【《基于LabVIEW家居环境智能监测系统设计》12000字（论文）】

[20]。本次毕业设计采用GY30模块。BH1750的内部结构包括光敏二极管、运算放大器、ADC采集、晶振等部分。二极管通过光生伏特效应将输入光信号转换成电信号，经运算放大电路放大后，由ADC采集电压，然后通过逻辑电路转换成16位二进制数存储在内部的寄存器中。BH1750引出了时钟线和数据线，单片机通过I2C协议可以直接与BH1750模块通讯，既可以选择BH1750的工作方式，也可以将BH1750寄存器的光照度数据提取出来。图3-4-1BH1750原理图图3-4-2光强部分程序图3.5空气质量检测模块MQ135气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡(SnO2)其原理如图3-5-1所示，部分程序如图3-5-2所示。当一个传感器所处区域附近有污染物或放射性气体存在时，传感器的电导率会随着空气中污染物气体浓度的增加而逐渐增加。将电导率的改变值通过一些简单的转换电路将转换为与气体浓度变化相适应的电压信号，即可测出空气污染指数。MQ135气体传感器对硫化物和氨具有很强的灵敏性，并且对烟雾和其他有害气体的监测也非常有效。这种传感器能够检测多种有害气体，并且能够对各种浓度的有害气体具有良好的灵敏度。因为其驱动电路简单，成本低，所以选用MQ135测量空气质量。图3-5-1MQ135原理图图3-5-2MQ135程序图4.系统软件设计本次毕业设计主要使用了NI公司的LabVIEW作为软件开发的主要平台。LabVIEW最初是由1992年美国一家测试仪器公司(NI)自主研制并自行开发的一种新型应用程序系统开发软件环境，类似于JAVA的C和JAVA的BASIC两种应用开发程序环境，但是LabVIEW与其他计算机语言之间的显著的基本区别主要表现在于:LabVIEW使用的是图形化编辑语言G编写程序，而其他计算机语言使用基于文本的语言来生成代码。在编写一个应用程序，使用该语言方法进行编程时，基本上我们不会自己直接编写任何一个应用程序的文本源代码，而是通过简单地直接使用一个应用程序地流程图或程序框图来表明意图。从本质上讲LabVIEW中使用的基本节点和功能等就是可以直接使用的小模块。传统的文本编程语言一般时根据其开始语句和执行指令的先后顺序决定程序执行顺序，而LabVIEW一般使用数据顺序流方式进行文本编程，程序框图中VI及功能的执行顺序由各个程序节点之间的数据流向决定。该系列虚拟计算机测试仪器的主要不同之处就是软件组成部分，硬件组成部分大多都采用了通用硬件，可以充分发挥计算机的能力，有强大的数据处理和测试功能，可以创造出功能更强的仪器。用户也可以根据自己的需求定义和设计来制造各种不同的仪器。使用LabVIEW，可以直接生成一个独立操作和运行的可执行文件。如果是同一种硬件，则我们就可以更改这些软件来实现不同类型仪器的功能。4.1登录显示界面对于一个简单的登陆接口来说，一般主要可以划分为三个部分，登陆界面，注册界面和登陆后的主程序界面，通过采用一个主程序调用其他各个子程序的方式将三部分组合在一起。出于方便考虑，并未设计注册界面，所以登陆时账号和密码都是任意的。主要原理是时钟主程序调用登录子程序，登录子程序显示登陆界面，如图4-1所示。4.2功能显示界面功能界面一共有五个监测界面如图4-2所示，分别是温度，湿度，光照强度，颗粒物浓度（空气质量），土壤湿度。每个界面上都设置有上下限，如需对其中一个或者多个检测量进行报警，只需要在功能界面对应上下限的位置输入相应阈值即可。监测到的各个模块的数据，通过折线图的形式在监测界面显示，以折线图的形式显示，使对应监测的数据变化更加直观明显，方便用户的观察，判断，对比性更强。数据保存界面，当上位机监测到数据后，如需保存，则点击保存按钮，选择相应的保存路径即可对采集到的数据进行保存，方便用户对过往的数据进行查看。