基于LabVIEW的无线远程温度监控系统

1、第 2卷第 1期 2009年 3月上 海 电 气 技 术JOURNAL OF SH ANGH A I ELECT RIC T ECH N OLOGYVol. 2No. 1M ar. 2009文章编号 :1674-540X(2009 01-020-05收稿日期 :2009-01-05:(, , , , E -mail:t secca. cn基于 LabVIEW 的无线远程温度监控系统唐丽婵 , 齐 亮 , 王庆东 , 陈江洪(上海电气集团股份有限公司中央研究院 , 上海 200070摘 要 :介绍了一种利用 无线传感器网络技术对空调温度信号进行采集传输 , 并利用实验室虚拟仪器 集成环境 (La

2、bVIEW强大的数据处理和显示功能对采集的数据进行实时处理 、 分析和显示 。 成果已应用于 上海电气中央 研究院空调温度检测系 统 , 证明该系统 具有可靠性高 、 实 时性强等优点 , 大大降低了 成本 。关键词 :实验室虚拟仪器集成环境 ; 无线网络 ; 串口通信中图分类号 :T P 39 文献标识码 :ATemperature Supervisory System by Wireless R em ote Comm unication Based on LabVIEWT A N G L ichan, QI L iang , W A N G Qingdong , CH EN J iang

3、hong(Shang hai Elect ric Group Co. , Lt d. , Cent ral A cademe, Shang hai 200070, ChinaAbstract:This paper intr oduces a w ay to co llect the tem perature o f air -co ndition by w ireless senso r netw o rk techno logy. It uses LabV iew s big and pow erful handling data and show ing carries o ut a r

4、eal-time processing, analyses and display s. After it is used as an air -co ndition tem perature super visor y sy stem in Shanghai electr ic central academy, that system has been demonstrated reliability, real time and so on, it has reduced cost g reatly.Key words:LabVIEW; w ir eless netw o rk; ser

5、ial por t co mmunication近 年来 , 我国电力 供需矛盾十分突出 , 尤其是迎峰 度 夏期间 , 造成夏季电力缺口的重要原因是大量使用 空 调形成用电负荷高峰。 我国不少城市夏季用电高峰 负 荷的 1/3以上是空 调用电负荷 , 有 的城市达到 40%。 为 缓解这一矛盾 , 国 务院办公厅已发出 关于严格执行 公 共建筑空调温度控制标准的通知 , 要求公共建筑内 所 有单位夏季室内空调温度设置不得低于 26 , 冬季 室 内空调温度设置不得高 于 20 。上海电气集团股份 有 限公司中央研究院积极响应国家节能减排的号召 ,基于实验 室虚拟 仪器 集成环 境 (Labo

6、ratory Virtual Instrument Engineering Workbench, LabVIEW 开 发 了一套远程温度监控系统 , 对办公大楼各个房间的空 调温度进行 实时监控。LabVIEW 是美国国家仪器公司基于 G 语言开 发的一种虚拟仪器平台。它提供了丰富的数据采集、 分析和存储库函数以及包括 DAQ 、 GPIB 、 PXI 、 VXI 、 RS-232/485在内的各种仪器通信总线标准的所有 功能函数 1。 LabVIEW 与 visual basic 、 visual C+、2009年第 1期唐丽婵 , 等 :基于 LabVIEW 的无线远程温度监控系统21de

7、lphi 、 perl 等基于文本型程序代码的编程语言不同 , 采用图形模式的结构框图构建程序代码 , 因而在使用 这种语言编程时 , 基本上不写程序代码 , 取而代之的 是用图标、 连线构成的流程图。 LabVIEW 具有直观的图形化开发环境 , 强大的数据处理功能 , 丰富的可 视化显示功能 , 完备的仪器驱动程序 , 完善的外部代 码接口和强大的网络功能等特点。本文正是利用 LabVIEW 的虚拟仪器技术对温 度传感器的信号进 行采集。将采 集到的数据利 用 多个无线路由器传送到 ZigBee 协调器 , 通过协调器 与 PC 监控计算机通讯 , 在 LabVIEW 环境下实现 对各办公

8、室室内温度进行监 控 , 显示、 查询实时 温度 与 用 电 量 的 统 计 等 功 能 , 既 充 分 利 用 了 LabVIEW 强大的虚拟仪器技术 , 又降低了系统的 开发成本 , 提高了效率。1 系统硬件概述基于 LabVIEW 的远程温度监控系统由温度传 感器、 无线网络节 点、 上位监 控计算机组成。系统通过温度传感器采集房间内的空调温度数据 , 经过 模数转换单元将放大的温度信号数字化转换 , 通过 路由器组成的无线 M ESH 网络传输到 Zig Bee 协调 器 , 再通过串口与上位监视计算机通讯。系统基本 构架如图 1所示。 图 1 系统硬件构架图温度传感器可以根据用户的

