基于LabVIEW的远程空气颗粒物含量监测系统设计

刘永涛，刘 佳，夏旭洪，李玉华，刘 浩，霍庆周

(华北科技学院 电子信息工程学院，北京 东燕郊 101601)

基于LabVIEW的远程空气颗粒物含量监测系统设计

刘永涛，刘 佳，夏旭洪，李玉华，刘 浩，霍庆周

(华北科技学院 电子信息工程学院，北京 东燕郊 101601)

随着大气环境的恶化，空气质量越来越成为人们关注的话题，现有设备在原始数据监测中存在诸多不便。针对以上情况文中设计了一种基于LabVIEW的远程空气颗粒物含量检测系统。该系统携带方便，采用太阳能供电，经过低功耗优化设计可以实现长期在线监测。系统以STM32嵌入式处理器为控制核心，将激光传感器采集到的PM1.0、PM2.5、PM10以及现场温湿度等数据通过GPRS传送至以太网，上位机通过LabVIEW实现了数据的远程接收，以曲线和数据的方式加以实时显示并存储。系统实现了PM2.5等环境参数的远程、准确、实时的显示和处理。

动态曲线；远程监测； LabVIEW；GPRS

近些年由于我国经济的高速发展，汽车尾气、工厂废气、厨房油烟等排放量也日益增高，最终造成PM2.5浓度的急剧上升。随着污染的加重空气质量问题越来越受到社会各界人士和广大学者的关注。因此深入研究空气质量的监测方法，建立实用性、系统质量优异、性价比高的环境空气质量监测系统，对全面进行空气质量监测评价和环境保护工作的开展有着极为重要的理论分析意义和现实实用价值[1]。

为了有效解决以上问题，本文设计了一种基于LabVIEW的太阳能空气质量监测系统。该系统能够监测空气中的PM1.0、PM2.5、PM10的浓度，直径大于0.3 μm、2.5 μm、10 μm的颗粒物的数量以及温湿度并通过迪文屏实时显示(数值显示和曲线显示)，同时按照设定的采样周期将数据存到SD卡并发送到远程的上位机。

1 系统结构设计

本设计以STM32嵌入式处理器为核心，其Cortex-M3内核的设计集高性能、低功耗、实时应用、具有竞争性价格于一体，满足嵌入式领域的要求[2]。电源模块主要由MP2303电源管理芯片构成， GPRS数据网络通信选用SIM900A，传感器采用PMS1003激光颗粒物传感器和AM2321温湿度传感器，显示屏部分采用的是4.3寸TFT触摸屏，数据存储单元用SD卡实现，上位机用LabVIEW软件制作。系统结构图如图1所示。

图1 系统结构图

1.1 传感器电路设计

系统中空气颗粒物检测选用的是PMS1003激光颗粒物传感器，环境温湿度检测采用了AM2321温湿度传感器。PMS1003是一款数字式通用颗粒物浓度传感器，可用于获得单位体积内空气中0.3～10 μm悬浮颗粒物个数，即颗粒物浓度，并以数字接口形式输出，同时也可输出每种粒子的质量数据。

AM2321数字温湿度传感器是一款含有己校准数字信号输出的温湿度复合型传感器[3]。采用专用的温湿度采集技术，确保了极高的可靠性与长期稳定性。传感器包含一个电容式感湿元件和一个高精度集成测温元件，并与一个高性能微处理器相连接。标准单总线接口，使其应用变得简易快捷，通过SDA单总线与微处理器PC12相连。电路原理如图2所示。

图2 温湿度传感器电路

1.2 GPRS网络通信模块电路设计

该部分主要由基于GSM网络通信技术的SIM900A芯片组成，SIM900A是一个双频GSM/GPRS 模块，工作频段为：EMS900 MHz和DCS1800 MHz，支持多种编码方式，在SLEEP模式下最低电流只有1.0 mA。芯片通过串行通信接口与中央处理器串口1相连，完成数据的收发和控制。电路原理如图3所示。

装置通过STM32处理器的PC10管脚来控制SIM900A 的PWRKEY引脚，完成SIM900A 的上电、下电及重启控制。通过处理器的串口1完成与SIM900A 的串行通信控制。