图4-1登录显示界面及程序框图图4-2功能显示界面4.3串口模块本次实验主要使用的是VISA（VISA配置串口，VISA设置IO缓冲区大小，VISA清空IO缓冲区，VISA读取，VISA关闭，VISA打开）VISA读取函数，属性节点，截取字符串函数四个部分，程序图如图4-3所示。“VISA配置串行端口”这个节点本身可以直接用来把它作为一个可以初始化的配置串行网络端口。VIASA要想与下位机进行通讯，必须上位机的串行端口与计算机串行端口的各种参数设置保持一致。图4-3串口程序属于高级VISAVI和功能的“VISAOpen”节点被用来打开由VISA资源名称指定的设备的会话语句，并且在返回时使用了一个会话语句标识符。这个标识符在系统中可以被应用到对设备进行其他的调用。如果是打开，则系统就不会关闭大量的VISA会话语句，这样就会大大减少可用的内存资源。VISA关闭功能被广泛应用于自动关闭会话语句，为节省内存资源此设计最后使用“VISA关闭”节点。“VISA设置V/0缓冲区大小”，其端口为VISA资源名称，主要用来对采集到的数据进行缓存。根据总体设计，该系统的缓冲区字节大小设置为18。具体来说，数据标志为1字节，温度为5字节，湿度为5字节，光强度为4字节，气体浓度为3字节。“VISA读取”节点主要用于读取其中指定数量的文本字节。在大多数应用程序中，当与不超过4台仪器进行通信时，一般使用同步调制用来获得更快的速度。当与不少于5台仪器通信时,异步运算就可能会显着地提高应用程序的运行速度。本次设计需要测量数据为五个所以LabVIEW默认设置为异步/0。“VISAWrite”节点用于将写入缓冲区的数据直接写到VISA资源名称所指定的设备或接口上。这次系统在每一次读取数据之后将数据标志“S”写入缓冲区，以便下次读取数据时，可以判断出正确的顺序。VISA读取函数，从VISA资源名称指定的虚拟设备或接口中直接读取指定数量的字节，并使函数会自动使得读取数据被直接返回发送到一个直接读取后的缓冲区。若一个函数已经成功到达缓冲区的数据末尾，出现终止符或发生超时，函数返回的数据类型数量可能少于请求值。串口的工作流程首先对一个串口中的设备进行初始化，然后通过串口调用一个VISA指令打开一个VI,打开指定的一个VISA串口设备来使会话进入状态。在初始化和打开串口之后需要延时一段时间，本次系统设计为1s。接着在节点上调用一个VISA设置I/0缓冲区大小，本次设置为18，然后调用VISA读取节点对存入缓冲区的数据进行读取，读取完数据后，调用VISA关闭节点关闭串口，避免占用资源。4.4传感器数据采集处理部分数据的采集使用了匹配模式函数，分数/指数字符串至数值转换函数两部分，如图4-4所示。匹配模式函数，在从偏移量起始的字符串中搜索正则表达式。本次设计使用两个匹配模式函数，用于判定字符串的读取和结束。单片机监测到的数据按照温度、湿度、光照强度、空气质量的排列顺序通过串口传输到上位机LabVIEW监测平台。为了使上位机正确的识别顺序，在此采集数据的最前端有一个符号标志位S,只有当检测到符号标志位S之后，使条件循环成立，才开始读取数据。分数/指数字符串至数值转换函数，从一个偏移点到测量点的位置开始算起，使得该函数字符串中的字符被函数解析出来成为一种用于信息工程、科学的浮点数，通过一次数值转换归还后在进行返回。其端口有字符串、偏移量、长度、子字符串。设置偏移量为0,截取长度为1.字符串输出节点位于字符串与路径子选版中，主要用于显示输入的字符串。通过该函数将输入的字符串转换成我们所需要的量。图4-4传感器数据采集处理程序4.5传感器模块图4-5包含了温度，湿度，土壤湿度，空气质量，光照强度五个监测量的程序框图。