9、实际情况进行 选 择 , 选用美国 DALLAS 公司最新推出 的 DS18B20数字式温度 传感器。 DS18B20数 字式温度传感 器 能够直接数字输出被测温度并且 可根据实际要 求 通过简单的编程实现 912位精度数值读数方式 , 可以分别在 93. 75m s 和 750m s 内将温度值转化 9位和 12位的数字量。该温度传感器的测温范围为 -55+125 , 精度为 0. 5 , 能应用于各种领域、 各种环境的自 动化测 试和 控制系 统 , 使用 方便 灵 活 , 测试精度高 , 优于任何传统的温度数字化、 自动 化测控设备。在此基础上 , 同时选用 SLM T 1-1智 能温度

10、数据采集模块 , 该模块可以对 DS18B20数字 温度传感器进行温度数据采集 , 显示、 报警设定 , 数 据传输 , 使温度巡 迴检 测系统获得高 可靠性 、 低 成 理想替代品 , 具有体积小、 测点多、 组网灵活等特点。 无线网络是由不规则 分布的无线 节点组成 的MESH 网 , 每个 节点都可以单独完成信号接收和发射 的任务。传 输协议采用低复杂度、 低成本、 低功耗和低 速率的无线连接技术 ZigBee 技术 , ZigBee 技术是 近年通信领 域的研究热点 , 具有低功耗、 组网灵活的特 点。它工作于无需注册的 2. 4GHz ISM 频段 , 传输速 率为 10250kB/

11、s, 传输距离为 1075m 。监控计算机应用 LabVIEW 8. 5软件平台开发 了一套远程实时温度监测系 统。构建监 测界面和 数据浏览界面 , 不仅能监视各个办公室空调的运行 状态 , 提供现场图片、 实时曲线图、 以形象直观的动 态图形方式显示设备的运行情况 , 还具备了历史数 据查询、 用电 量的 统计 等功 能。具 有测 量准 确可22上 海 电 气 技 术2009年第 1期2 系统软件设计2. 1 硬件读写模块程序设计LabVIEW 提供了功能强大的虚拟仪器软件规 范 (Virtual Instrument Softw ar e A rchitecture, VISA 库 2,

12、 VISA 库驻留于计算机系统中 , 是计算 机与仪器之间的软件层连接 , 用以实现对仪器的程 控。对于驱动程序、 应用程序开发者而言 , VISA 库 函数是一套可方便调用的函数 , 其中核心函数可控 制各种类型器件 , 而不用考虑器件的接口类型。与 其他现存的 I/O 接口软件相比 , VISA 具有以 下几 个特点 : VISA 的 I/O 控制功能适用于各种类型 仪器 , 如 VXI 仪 器、 GPIB 仪 器、 RS -232仪 器、 LAN 仪器等 , 也包含消息基器件、 寄存器基器件、 存 储器器件等仪器操作 ; 与仪器硬件接口无关的特 性 , 即利用 V ISA 编写的模块驱动

13、程序既可以用于 嵌入式计 算机 V XI 系统 , 也可 以用 于通 过 M XI 、 GPIB VXI 或 1394接口控制的系统中 , 当更 换不 同厂家符合 VPP 规范的硬件时 , 模块驱动程序无须 改动 ; VISA 的 I/O 控制功能适用于单处理器系 统结构 , 也适于多处理器结构或分布式网络结构3。VISA 库 中 常 用 的 串 口 通 讯 函 数 有 :VISA Config ure Serial Por t (串 口 配 置 、 VISA Write (读 、 VISA Read(写 、 VISA Close(关闭 。 VISA Configure Serial Port

14、 对 串口 配 置 , 进 行 初始 化 。 用 该节 点 可以 设置 串口的波 特率为 9600、 数 据位为 8、 奇 偶 校验 为 none 、 缓 存 大小 以 及流 量 控制 为 none 等参 数 。 利用计算机控制串口仪器设备时 , 会经常用到这 个节点。在 进行串口通信前 , 首先要配置好串口 , 也就 是先初始化串口 , 使计算机串口的各种参数设置与仪 器设备的串口保持一致 , 才能正确的通信。在该程序 中只需在前面板通讯串口设置中 , 设定仪器的波特率 19200, 数 据位为 8, 停止位为 1, 校验 位 none 。VISA Wr ite 与 VISA Read 是一