图3 SIM900A单元电路

2 系统软件设计

本系统下位机程序用C语言编写，实现了对

传感器数据的采集和处理，发送数据到液晶屏显示，按照采样周期保存数据到SD卡以及控制SIM900A进行远程的数据传输。主程序流程图如图4所示。

上位机软件用LabVIEW制作，LabVIEW是一款图形化编程语言，它不同于文本编程语言的文本编程方式，采用的是图形化编程[4]。VI(虚拟仪器)由前面板和程序框图两部分组成。

虚拟仪器前面板作为人机的交换界面，无论从可操作性还是外观美化都有很高的要求，而且在此基础上也可以帮助我们更好地进行程序设计，从而完成整个软件部分的设计[5]。本系统的上位机系统的系统结构图如图5所示，VI间的调用关系如图6所示。

图4 系统流程图

图5 系统结构图

主VI程序的部分程序框图如图7所示，首先加载并运行相应的子VI(隐藏其前面板)，当相应的按钮按下以后，显示对应的前面板。本设计用LabVIEW的事件结构处理按钮动作，该方法的响应速度远远快于查询方式。

图6 VI间的调用关系

主VI主要负责调用各个子VI。通过点击前面板上的各个按钮，即可方便地查看到各个点的监测情况，如点击左侧的“北京”按钮即可看到地图上出现对应的设备地点图标，点击图标即可看到该点的实时数据和曲线，并能查看该点的历史数据。

子VI程序的设计：LabVIEW 为用户提供了封装好的TCP VI函数，使用时服务器端TCP VI需设置指定的监听端口，客户端TCP VI则需设置要与其建立连接的地址和远程端口号[6]。安装了LabVIEW的VISA驱动以后，可以方便快捷地进行TCP或UDP的数据通信。系统创建TCP侦听器并读取网络数据的程序[7]。程序如图8所示。

图7 主VI部分程序框图

图8 创建TCP侦听器并读取网络数据

框图中先调用数据通信→协议→TCP→TCP Create Listener函数创建TCP侦听器，传入端口号20000即可侦听本地20000端口。再调用TCP Wait On Listener函数，等待远程客户端的连接，超时毫秒设置为50，超时后将产生一个错误输出，在if条件结构中调用:对话框与用户界面→Clear Errors.vi清除该错误。如果有客户端连接则将连接ID传给TCP Read函数，TCP Read函数用于读取网络数据包，根据需要指定读取长度(34字节)，读取完毕后检查数据的正确性，正确则将数据送入下一个数据处理节点。如果超时，则调用数据通信→协议→TCP→TCP Close Connection函数关闭TCP连接，这样就完成了网络数据包的读取。

数据处理先调用编程→字符串→String Subset函数，设置偏移量和长度，截取出表示各个指标的字符串，经数据通道传递到前面板的数值显示控件，前面板上即可看见各个指标值。再调用编程→字符串→数值/字符串转换→Decimal String To Number函数，将字符串转换为十进制数，经数据通道传递到前面板的波形图表控件，前面板上即可显示出对应的曲线。调用簇、类与变体→Bundle函数将截取的字符串捆绑；调用Cluster To Array函数，将簇转换为数组；调用文件I/O→Write To Spreadsheet File.vi将字符串写入电子表格；调用定时→Get Data/Time String函数则用来获取当前系统时间，一起存入电子表格。数据处理程序框图如图9所示。

从接收到的数据中分离出各个需要的数值，送到波形图表，这样前面板上的波形图表即可显示出波形，同时将数据送到各个显示控件显示出其数值的大小，然后将数据捆绑后保存在Excel表格中。因为LabVIEW中的数据流可以同时流向每一个数据处理节点，所以可以实现并行处理，显示曲线和数值大小的同时可以保存数据[8]。

查看历史数据的程序框图如图10所示。通过点击历史数据按钮即可打开历史数据的Excel表格，查看历史数据方便，同时还可以直接用Excel对历史数据进行进一步分析和处理[9]。