首先上位机采集到的数据通过索引数组函数将数据剥离，传送到各个对应的待判断量，温度数据的接收需通过索引数组函数得到温度数值，将得到的数据送入判定范围并强制转换函数，通过对该函数设置上下限，来判断待测的温度是否超过设定的阈值，该函数还可选择将其测量值强制转换至范围内。这里我们不使用强制交换，只判定温度是否在指定范围，因此只需要在该函数左端输入上下限即可，输出端使用判定范围，即可判定输出值是否在其范围内。湿度监测也是如此，通过索引数组函数得到湿度数值，将得到的湿度数据送入判定范围并强制转换函数，通过对该函数设置上下限，来判断待测的温度是否超过设定的阈值，该函数还可选择将其测量值强制转换至范围内。这里我们也不使用强制交换，只判定湿度是否在指定范围，因此只需要在该函数左端输入上下限即可，输出端使用判定范围，即可判定输出值是否在其范围内。光照强度，通过索引数组函数得到与光强有关的测量数值，将得到的数据送入判定范围并强制转换函数，通过对该函数设置上下限，来判断待测的温度是否超过设定的阈值，该函数还可选择将其测量值强制转换至范围内。这里我们不使用强制交换，只判定光强是否在指定范围，因此只需要在该函数左端输入上下限即可，输出端使用判定范围，即可判定输出值是否在其范围内，根据上下限来对室内的光强进行大致的了解。土壤湿度数据的剥离及上下限的设置也是通过索引数组函数得到土壤湿度数值，将得到的数据送入判定范围并强制转换函数，通过对该函数设置上下限，来判断待测的土壤湿度是否超过设定的阈值，该函数还可选择将其测量值强制转换至范围内。这里我们依旧不使用强制交换，只判定土壤湿度是否在指定范围，因此只需要在该函数左端输入上下限即可，输出端使用判定范围，即可判定输出值是否在其范围内。图4-5传感器模块程序4.6数据保存部分上位机的数据保存使用到了四个函数，分别是获取时间日期字符串函数，连接字符串函数，创建数组函数，数值至小数字符串转换函数。将获取时间日期字符串函数与连接字符串函数相连，对时间日期进行提取，提取之后将其输出端与经过数值至小数字符串函数确定过精度的数据同时接入创建数组输入端，将输出端写入带分隔符电子表格，即可得到含有时间日期的测量数据，如图4-6所示。为了使数据保存正常，这里我们需添加一个路径控件，对需要保存的测量数据进行一个路径的保存，方便我们后期的查看。图4-6数据保存程序5.调试与运行5.1问题与解决方法（1）在进行下位机的安装与调试时，总会出现一些问题，由于对下位机了解不深，一般都是通过百度查询解决问题的方法，并且也成功的解决了调试安装时的一些问题。在进行硬件连接时，因为下位机的VCC和GND连接很近，需要使用的传感器比较多，经常造成传感器的烧毁，解决方案，使用相同颜色的杜邦线连接电源。（2）下位机程序的编写上总是遇到各种各样问题，解决方案，通过视频教程学习下位机，借助网络资源，查找相关传感器的资料及程序，通过对应实物及编程了解如何正确使用和编写程序。（3）下位机接线时，因为传感器较多，导致光照强度传感器一直无法驱动，无法采集数据。（4）上位机采集数据时数据丢失。解决方法，将所有传感器的读取数据程序放在if循环语句中，一起读取并一起发送，避免因某些传感器数据处理或读取时间过久导致数据丢失现象，影响到上位机的运行。（5）上位机单独调试，并使用虚拟串口进行仿真时，虚拟串口能够正常接受数据，折线图也显示正常。下位机单独调试，并使用XCOM进行仿真时，数据传输正常，XCOM能够接收到各个测量量的数据。但是上位机LabVIEW与下位机STM32进行通讯时，上位机总是接收不到来自STM32的数据，LabVIEW上折线图也不显示任何数据。将LabVIEW的程序框图进行高亮显示，观察程序运行情况，发现程序在VISA读取的时候就已经出现错误，这表明上位机根本就没有将接收到下位机传过来的数据。刚开始一直以为是上位机与下位机的通信协议不一致，或者是波特率不一致造成LabVIEW无法接收到数据，所以就对上位机的串口，以及波特率的选取进行了检查，结果发现两个设置安全正确，但是上位机与下位机之间仍然不能进行数据的传输。