矿区环境监测系统设计与实现

摘 要：为解决矿区环境信息实时采集及显示问题，采用LabVIEW作为上位机平台，STM32F103微处理器作为下位机进行数据的分析处理，选用DS18B20数字温度传感器采集矿区的环境温度，MQ135气体传感器采集矿区空气中二氧化硫的浓度。上位机和下位机之间利用串口通信进行信息交互。系统主要功能为上位机实时显示温度和气体浓度，并可手动设置参数阈值、超限报警功能和温度历史数据显示。经过实验验证，所设计的环境监测系统实时性好、稳定性高，满足矿区环境参数智能化监测要求。

关键词：LabVIEW；STM32；环境监测；串口通信；信息交互；VISA

中图分类号：TP492.3 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2024）02-00-03

0 引 言

矿区人员密集，环境复杂，矿区温度和有害气体浓度是比较重要的环境因素，本文设计了一种由LabVIEW作为上位机，以STM32为下位机核心控制器的矿区环境监测系统。该监测系统主要功能为实时显示温度和气体浓度，并可手动设置参数阈值、越限报警功能和温度历史数据显示[1-2]。

1 总体方案设计

矿区环境监测系统由PC机、STM32单片机、MQ135气体传感器、DS18B20数字温度传感器和通信总线组成。在下位机系统中，各传感器会将采集到的数据传输至STM32中进行模数转换，下位机与上位机的数据交互使用串行通信，把下位机采集的数据信息传输到上位机，满足实时数据显示、数据存储、越限报警、数据读取的要求[3]。图1为系统整体结构。

2 监测系统硬件设计

2.1 主控制器

下位机主控选用ST公司出品的STM32F103RCT6作为核心控制器，它以Cortex-M3作为处理器内核，可以同时处理4个字节的数据，可应用于不同型号、不同用途的传感器。STM32F103RCT6引脚如图2所示。

2.2 串口转换电路

串口（UART）总线可以将CPU、存储器或微控制器等设备的数据发送到串口中，将CH340的数据发送口和接收口分别与STM32的数据接收口和发送口连接，这样便可通过CH340将USB与RS 232串口连接，从而实现上位机和下位机的有线数据连接[4-6]。图3为串口转换结构图。

2.3 温度传感器电路

温度传感器采用DS18B20，由于其具有高可靠性和稳定性，被广泛用于恶劣环境，其将温度直接转换为数字值，输出为数字信号。该模块封装后体积小，接线方便，温度传感器电路如图4所示。

2.4 气体传感器电路

二氧化锡的特点是在清洁空气中电导率较低，将其作为MQ135气体传感器的气敏材料。当被检测的空气中有其他污染源存在时，二氧化锡会由于其本身的特性导致其电导率会随空气中污染气体的浓度增大而增大。气体传感器可以检测出多种有害气体，且成本低、性价比高，适用于矿区等复杂环境[7]。MQ135的电路原理如图5所示。

3 监测系统软件设计

将使用Keil软件编写好的程序烧写到主控芯片中，以实现其对现场传感器数据的读取和处理，上位机的人机交互界面主要使用LabVIEW软件设计，可对下位机采集的数据进行显示，生成数据报表，并实现超限报警等功能[8]。

3.1 监测系统主程序

环境监测系统现场环境监测部分主程序如图6所示。首先对系统进行初始化配置，对各环境监测传感器的响应进行判断，然后对采集的数据进行滤波，减少环境误差对数据的影响，最后将处理换算过的温度和空气质量数据上传并存储。

3.2 基于LabVIEW的上位机程序设计

3.2.1 上位机前面板设计

使用LabVIEW对上位机界面进行开发设计，可分为前端人机交互界面和后面板程序两部分，前面板显示界面如图7所示。在前面板显示界面上，分别为“温度”“有害气体”

“历史数据读取”三个子区域。温度监测部分主要通过波形图和温度计实时显示温度参数，同时可设置温度阈值，实现温度超限报警。有害气体监测主要由仪表显示控件、阈值设置和越限报警灯组成。历史数据读取部分可以对历史温度进行读取，并由波形图显示。其中，报警的上下限值均可自定义设置。右下角为系统停止按钮[9-10]。

3.2.2 上位机后面板程序框图设计

后面板程序需要将上位机作为主机与各下位机进行通信协议设置，驱动、调用各控件，如图8所示。包括串口数据的接收、串口数据的读取，串口数据清空和关闭。串口发送的数据由温度波形显示和有害气体表盘显示，还可对存储的数据和历史数据进行显示。

4 系统运行测试实验

所设计的矿区环境监测系统在实验室中进行了模拟监测及测试。运行过程中，设置温度阈值为40 ℃，有害气体浓度阈值设置为0.2 mg/L。试运行结果如图9所示。

5 结 语

环境监测系统实现了对温度和有害气体浓度的实时采集，并且上位机对环境状态数据可以进行阈值设置，环境监测出现异常情况时及时报警，显示温度历史数据，还可以将采集数据的状态实时显示在上位机。该系统具有成本低、操作简单、界面友好、功能丰富、软件程序可移植性强等

特点。

参考文献

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[J].制造业自动化，2014，36（1）：139-142.

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