图9 数据处理程序框图

图10 查看历史数据程序框图

由程序框图可见，在处理历史数据的事件结构中，调用了文件I/O→高级文件函数→Copy函数，将保存历史数据的表格复制到同一级目录下，然后调用报表生成→New Report.vi，用复制的表格为模板新建一个Excel报表，然后调用Dispose Report.vi用于关闭报表并释放其界面，最后调用对话框与用户界面→Clear Errors.vi清除可能的错误。LabVIEW的报表生成工具可以方便的生成各种格式的数据报表，如常用的Excel、Word、HTML等，从而可以方便快捷的进行各种报表生成和数据处理。实时历史数据查询结果如表1所示。

表1 历史数据

3 系统功能实现及测试

基于LabVIEW的太阳能空气质量监测系统目前已经通过实际测试，能够监测空气中的PM1.0、PM2.5、PM10的浓度，直径大于0.3 μm、2.5 μm、10 μm的颗粒物的数量以及温湿度并可以通过迪文屏实时显示，同时按照设定的采样周期将数据存到SD卡并发送到远程的上位机；系统置于户外由太阳能电池板和锂电池供电。设备于2015年12月04日11点32分测试PM2.5数据为276 μg/m3与权威部门发布数据270 μg/m3基本一致，测试结果如图11所示。

图11 实际测试图

4 结论

本设计实现了基于LabVIEW的空气质量远程户外监测。系统硬件以STM32嵌入式处理器为核心，由GPRS网络通信技术和多传感器技术综合设计完成。

经实际测试验证系统具有测量准确、远程实时在线监测、携带放置方便等优点，因此具有着很好的应用前景和推广价值。

[1] 吴婷婷.环境空气质量监测系统的研究与实现[D].重庆：重庆邮电大学，2011.

[2] 梁李柳元. 基于STM32 的无线红外智能插座系统设计[J]. 电子技术应用，2015，38(19)：156-159.

[3] 何燕阳.基于AM2301的消毒熏箱温湿度控制系统设计[J].智能计算机与应用,2012(4):68-71.

[4] 蔡共宣.LabVIEW编程思想研究[J].装备制造技术,2009(9):56-58.

[5] 姚娟， 张志杰， 李丽芳. 基于LabVIEW 和TCP 的数据采集系统设计与实现[J]． 电子技术应用，2012，38(7)：72-74.

[6] 苗凤娟，张冬，陶佰睿，等. 基于LabVIEW 的湿度校准平台[J]. 仪表技术与传感器，2014(1)：21-23.

[7] 史素敏，刘建新, 金鹏，等. 汽车天窗测试系统中PLC与上位机以太网通讯系统的开发[J]. 机床与液压，2013(16)：132-135.

[8] 曹文，施建洪，崔嘉. 一种针对交互式软件的功能测试方法[J]. 海军航空工程学院学报,2009(5):583-586.

[9] 曲茵，宫雪，杨翼博. 宁波钢铁1780热连轧WinCC归档变量存储法[M]. 合肥: 全国冶金自动化信息网2011年会,2011.

Design of remote air particulate matter content monitoring system based on LabVIEW

LIU Yong-tao,LI Yu-hua,XIA Xu-hong,LIU Hao

(SchoolofElectronicandInformationEngineering,NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Yanjiao,101601,China)

With the deterioration of the atmospheric environment, air quality has become a topic of concern. The existing equipments have many disadvantages in monitoring original data . In this paper, a remote air particulate content detection system based on LabVIEW is designed. The system is convenient to carry and use solar power supply, and the optimized design can achieve long-term on-line monitoring. STM32 embedded processor as the control core, the laser sensor acquisition of PM1.0, PM2.5, PM10, and the temperature and humidity of the data through the GPRS transmission to the Ethernet, the host computer through the LabVIEW to achieve the remote data receiving, the curve and data to display and store the way. The system realizes the remote, accurate and real-time display and processing of PM2.5 and other environmental parameters.

dynamic curve；remote monitoring； LabVIEW；GPRS

2016-03-28

中央高校基本科研业务费资助项目(3142014071，3142015088)

刘永涛(1981-)，男，河北定州人，硕士，华北科技学院电子信息工程学院讲师，主要从事监测监控及仪器仪表技术研究。E-mail:ytliu@ncist.edu.cn

TN911.7

A

1672-7169(2016)03-0062-06