之后又对上位机与下位机的通讯协议进行了检查，发现两者协议无误。最终通过各种方式查找原因，发现是因为单片机与XCOM进行通信时，XCOM的DTR，RTS为低电平，这就表明数据接收串口在低电平时不会影响单片机工作，可以正常接收单片机监测的数据，之后检查LabVIEW中VIAS串口配置，通过添加属性节点来观察VISA串口配置中DTR和RST的状态，发现其DTR，RTS的配置为高电平，于是推断高电平会造成了单片机工作异常，是上位机与下位机无法进行数据传输。解决方法：在LabVIEW的VISA串口配置中把其DTR,RTS设置为低电平状态（在VISA传开口配置之后引入两个属性节点，将属性节点中属性设置为Unasserted），VISA属性配置状态如图5-1所示。图5-1VISA串口配置5.2下位机调试下位机调试前，应当先检查各个传感器接线是否正确。（1）检查正负电源是否接错，避免因正负电源接错，造成传感器烧毁，影响到数据的采集。（2）检查传感器数据线是否正确连接到下位机的输出端口，避免因输出端错接而无法采集数据。接线无误后，打开串口调试助手（XCOM），对串口调试助手的波特率和串口频率进行设置，串口下方DTR，STR保持默认状态即可，即零状态。（串口调试助手中串口的选择必须与单片机数据传输端串口一致，否则无法接收数据。串口助手的波特率设置也必须与单片机的波特率一样，因为只有在同一波特率下，串口调试助手才能和单片机获取相同的数据。）串口调试助手配置无误后，在数据接收界面观察，是否有数据的传输，有数据则证明下位机调试成功。5.3上位机调试上位机调试时，使用的是串口调试助手数据发送功能，调试时需注意以下几个问题。（1）串口调试助手进行数据传送时，一定要检查传送的数据格式是否与上位机数据接收格式一致，不一致将导致上位机无法识别解析XCOM传送的数据。（2）串口调试助手的波特率设置也必须与上位机的波特率一样，因为只有在同一波特率下，上位机LabVIEW才能获取和串口调试助手相同的数据。配置无误后，输入所需的传送数据（数据格式必须与上位机一致），在上位机用户界面中观察是否有图像显示，若有图像的显示则证明上位机调试成功。5.4调试结果1.下位机调试调试结果如图5-2所示。确认接线无误后，打开下位机电源按键，各传感器指示灯常亮，配置串口调试助手，等待数据接收。图5-2下位机调试结果接收数据以S：开头，以E结尾，中间数据以分号间隔（格式）。数据接收格式有上位机格式一致。数据输出分别为温度，湿度，空气质量，土壤湿度，光照强，每间隔五秒进行一次数据采集。温度，湿度，空气质量，土壤湿度在小范围内波动。光照强度通过控制光源距传感器的距离进行控制检查，当光源据传感器进的时候，检测数据增大，较远时，检测数据减小。2.上位机调试调试结果如图5-3所示。确认接线无误，串口设置无误，波特率设置无误后，登录用户界面，点击运行程序，程序运行后，打开串口调试助手，发送数据（数据格式必须与上位机通讯协议格式一致，数据可采用多条发送也可采用单条发送），在上位机用户界面数据以折线图的形式展现，折线图变化趋势随输入数据变化而变化。图5-3上位机调试结果6.结论本次毕业设计基于LabVIEW设计与实现家居智能环境监测系统的。上位机与下位机的通信主要是通过VISA节点进行G语言的编程，空气质量，光照强度等一些参量的采集则是通过下位机与其对应的传感器进行采集，上位机的数据显示，报警阈值，数据保存等则通过调用LabVIEW中的与其相关的子函数进行显示保存功能。上位机可以通过改变不同传感器的阈值设置对应的报警上下限，同时用户还可以根据自己的不同需求，对同一参量设置不同的阈值，极大的方便了用户。上位机的显示功能选择以折线图的方式进行显示，更加的人性化，更加直观。下位机所需要的各种传感器，操作简单，且方便携带，安全性能高，所需电压电流小。