色，当监控数值显示超过上限时，布尔灯变为红色，并显示二氧化硫浓度过高。二氧化硫浓度拉杆为百分比的形式，精确值为1%。

4）历史数据记录模块

历史数据记录模块可以根据需求将历史数据记录文本储存在PC 端，并通过自定义储存路径找到历史数据。

3 监测系统的测试及误差分析

3.1 串口设置和数据设置

监测系统完成单片机和传感器的连线，并将USB 接口接入PC，安装好各项驱动，打开上位机监测界面，串口就会有显示。点击RUN，在串口设置处点击下拉，并选择对应串口COM3，点击打开串口，再点击开始，串口设置完毕。

设置温度上下限18～24 ℃；设置湿度上下限45%RH～65%RH；设置二氧化硫浓度上限50%。此时各个物理量范围设置完成，如图6所示。

图6 串口设置和数据设置Fig.6 Serial port settings and data settings

3.2 正常运行

监测系统正常运行如图7所示。设置温度范围为18～24 ℃，湿度范围为20%RH～90%RH，二氧化硫浓度范围为0～100%。实时数据为：温度21 ℃；湿度58%RH；浓度20%。波形图中显示的为1 s 时间间隔的实时波形，横轴为相对时间，纵轴为0～50 ℃。

图7 监测系统正常运行Fig.7 Normal running on monitoring system

3.3 温度报警

温度监测系统如图8所示，温度过低报警时如图8（a）所示，此时，设置的温度范围为18～24 ℃，湿度范围为20%RH～90%RH，二氧化硫浓度范围为0～100%。温度为2 ℃，湿度为62%RH，浓度为7%。在波形图中显示的为1 s 时间间隔的实时波形，横轴为相对时间，纵轴为0～50 ℃。由于此刻温度低于设定范围，因此布尔灯由绿色变为红色并报警。

当实时数据为：温度44 ℃，湿度65%RH，浓度31%。由于此刻温度高于设定范围，因此布尔灯由绿色变为红色并报警，如图8（b）所示。

图8 温度测试Fig.8 Temperature test

3.4 湿度报警

湿度监测系统如图9所示，湿度过低报警时如图9（a）所示，设置温度范围为18～24 ℃，湿度范围为20%RH～90%RH，二氧化硫浓度范围为0～100%。实时温度为31 ℃，湿度为16%RH，浓度为19%。波形图显示1 s 时间间隔的实时波形，横轴为相对时间，纵轴为0～100%RH。由于湿度低于设定范围，温度高于设定范围，布尔灯由绿色变为红色并报警。

实时数据为：温度为47 ℃，湿度为88%RH，浓度为41%。由于此刻湿度高于设定范围，温度高于设定范围，因此布尔灯由绿色变为红色并报警，如图9（b）所示。

图9 湿度测试Fig.9 Humidity test

3.5 浓度报警

监测系统浓度过高报警时如图10所示，此时，设置的温度范围为18～24 ℃，湿度范围为20%RH～90%RH，二氧化硫浓度范围为0～100%。温度为35 ℃，湿度为58%RH，浓度为69%。在波形图中显示的为1 s 时间间隔的实时波形，横轴为相对时间，纵轴为0～100%。由于此刻浓度高于设定范围，温度高于设定范围，布尔灯由绿色变为红色进行报警。

图10 监测系统浓度过高报警Fig.10 High monitoring system concentration causes alarm

3.6 监测系统误差分析

监测系统的误差分析见表1。

表1 误差分析Tab.1 Error analysis

数据标准值由标准函数表测量，相对误差的计算如式（1）所示：

式中：Y 为相对误差；Xa为测量值；Xb为标准值。

根据以上测试结果分析，监测系统温度误差范围为0～6.3%，湿度误差范围为0～7.3%，浓度误差范围为2%～10%。

为了进一步提高测量准确度，对测量数据进行一阶多项式拟合，温度、湿度和浓度的拟合公式分别如式（2）、式（3）和式（4）所示：

对拟合后的数据和测量数据分别进行平均相对误差计算，平均相对误差（MRE）的计算公式为

式中：xi为测量值；n 为测量次数。

环境测量参数、标准参数及拟合参数如图11所示。

图11 监测系统参数Fig.11 Monitoring system parameter

由式（5）和式（6）计算可得：温度测量值平均相对误差为2.6%，拟合值平均相对误差为2.08%；湿度的测量平均相对误差为3.79%，拟合平均相对误差为3.18%；二氧化硫浓度的测量平均相对误差为6.33%，拟合平均相对误差为6.33%。数据表明：拟合后的参数测量误差相较之测量数据，准确度得到明显提升。因此，基于此算法，对参数测量算法进行优化，代入拟合方程式后，其测量准确度可得到进一步改善。

4 结语

本文所设计的环境监测系统，将下位机的数据传入上位机并显示，上位机采用LabVIEW 软件搭建的环境监测系统面板，设计了数据显示模块、报警模块、波形图模块、串口模块以及历史数据记录模块。测试表明，本系统温度传感器量程为0～50 ℃，精确度为1%，平均相对误差为2.08%；湿度传感器量程为0～100%RH，精确度为1%。平均相对误差为3.18%；气体传感器量程为0～100%，精确度为1%，平均相对误差为6.33%。系统具备环境监测的实用功能，具有为人们生活提供方便的现实意义。