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摘要：作者结合实验室建设，设计了基于LabVIEW的分布式实验室环境监测平台。使用多种传感器、LabVIEW、单片机等工具，对平台的数据采集部分、串口通信部分、分析处理部分等进行了硬件与软件的系统设计。实验结果表明，该平台能够实现实验室环境实时监测、超限报警，报表生成打印等功能。该平台的设计，能帮助学生巩固LabVIEW、单片机、传感器等知识，提高学生的创新能力与动手能力，达到更好的教学效果。
关键词：LabVIEW；分布式；实验室；环境监测；传感器；单片机
中图分类号：G434 文献标识码：A 论文编号：1674-2117（2018）10-0069-04
前言
培养学生的创新意识与动手能力是高校实验室建设的主要目的之一，也对学生以后的职业发展具有重要意义。本文结合山东科技大学检测技术实验室的建设，设计了基于LabVIEW的分布式实验室环境监测平台，实现了对实验室环境数据的实时、可靠监测。[1]一方面学生可以更好地巩固LabVIEW、單片机、传感器等知识。另一方面，学生可以在平台上进行二次开发，进而培养综合动手能力和创新意识，充分发挥综合性实验的效能。
平台总体结构设计
平台主要由下位机系统和上位机系统构成：下位机系统以STC12C5A60S2单片机作为主控制器，以温湿度传感器、粉尘传感器、流量传感器作为感测元件分别对温度、湿度、粉尘浓度、流量等数据进行采集[2]，并通过串口发送到上位机系统；上位机系统基于LabVIEW[3-5]主要实现对数据的解析、显示，超限报警，报表打印等功能。系统设计总体结构框图如图1所示。
硬件系统设计
硬件系统电路主要包括单片机控制器模块、电源模块、温湿度检测模块、粉尘浓度检测模块、流量检测模块、串口通信模块等。
1.单片机控制器模块
单片机控制器模块主要包括STC12C5A60S2单片机、复位电路和时钟电路。其中复位电路采用上电复位和手动复位两种方式；时钟电路的晶振频率为11.0592MHz。[6]单片机控制器模块电路原理图如上页图2所示。
2.其他模块设计
系统电源电路采用两节18650锂电池作为前端电源，经L7805稳压电路稳压后，输出5V电压供给系统使用。相比于经变压器整流降压的电源，使用锂电池使得系统的可移动性更强，提高了系统的灵活性和适应性。温湿度检测模块选用的是AM2320温湿度传感器。该传感器包括电容湿敏元件与高精度集成的测温元件，含有已校准数字信号输出，支持单总线和标准I2C总线两种通信方式。笔者选用的通信方式为单总线方式，信号传输距离可达20米以上。粉尘浓度检测模块选用的是ZPH01粉尘传感器。传感器采用红外线LED和可见光截止的光电传感器，检测单元采用粒子计数原理对粉尘浓度进行检测，并将浓度转换为PWM信号进行输出。流量检测模块选用的是YF-S201流量传感器。传感器由塑料阀体、转子组件和霍尔传感器组成，磁性转子转动并且转速随着流量变化而变化，霍尔传感器输出相应脉冲信号，反馈给控制器，由控制器判断流量的大小，进行调控。串口通信选用的是基于PL2303芯片的USB转TTL串口通信模块，具有USB数据格式与TTL电平信号的双向转换功能，从上位机接收USB数据并将其转换为TTL电平信号发送给下位机，[7]也可从下位机接收TTL电平信号并转换为USB数据格式传送回上位机。
硬件系统总体电路原理图如图3所示，硬件系统实物图如图4所示。
软件系统设计
1.下位机软件设计
设计下位机软件控制传感器进行参数检测，并将数据读取到单片机进行数据处理，然后发送到上位机。下位机环境参数采集流程图如图5所示，部分程序如图6所示。
2.上位机软件设计
使用LabVIEW设计上位机软件[8]，将接收到的数据进行分析、处理，若超限，则启动声光报警。还可以进行数据存储和报表生成打印、远传等，实现数据共享。上位机程序流程图如下页图7所示。
（1）串口配置程序设计
在串口配置程序中，通信设置使用的是COM3端口[9]，波特率设置为4800bit/s，数据位设置为8位，无奇偶位，1位为停止位。
（2）数据读取及显示程序设计
LabVIEW读取数据本质上是读取字符串。当读取字符串VISA从下位机一次性完成16字节数据字符串读取后，经截取字符串函数，分别将温度、湿度、粉尘浓度、流量[10]对应的字节截取后传送到各自的数据通道，再由字符串至数值转换函数将字符串转换为数值后送显示控件显示。读取字符串VISA通过调用属性节点，经串口读取下位机发送上来的数据。读取字符串VISA的读取字节总数设置为16字节，包括1个起始字节“S”、4个温度字节、4个湿度字节、3个浓度字节和4个流量字节。
