基于Labview與無線傳感器網絡的實驗室遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計

王珍鳳，楊 路

(銅陵學院 電氣工程學院，安徽 銅陵 244000)

基于Labview與無線傳感器網絡的實驗室遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計

王珍鳳，楊 路

(銅陵學院 電氣工程學院，安徽 銅陵 244000)

傳統(tǒng)實驗室的監(jiān)控系統(tǒng)一般依賴于有線網絡，其線路鋪設、安裝過程較為繁瑣，造價高且移動性與擴展性較差。為了克服上述問題，設計了一套用于實驗室的無線遠程監(jiān)控系統(tǒng)。借助監(jiān)控終端模塊上的各種環(huán)境傳感器采集實驗室的實時信息，運用無線傳感器網絡技術，對數(shù)據(jù)進行處理后匯聚至服務器，存儲在數(shù)據(jù)庫中，實驗室人員可通過基于Labview的上位機查看。實驗證明：系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，造價低廉，適用于多種實驗室環(huán)境。

實驗室監(jiān)控；Labview；無線傳感器網絡；MySQL

高校實驗室是高等學校開展實驗教學科研教學和社會服務的重要場所，也是高校培養(yǎng)學生實踐創(chuàng)新能力、綜合素質的必要場所。高校實驗室管理關系到學校實驗教學和科學研究能否順利進行，國家財產能否免受損失，師生員工的人身安全能否得到保障，對高校乃至整個社會的安全和穩(wěn)定都至關重要。新時期我國高校實驗室安全事故頻發(fā)，引發(fā)不少傷亡和財產損失事故，這給實驗室的安全管理工作提出了嚴峻的挑戰(zhàn)[1-2]。因此，做好實驗室安全與環(huán)保工作，是全面落實科學發(fā)展觀、構建平安和諧校園、高校平穩(wěn)有序發(fā)展的根本要求。傳統(tǒng)的實驗室監(jiān)控方案普遍采用視頻監(jiān)控的方式，存在以下問題：多依賴有線網絡，需要事先鋪好線纜，造價高，對安裝環(huán)境有一定要求[3-4]；功能單一，僅提供視頻信息；沒有提供用于數(shù)據(jù)存儲的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。

本文設計并實現(xiàn)了實驗室遠程監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)基于STM32、集成多種環(huán)境傳感器的監(jiān)控終端模塊實現(xiàn)對監(jiān)控數(shù)據(jù)的實時采集；基于Wi-Fi的無線通信網絡實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的實時傳輸；基于MySQL的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)實現(xiàn)對采樣數(shù)據(jù)的存儲；借助顯示終端實現(xiàn)對實驗室環(huán)境的實時顯示、采樣、存儲、報警等功能。

1 系統(tǒng)結構

圖1 實驗室監(jiān)控系統(tǒng)總體結構

該監(jiān)測系統(tǒng)總體結構如圖1所示。包括監(jiān)控終端模塊、路由器、顯示終端、服務器等。多個監(jiān)控終端模塊被安裝在實驗室的選定位置，彼此之間通過路由器組成局域網絡。監(jiān)控終端模塊的各種傳感器將被測量轉換成電信號，該信號經過濾波、放大、隔離等硬件調理電路后送給STM32微處理器，處理器進行數(shù)字濾波、標度變換等處理后通過局域網絡將結果送給服務器顯示存儲，實驗室管理人員借助顯示終端的上位機查看實驗室的環(huán)境信息，一旦出現(xiàn)異常，上位機會發(fā)出異常聲音警報，實現(xiàn)對實驗室的檢測和預警。

上位機主要完成數(shù)據(jù)的顯示和管理功能，本文采用Labview進行開發(fā)。監(jiān)控終端模塊實現(xiàn)硬件的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控等功能。

圖2 監(jiān)控終端模塊硬件結構圖

2 監(jiān)控終端模塊

2.1 硬件構成

監(jiān)控終端模塊包括STM32F103VET6微處理器、各種環(huán)境傳感器、Wi-Fi模塊電路、液晶顯示電路等。硬件結構圖如圖2所示。環(huán)境傳感器采樣到的信號經過調理電路發(fā)送給STM32F103VET6微處理器；微處理器負責管理采樣到的數(shù)據(jù)；Wi-Fi電路用于與服務器節(jié)點進行無線通信、發(fā)送采樣數(shù)據(jù)、接收控制信息；液晶顯示模塊為實驗室人員提供觸摸屏功能；SD卡提供額外的容量擴展功能；供電電路為各個組成部分提供穩(wěn)壓電源。

2.2 軟件設計

監(jiān)控終端模塊周期性的讀取傳感器的采樣數(shù)據(jù)，借助無線網絡將數(shù)據(jù)發(fā)送給服務器保存，實驗室人員借助上位機讀取采樣數(shù)據(jù)并顯示。數(shù)據(jù)發(fā)送與接收流程圖如圖3所示[5-6]。以DHT11溫濕度傳感器為例，DHT11 的供電電壓為 3 V ～5.5 V。傳感器上電后，要等待1 s以越過不穩(wěn)定狀態(tài)，在此期間無需發(fā)送任何指令。電源引腳(VDD，GND)之間可增加一個100 nF的電容，用以去耦濾波。DHT11采樣中用到了GPIO、RCC、USART等，需要把stm32f10x_gpio.c、stm32f10x_rcc.c、stm32f10x_usart.c等庫文件添加到工程中，并在stm32f10x_conf.h中把相應的頭文件注釋掉。