15、组相对应的读 写功能数据模块 , 前者是把 w rite buffer 端口输入 的数据写入由 VISA resource name 端口指定的设 备中 , 后者是从由 VISA r esource name 端口指定的 设备中 读出指 定长 度的 数据。在实 际应 用中 , 用 VISA Write 节 点 向 Zig Bee 模 块 发 送 指 令 , 用 VISA Read 节点从 ZigBee 的反馈信息中读取数值。通过 VISA 与仪器进行通讯的基本程序框图如 图 2所示。 图 2 VISA 与串口通讯基本程序框图2. 2 数据通信程序设计利用 VISA 与 ZigBee 实现通 信

16、可分 为以下几 个步骤 : 初 始化串口 , 设置 串口 的通信 参数与 ZigBee 模块的串口参数一致 ; 向 ZigBee 发送模 块节点查询指 令 ; 延 时 500ms, 等待 ZigBee 执 行命令 , 并返 回相 应的字 符串 ; 从串 口中 读出 ZigBee 的返回的字符串 , 并提取出节点地址 ; 对该节点地 址发送 温度查 询指令 , 每 隔一个 扫描 周 期 , 按照上一步返回的各个节点 地址 , 依次发 送查 询命令 ; 延时 500ms, 等待 ZigBee 执行命令 , 并 返回相应的字符串 ; 从串口中 读出 ZigBee 返回 该节点的温 度数据 包 , 并

17、提 取出 温度 值 ; 关 闭 串口。表 1为模块查询命令格式。2009年第 1期唐丽婵 , 等 :基于 LabVIEW 的无线远程温度监控系统23例如 , 发送十 六进 制数为 7E 00070843444E 4E 4F 3154, 其中 7E 为起始符 , 0007为字节 长度 , 08为 API 标识符 , 43为非 0值 , 表示需要接受返回指令 , 444E 4E 4F 31转换 成 ASC 码 为 DNN01(即为查询模块名称为 N01的地址 , 54为校验位。 下 面 就是 模 块接 收到 DN 指 令 后返 回 的 数 据帧 :温度查询与 接收指令格式也 应用如上类似 的 命令

18、格式 , 首先向 Zig Bee 发送温度查询指令 , 经过一定的延时控制 , 从 ZigBee 接受相应的温 度数据 包。返回的数据包通常由起始位、 标识位、 地址值、 温度数据以及校验位等组成 , 其中温度数据即对应传感器采集到的室内温度信息值。 2. 3 温度数据的处理与显示所示。2. 4 程序结构设计基于 LabVIEW 的远程温度监控系统是由多个传感器通过串口通讯与监控计算机相连的 , 为了确 保每个感器所采 集到的数据传送到监控 计算机时 不出现相互干扰混淆的情况 , 必须要分开执行多次 读和写的动作。在这种情况下 , 就需要考虑读写的 时序问题。要完成连续的周期性的多点读写操作

19、, 在 LabVIEW 中可以使用顺序结构。当程序运行到 顺序结构时 , 会按照一个框架接着一个框架的顺序 依次执行。每个框架中的代码全部执行结束 , 才会 再开始执行下一个框架。把代码放置在 不同的框 架中就可以保证它们的执行 顺序。顺序 结构可分 为层叠式顺序结构 (Stacked Sequence Structure 与 平铺式顺序结构 (Flat Sequence Structure 2种。使 用平铺式顺序结构可以大大提高程序的可读性 4, 图 4就是采用平铺式顺序结构来对多个传感器进行 数据采集。 2. 5 程序界面 根据设计方案 , 利用 LabVIEW 图形语言的编 程环境 ,

20、开发出了一套模块化、 用户界面友好的温 度监控与用电统计程序界面图 (图 5所示 , 其具有 开发周期短、 可扩展性能强等显著特点。程序界面应用 LabVIEW 平台 , 将系统的数据 采集与处理、 分析与存储集于一 体 , 能迅 速有效的 ,第 2卷第 1期 2009年 3月上 海 电 气 技 术JOURNAL OF SH ANGH A I ELECT RIC T ECH N OLOGYVol. 2No. 1M ar. 2009据的显示、 报警 , 历史数据查询以 及照明空调用 电 量的统计等功能 , 程序 界面显示简单 直观 , 用户 操 作方便 , 数据传输正确率达 95%以上。3 结 语本文 针 对 无 线 传 感 器 网 络 技 术 平 台 , 基 于 LabVIEW 开发了空调温度远程监控系统 , 成功实现了 LabVIEW 对 ZigBee 网络数据的采集、 传输、 处理、 显示。目前 , 该远程温度监控系统已成功实现对上海 电气集团股份有限公司中央研究院办公大楼各个房 间的温度进行实时监控 , 并将监控结果汇总显示到监 控计算机上。采用该系统后可替代原人工观测抄表 工作 , 同时也免去了传统的排线、 布线投入 , 省时 ,