（3）数据存储与报表生成程序设计
当数据被截取分流后，和时间函数一起通过创建数组函数生成一个数组[11-13]，并存放在指定路径的Excel表格中。本文的报表生成程序使用的是LabVIEW中的MS Office Report函数，利用MS Office Report函数可以制作简单的报表，支持的文件格式有Word、Excel。只需要事先制作一个文件模板并完成项目名称和数据写入区域配置，该函数即可自动生成一个简单报表，在上位机连接打印机后，可直接进行报表打印。本文中的报表内容主要包括报表名称、操作人、报表生成时间、参数检测时间和所采集的数据等内容。
（4）声光报警程序设计
将上位机从下位机读取到的数据与用户预先设定的参数值进行比较，若数据大小在设定范围内，则比较结果为“假”，程序继续运行，不发生报警；若采集到的环境参数超出预先设定的参数范围，则比较值为“真”，进而触发报警灯和声音报警模块，上位机同时进行声光报警。 （5）系统界面设计
系统界面主要包括日期显示、操作人、主显示区、通信及数据保存设置区、参数设置区及操作区等。其中主显示区包括波形图显示、实时参数显示、报警灯等控件；通信及数据保存设置区主要包括通信参数设置、通信串口选择和采集数据路径保存等。
上位机软件设计程序如图8所示。
平台调试及结果
下位机软件调试及结果，如图9所示。在串口通信调试阶段，使用SSCOM3.2串口调试助手作为上位机与下位机进行通信，串口通信调试结果如图10所示。从通信显示界面中可以看到，第1个字节“S”为接收起始位[14]，通知上位机开始接收数据；第2～5字节为温度字节，测得温度为24.8摄氏度；第6～9字节为相对湿度字节，测得相对湿度为31.5%RH；第10～12字节为粉尘浓度字节，测得粉尘浓度为26ug/m；第13～16字节为流量字节，测得瞬时流量为8.9L/min。
运行本平台，监测界面显示结果如图11所示。从运行结果可以看出，参数检测、显示、报警、报表等功能均正常。将采集的参数进行保存，点击报表按钮，系统程序启动打印机服务，自动读取保存的数据并按模板生成预设报表。检测报表如图12所示。
结论
与验证性的实验平台相比，本平台可以进行二次开发及功能拓展，进而提高学生分析、解决实际问题的能力，充分激发学生的创新意识，提高学生的动手操作能力，对实验室与传感器理论与技术课程建设具有实际意义。
参考文献：
[1]高宏岩，马骏，朱林海.基于单片机的车位检测实验系统设计[J].实验技术与管理，2017，34（1）：90-93.
[2]高原，文瑞松，王土央.无线传感器网络环境监测采集节点的设计[J].实验技术与管理，2012，29（4）：127-131.
[3]邓奕，韩剑.LABVIEW虚拟仪器程序设计与应用[M].武汉：华中科技大学出版社，2015.
[4]郭向前，段金英，张锐.基于LabVIEW的高校实验室环境监测系统的设计[J].自动化应用，2016（6）：117-118.
[5]李红刚，张素萍.基于单片机和LabVIEW的多路数据采集系统设计[J].国外电子测量技术，2014，33（4）：240-243.
[6]高宏巖，王兆芊，王闻阳.基于力控软件的过程控制虚拟实验系统[J].实验室研究与探索，2017，36（3）90-93.
[7]盖文东，张婧，赵伟志.基于OPC技术的过程控制仿真实验设计[J].实验技术与管理，2015（10）：132-135.
[8]王平，杨涛，侯守全，等.LabVIEW中DAQ数据采集系统设计[J].自动化仪表，2015（7）：31-33.
[9]王显军.LabView对串口采样测量数据的处理[J].电子测量技术，2014（3）：107-111.
[10]姜海燕，宋庆军，谢统颜.传感器与检测技术的网络实验室构建[J].实验室研究与探索，2014，33（1）：17-19.
[11]National lnstruments China.基于LabView构建远程实验室技术指导书[Z].Ni公司官方网站，2012.
[12]刘海洋，王慧，陈智，等.温室环境信息实时监测与控制系统的设计[J].农机化研究，2014（14）：65-69.
[13]卢佩，刘效勇.基于LabVIEW的温室大棚温、湿度解耦模糊控制监测系统设计与实现[J].山东农业大学学报：自然科学版，2012，43（1）：124-128.
[14]高宏岩，张开如.自动控制原理模块化实验教学模式研究[J].实验科学与技术，2014，12（6）：62-65.