圖3 監(jiān)控終端模塊數(shù)據(jù)發(fā)送和接收流程圖

初始化：USARTx_Config (); //初始化串口

SysTick_Init (); //配置SysTick 1 ms中斷一次

ESP8266_Init (); //初始化Wi-Fi模塊使用的接口和外設

DHT11_Init (); //初始化DHT11

需要單獨設置的參數(shù)包括：要連接的熱點名稱，即Wi-Fi名稱：macUser_ESP8266_ApSsid；要連接的熱點的秘鑰：macUser_ESP8266_ApPwd；要連接的服務器的IP地址：macUser_ESP8266_TcpServer_IP；要連接的服務器端口：macUser_ESP8266_TcpServer_Port。這些參數(shù)要與路由器和數(shù)據(jù)庫端的設置吻合。

需要注意的是，MCU發(fā)送一次開始信號后，DHT11從低功耗模式轉換到高速模式，等待主機開始信號結束后，DHT11發(fā)送響應信號，送出40 bit的數(shù)據(jù)，并觸發(fā)一次信號采集，用戶可選擇讀取部分數(shù)據(jù)。從模式下，DHT11接收到開始信號觸發(fā)一次溫濕度采集，如果沒有接收到主機發(fā)送開始信號，DHT11不會主動進行溫濕度采集。采集數(shù)據(jù)后轉換到低速模式。

圖4 基于Labview上位機系統(tǒng)功能結構圖

3 基于Labview上位機程序

基于Labview的上位機系統(tǒng)功能結構圖如圖4所示。主要功能有：(1)數(shù)據(jù)通信：包括信息獲取和信息存儲等功能，信息獲取用于從各個監(jiān)控終端節(jié)點獲取當前實驗室的基本信息，信息存儲是將獲取的基本信息存儲到本地數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)；(2)數(shù)據(jù)處理：對獲取的監(jiān)控終端節(jié)點原始數(shù)據(jù)進行解析，對采集到的圖像數(shù)據(jù)進行壓縮處理；(3)信息采集：顯示所獲取的實驗室基本信息，信息來源于布置在各個實驗室的多個監(jiān)控終端模塊，包括溫度、濕度、是否存在火焰、是否存在煙霧等；(4)安全預警：對數(shù)據(jù)處理得到的數(shù)據(jù)進行分析，判斷是否處于危險狀態(tài)，如果處于危險狀態(tài)，觸發(fā)聲音報警。

4 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

本文選擇MySQL作為數(shù)據(jù)庫管理數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)涉及到兩種來源的操作：基于Labview的上位機與監(jiān)控終端模塊。其中Labview自身不具備數(shù)據(jù)庫訪問功能，需以下幾種方式對數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)庫操作：

(1)NI公司開發(fā)的Labview SQL Toolkit工具包，集成了一系列數(shù)據(jù)庫訪問和操作的功能模塊，可以很方便地訪問多種數(shù)據(jù)庫，但價格昂貴；

(2)調用C++編寫的dll庫實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的訪問，需要從底層進行編程，工作量大；

(3)調用ActiveX，使用Microsoft ado控件，通過sql語言實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的訪問，編程復雜；

(4)通過第三方插件labsql訪問數(shù)據(jù)庫，這是一種免費、開源、跨平臺、支持多種數(shù)據(jù)庫的工具插件?；贏DO技術，將復雜的ADO及SQL操作封裝成一系列的labsql Vis，只需熟悉labsql的操作方式即可實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的操作。本文采用labsql訪問數(shù)據(jù)庫。

4.1 Labview對數(shù)據(jù)庫操作實現(xiàn)

基于labsql訪問MySQL數(shù)據(jù)庫，需要提供數(shù)據(jù)源名稱(DSN)才能正確的連接。因此，首先要進行以下配置以提供正確的DSN。

(1)安裝mysql-connector-odbc.msi，完畢后進入控制面板-管理工具-數(shù)據(jù)源(ODBC)。在驅動程序標簽欄查看MySQL驅動程序，進入用戶dsn標簽，添加MySQL odbc driver，然后進行與MySQL相關數(shù)據(jù)庫名稱、用戶名、密碼等的配置測試工作，測試通過即表明可以正確連接MySQL數(shù)據(jù)庫。

(2)下載labsql工具包，解壓到Labview安裝目錄下的user.lib文件夾，重啟Labview，可在users libraries下找到labsql提供的VIs。利用labsql提供的VIs操作MySQL的流程如圖5所示。

(3)在labsql提供的VIs選擇ADO Create Conn.vi創(chuàng)建Connection對象；選擇ADO Open Conn.vi建立Labview與MySQL的連接，在Connection String寫入所選的數(shù)據(jù)庫對象；之后進入loop循環(huán)，通過ADO SQL Execute.vi執(zhí)行對數(shù)據(jù)庫的增刪改查操作。