本次毕业设计完成了对室内环境中的温度，湿度，土壤湿度，光照强度，空气质量的监测。以数字量将采集到的数据实时传送到装有LabVIEW软件的PC端，通过对数据的分析实现对家居环境优良等级的划分并设计部分参数过线预警功能；同时实现对采集数据的处理、记录和存储功能。用户可通过上位机系统观察了解以上监测量，为用户更好生活提供一些数据依据。参考文献王奂.室内环境对人体健康的影响研究[J].农业与生态环境,2017,31(128)朱悦宁,余璐,室内温湿度环境对人体机能的影响的研究[J].建材发展导向,2018,21徐强,环境监测技术的现状及发展趋势[J].城市建设理论研究,2011,(36)陈淡宁.基于物联网的环境监测系统的研究[D].吉林大学,电子科学与工程学院,2014闫林生,肖申平.物联网家居环境智能检测系统的研究[D].湖南工业大学控制理论与控制工程系,2014吴青林,周天宏.基于移动终端和LabVIEW的智能家居控制系统研究[J].现代电子技术,2016,39(2):130-132.田宇,环境监测与环境监测技术的发展[J].节能环保,2015,5(13)贾正松.智能照明控制器的设计[J].自动化与仪器仪表,2012,2:60-65侯国平.LabVIEW7.1编程与虚拟仪器设计[M].北京:清华大学出版社,2005年2月R.E.Munn.Thedesignofenvironmentalmonitoringsystems.[J].ProgressinPhysicalGeography.Volume4,Issue4.1980.PP567-576孙浩文.智能家居太阳能热水器控制系统设计[J].微型电脑应用,2019,35(10)：86-89顾昌平,刘俊哲,孟子玲,李修全.智能家居设计研究[J].戏剧之家,2019,28:206-207文樊龙辉,刘瑞涛,王树庆.智能家居空气质量测试系统的设计[J].电子技术与软件工程:91-93张倩昀.基于土壤湿度检测的智能浇花系统设计[J].山西农经,2017,9:128-129韩琛晔,田云霞,闫晶.基于嵌入式的智能家居控制系统设计与研究[J].湖北农机化,2019,19鲁成洋,何坚强.基于单片机的智能家居环境监控系统设计[J].智能机器人,2019,10:59-62徐强,环境监测技术的现状及发展趋势[J].城市建设理论研究,2011,(36)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.[J]2016(17)伍麟珺,刘杨,吴乐.基于LabVIEW的智能家居控制系统的设计[J].电子设计工程,2017,25(7):165-169陈福彬,柴海莉,高晶敏.基于LabVIEW的自动化测试平台的设计[J].国外电子测量技术,2012,31(11):9-14.张绪伟,段培永,窦甜华,等.基于LabVIEW和ZigBee网络的数据采集系统[J].微计算机信息,2010,26(16):98-100.吴青林,周天宏.基于移动终端和LabVIEW的智能家居控制系统研究[J].现代电子技术,2016,39(2):130-132.付立华,张晓玫,潘龙飞.基于LabVIEW的多通道温度实时监测系统[J].仪表技术,2012(12):38-40.Ki-SikLee,Jae-EunPaeng,Kyoung-HeeGu,Ki-WooNam.Thresholdstressintensityfactorofultra-highstrengthsteel(HV670)containingsurfacecrackbyhydrogenassistedcrackingandcumulativeelasticwave[J].JournalofMechanicalScienceandTechnology,2021(prepublish).O