作者简介：程学珍（1964—），女，博士，教授，研究方向为传感器理论与检测技术。
基金项目：国家自然科学基金（61503224）；山东省重点研发计划（2016GSF117009）；青岛市民生科技计划（17-3-3-88-nsh）；山东省研究生教育优质课程立项建设项目（2016050）；山东科技大学研究生教育创新计划项目（KDYC15017）；山东科技大学优秀教学团队建设计划资助项目（NOXTD20170510）。
关键词：LabVIEW；分布式；实验室；环境监测；传感器；单片机
中图分类号：G434 文献标识码：A 论文编号：1674-2117（2018）10-0069-04
前言
培养学生的创新意识与动手能力是高校实验室建设的主要目的之一，也对学生以后的职业发展具有重要意义。本文结合山东科技大学检测技术实验室的建设，设计了基于LabVIEW的分布式实验室环境监测平台，实现了对实验室环境数据的实时、可靠监测。[1]一方面学生可以更好地巩固LabVIEW、單片机、传感器等知识。另一方面，学生可以在平台上进行二次开发，进而培养综合动手能力和创新意识，充分发挥综合性实验的效能。
平台总体结构设计
平台主要由下位机系统和上位机系统构成：下位机系统以STC12C5A60S2单片机作为主控制器，以温湿度传感器、粉尘传感器、流量传感器作为感测元件分别对温度、湿度、粉尘浓度、流量等数据进行采集[2]，并通过串口发送到上位机系统；上位机系统基于LabVIEW[3-5]主要实现对数据的解析、显示，超限报警，报表打印等功能。系统设计总体结构框图如图1所示。
硬件系统设计
硬件系统电路主要包括单片机控制器模块、电源模块、温湿度检测模块、粉尘浓度检测模块、流量检测模块、串口通信模块等。
1.单片机控制器模块
单片机控制器模块主要包括STC12C5A60S2单片机、复位电路和时钟电路。其中复位电路采用上电复位和手动复位两种方式；时钟电路的晶振频率为11.0592MHz。[6]单片机控制器模块电路原理图如上页图2所示。
2.其他模块设计
系统电源电路采用两节18650锂电池作为前端电源，经L7805稳压电路稳压后，输出5V电压供给系统使用。相比于经变压器整流降压的电源，使用锂电池使得系统的可移动性更强，提高了系统的灵活性和适应性。温湿度检测模块选用的是AM2320温湿度传感器。该传感器包括电容湿敏元件与高精度集成的测温元件，含有已校准数字信号输出，支持单总线和标准I2C总线两种通信方式。笔者选用的通信方式为单总线方式，信号传输距离可达20米以上。粉尘浓度检测模块选用的是ZPH01粉尘传感器。传感器采用红外线LED和可见光截止的光电传感器，检测单元采用粒子计数原理对粉尘浓度进行检测，并将浓度转换为PWM信号进行输出。流量检测模块选用的是YF-S201流量传感器。传感器由塑料阀体、转子组件和霍尔传感器组成，磁性转子转动并且转速随着流量变化而变化，霍尔传感器输出相应脉冲信号，反馈给控制器，由控制器判断流量的大小，进行调控。串口通信选用的是基于PL2303芯片的USB转TTL串口通信模块，具有USB数据格式与TTL电平信号的双向转换功能，从上位机接收USB数据并将其转换为TTL电平信号发送给下位机，[7]也可从下位机接收TTL电平信号并转换为USB数据格式传送回上位机。
硬件系统总体电路原理图如图3所示，硬件系统实物图如图4所示。
软件系统设计
1.下位机软件设计
设计下位机软件控制传感器进行参数检测，并将数据读取到单片机进行数据处理，然后发送到上位机。下位机环境参数采集流程图如图5所示，部分程序如图6所示。
2.上位机软件设计
使用LabVIEW设计上位机软件[8]，将接收到的数据进行分析、处理，若超限，则启动声光报警。还可以进行数据存储和报表生成打印、远传等，实现数据共享。上位机程序流程图如下页图7所示。
（1）串口配置程序设计
在串口配置程序中，通信设置使用的是COM3端口[9]，波特率设置为4800bit/s，数据位设置为8位，无奇偶位，1位为停止位。
（2）数据读取及显示程序设计
LabVIEW读取数据本质上是读取字符串。当读取字符串VISA从下位机一次性完成16字节数据字符串读取后，经截取字符串函数，分别将温度、湿度、粉尘浓度、流量[10]对应的字节截取后传送到各自的数据通道，再由字符串至数值转换函数将字符串转换为数值后送显示控件显示。读取字符串VISA通过调用属性节点，经串口读取下位机发送上来的数据。读取字符串VISA的读取字节总数设置为16字节，包括1个起始字节“S”、4个温度字节、4个湿度字节、3个浓度字节和4个流量字节。
（3）数据存储与报表生成程序设计