(4)利用ADO Close Conn和destroy關閉數(shù)據(jù)庫連接。

圖5 Labview數(shù)據(jù)庫操作流程

4.2 數(shù)據(jù)存儲實現(xiàn)

(1)基于JDBC實現(xiàn)服務器端的數(shù)據(jù)存儲，首先確定好URL。在MySQL中JDBC URL的格式為：jdbc:mysql://主機名稱：連接端口/數(shù)據(jù)庫的名稱?參數(shù)=值。其中數(shù)據(jù)庫需要在操作前創(chuàng)建:

String url = "jdbc:mysql://localhost:3306/javaweb?"+

"user=root&password=mysql&useUnicode=true&characterEncoding=UTF8";

為了避免產生中文亂碼，需要指定好useUnicode與characterEncoding，如useUnicode=true&characterEncoding=UTF8。

(2)通過Class.forName加載MySQL驅動，Class.forname(“com.mysql.jdbc.Driver”)。也可以通過初始化來驅動，如com.mysql.jdbc.Driver driver = new com.mysql.jdbc.Driver();new com.mysql.jdbc.Driver();上述形式都可以采用。

(3)創(chuàng)建Connection，一個Connection代表一個數(shù)據(jù)庫連接，創(chuàng)建Statement。

conn = DriverManager.getConnection(url);

Statement stmt = conn.createStatement();

(4)端口監(jiān)聽接收來自監(jiān)控終端模塊的采樣數(shù)據(jù)并進行相關操作。在macUser_ESP8266_TcpServer_Port中定義的端口號與此處端口號要相同。

ServerSocket ss = new ServerSocket(10000);

System.out.println("我是服務器，在10000號端口監(jiān)聽……");

Socket s = ss.accept();

5 結 語

現(xiàn)有實驗室監(jiān)控系統(tǒng)主要依賴于有線網絡，需要提前鋪設好線纜方可工作，造價較高。本文提出一種基于Labview與無線傳感器網路的實驗室監(jiān)控系統(tǒng)設計方法，通過對嵌入式終端、無線傳感器網絡的研究，集成包括溫濕度、危險氣體濃度等多種傳感器采樣實時環(huán)境信息，通過Wi-Fi模塊將環(huán)境信息上傳至服務器的數(shù)據(jù)庫，借助Labview生成的可視化界面進行交互。該系統(tǒng)無需布線，造價相對低廉，穩(wěn)定可靠，在測試過程中性能良好，適合多種實驗室環(huán)境。

[1] 廖慶敏.高校實驗室安全管理之思考[J].實驗室研究與探索,2010,29(1):168-170.

[2] 左富強,賈丹丹,李宏．基于鍵入時指紋識別的開放型實驗室管理系統(tǒng)設計[J].實驗室研究與探索,2007,26(11):19-22.

[3] 蔣耘晨．基于校園網和ZigBee技術的實驗室監(jiān)控管理系統(tǒng)[J].實驗技術與管理,2010,27(7):104-106.

[4] 李磊,林土勝,吳振強．基于Zigbee技術的實驗室無線安全監(jiān)控系統(tǒng)研發(fā)[J].實驗技術與管理,2011,28(1):108-111.

[5] 鄧潔,程良倫.大規(guī)模無線傳感器網絡多優(yōu)先級自適應分簇路由協(xié)議[J].傳感器與位系統(tǒng),2010(8):78-81.

[6] 劉河.無線傳感網絡分簇算法研究[D].武漢:華中科技大學,2007:12-14.

[7] Chikaraishi T,Minato T,Lshiguro H．Development of an Android system integrated with sensor newworks[C]//2008 IEEE /RSJ Internationl Conference on Intelligent Ro-bots and Systems,IROS,2008:326-333.

[8] Wang Y L,Qi C S,Pan H J.Design of Remote Monitoring System for Aquaclture Cages Based on 3G Network and ARM-Android Embedded System[J].Rrocedia Engineering,2012(29):79-83.

Design of Laboratory Remote Monitoring System Based On Labview And Wireless Sensor Network

WANG Zhenfeng,YANG Lu

(Tongling University,Tongling 244000,China)

In order to overcome the shortages of the traditional wire line networks for securing monitoring system,such as complicated cabling and installing,high price,lack of flexibility and mobility,in this paper,a remote wireless monitoring system for laboratory is designed. The real-time information of laboratory,collected by various sensors,which are placed on the monitoring terminal module,is analyzed and sent to server through wireless network. The date is stored in database for Laboratory staff to monitor system,using the Labview-based host computer.The experiment shows that system is stable and reliable,low cost,which is suitable for a variety of laboratory environments.

laboratory monitoring;Labview;WSN;MySQL

10.3969/i.issn.1674-5403.2017.03.017

TP39

A

1674-5403(2017)03-0065-04

2017-03-10

王珍鳳(1986-),女,安徽銅陵人,碩士,助教,主要從事通信系統(tǒng)設計方面的研究.

安徽省大學生創(chuàng)新訓練項目(201610383003).