当数据被截取分流后，和时间函数一起通过创建数组函数生成一个数组[11-13]，并存放在指定路径的Excel表格中。本文的报表生成程序使用的是LabVIEW中的MS Office Report函数，利用MS Office Report函数可以制作简单的报表，支持的文件格式有Word、Excel。只需要事先制作一个文件模板并完成项目名称和数据写入区域配置，该函数即可自动生成一个简单报表，在上位机连接打印机后，可直接进行报表打印。本文中的报表内容主要包括报表名称、操作人、报表生成时间、参数检测时间和所采集的数据等内容。
（4）声光报警程序设计
将上位机从下位机读取到的数据与用户预先设定的参数值进行比较，若数据大小在设定范围内，则比较结果为“假”，程序继续运行，不发生报警；若采集到的环境参数超出预先设定的参数范围，则比较值为“真”，进而触发报警灯和声音报警模块，上位机同时进行声光报警。 （5）系统界面设计
系统界面主要包括日期显示、操作人、主显示区、通信及数据保存设置区、参数设置区及操作区等。其中主显示区包括波形图显示、实时参数显示、报警灯等控件；通信及数据保存设置区主要包括通信参数设置、通信串口选择和采集数据路径保存等。
上位机软件设计程序如图8所示。
平台调试及结果
下位机软件调试及结果，如图9所示。在串口通信调试阶段，使用SSCOM3.2串口调试助手作为上位机与下位机进行通信，串口通信调试结果如图10所示。从通信显示界面中可以看到，第1个字节“S”为接收起始位[14]，通知上位机开始接收数据；第2～5字节为温度字节，测得温度为24.8摄氏度；第6～9字节为相对湿度字节，测得相对湿度为31.5%RH；第10～12字节为粉尘浓度字节，测得粉尘浓度为26ug/m；第13～16字节为流量字节，测得瞬时流量为8.9L/min。
运行本平台，监测界面显示结果如图11所示。从运行结果可以看出，参数检测、显示、报警、报表等功能均正常。将采集的参数进行保存，点击报表按钮，系统程序启动打印机服务，自动读取保存的数据并按模板生成预设报表。检测报表如图12所示。
结论
与验证性的实验平台相比，本平台可以进行二次开发及功能拓展，进而提高学生分析、解决实际问题的能力，充分激发学生的创新意识，提高学生的动手操作能力，对实验室与传感器理论与技术课程建设具有实际意义。
参考文献：
[1]高宏岩，马骏，朱林海.基于单片机的车位检测实验系统设计[J].实验技术与管理，2017，34（1）：90-93.
[2]高原，文瑞松，王土央.无线传感器网络环境监测采集节点的设计[J].实验技术与管理，2012，29（4）：127-131.
[3]邓奕，韩剑.LABVIEW虚拟仪器程序设计与应用[M].武汉：华中科技大学出版社，2015.
[4]郭向前，段金英，张锐.基于LabVIEW的高校实验室环境监测系统的设计[J].自动化应用，2016（6）：117-118.
[5]李红刚，张素萍.基于单片机和LabVIEW的多路数据采集系统设计[J].国外电子测量技术，2014，33（4）：240-243.
[6]高宏巖，王兆芊，王闻阳.基于力控软件的过程控制虚拟实验系统[J].实验室研究与探索，2017，36（3）90-93.
[7]盖文东，张婧，赵伟志.基于OPC技术的过程控制仿真实验设计[J].实验技术与管理，2015（10）：132-135.
[8]王平，杨涛，侯守全，等.LabVIEW中DAQ数据采集系统设计[J].自动化仪表，2015（7）：31-33.
[9]王显军.LabView对串口采样测量数据的处理[J].电子测量技术，2014（3）：107-111.
[10]姜海燕，宋庆军，谢统颜.传感器与检测技术的网络实验室构建[J].实验室研究与探索，2014，33（1）：17-19.
[11]National lnstruments China.基于LabView构建远程实验室技术指导书[Z].Ni公司官方网站，2012.
[12]刘海洋，王慧，陈智，等.温室环境信息实时监测与控制系统的设计[J].农机化研究，2014（14）：65-69.
[13]卢佩，刘效勇.基于LabVIEW的温室大棚温、湿度解耦模糊控制监测系统设计与实现[J].山东农业大学学报：自然科学版，2012，43（1）：124-128.
[14]高宏岩，张开如.自动控制原理模块化实验教学模式研究[J].实验科学与技术，2014，12（6）：62-65.
作者简介：程学珍（1964—），女，博士，教授，研究方向为传感器理论与检测技术。
基金项目：国家自然科学基金（61503224）；山东省重点研发计划（2016GSF117009）；青岛市民生科技计划（17-3-3-88-nsh）；山东省研究生教育优质课程立项建设项目（2016050）；山东科技大学研究生教育创新计划项目（KDYC15017）；山东科技大学优秀教学团队建设计划资助项目（NOXTD20170510）。