基于单片机和LabVIEW的无线火灾监测系统设计.pdf
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文章编号:
16714598I2015)010043一03中图分类号:
TP3文献标识码:
A基于单片机和LabVIEW的无线火灾监测系统设计曾素琼,黄华杰(嘉应学院电子信息工程学院,广东梅州514015)摘要:
设计一款无需布线、人机交互界面好、系统数据及信息显示直观的RFTRl无线火灾监测报警系统;系统以单片机STCl2C5A60S2为核心控制器,利用LabVIEW开发环境设计上位机的监测界面,上位机通过串行口与单片机通信从而实现对多路数据的采集与监测;文中重点介绍系统的实现过程,设计并解释系统的硬件连接对系统作软件设计,解释了LabVIEW监测平台的应用;经测试火灾监测系统运行正常无线通信距离较远(无障碍时达1000m),系统具有对功能变化的适应性强、抗干扰能力强、安装调试简便等特点。
关键词:
火灾监测;单片机;传感器;LahVfEW;RFTRl无线DesignofWirelessFireMonitoringSystemBasedonMicrocontrollerandLabVIEWZengSuqiong,HuangHuajie(SchoolofElectronicsandInformationTechnology,JiayingUniversity,Meizhou514015,China)Abstract:
Inthispaper,awithoutwiring,goodmanmachineinterfaceandsystemdataandinformationdisplayintuitiveRFTRlwirelessfiremonitoringandalarmsystemisdesignedInthissystem,microcontrollerSTCl2C5A60S2actascentercontrollerdesignedtOmonitorinterfaceOfPCusingLabVIEWdevelopmentenvironment,PCcommunicatewiththemicrocontrollerviatheserialport,inordertoachievemultichanneldataacquisitionandmonitoringTheimplementationofthesystemisdiscussedmainly,designandinterpretationsystemhardwareconnectionsoftwareisdesignedforthesystem,theapplicationofLabVlEWmonitoringplatformisexplainedThefiremonitoringandalarmsystemoperatingnormallyaftertesting,wirelesscommunicationlongerdistance(accessibilityandupto1000m),systemwiththeadaptabilityofthefunctionalchangesstrongantiinterferenceability,easyinstallationandcommissioningetcKeywords:
firemonitoring;microcontroller;sensor;I,abVIEW;RFTRlwireless0引言随着我国经济和城市建设的快速发展,城市高层、地下以及大型综合性建筑日益增多,火灾隐患增加,火灾发生的数量及其造成的损失呈逐年上升趋势。
市场对火灾监测报警系统的需求不断增长,对系统的性能要求也越来越高。
目前较为常用的火灾报警控制形式是集散式火灾自动报警系统,此种控制形式在信号传输方面大多数采用有线传输,布线安装花时费力,成本高1-z。
本文设计RFTRl无线火灾监测报警系统,用单片机作控制中心,利用人机交互界面性能好的LabVIEW(1aboratoryvirtualinstrumentengineeringworkbench)监测终端3“,通过LabVIEW提供的串行通信功能将单片机系统与PC机结合,既充分发挥I。
abVlEw的强大功能,又降低了系统开发成本。
系统无需布线、安装调试简便、对功能变化的适应性强、抗干扰能力强。
l系统的总体设计根据市场的应用需求无线火灾监测报警系统应具备的主要功能为:
满足常规数据(温度和烟雾)采集的需求,具有性收稿日期:
20140531;修回日期:
20140714。
作者简介:
曾素琼(1967一),女,广东五华人副教授硕士,主要从事电路与系统、自动控制及通信技术方向的研究。
能可靠、反应及时等功能,方便用户实时获知环境温度和烟雾的状况;传感器节点功耗低,能在不同环境下长期正常工作;系统的扩展性好、易升级:
由于不同的场合有不同的应用需求,所以传感器节点的类型和数量应该根据实际需求而定,即能方便地改变或增减传感器的节点;具有交互界面好、易于使用的终端检测软件,在功能设计上,既考虑环境的参数采集、检测,又考虑数据的处理、分析和存储,还考虑人机交互界面性能。
系统设计是基于STCl2C5A60S2单片机控制,由主控中心、温度检测模块、烟雾检测模块、RFTRl无线模块、LabVIEw上位机5个模块组成,系统结构框图如图1所示。
将温度烟雾传感器检测模块采集的模拟信号利用单片机内部AD转换电路转换成数字信号单片机对该数字信号进行滤波处理,并通过RFTRl无线模块传送到主控中心,主控中心将接收到的数据在LCDl602液晶显示,并通过串口线传送数据到LabVIEW监测终端人机交互界面,IabVIEw对接收的数据进行分析,与设定的火灾阈值进行比较,当检测信号超过阈值时,就报警没有超过阈值时,继续检测,实现对该区域火灾情况的远程监测。
图1所示的系统组成框图只是一个最小系统,根据用户的实际需求,可以改变或增减检测模块。
2系统的硬件设计21主控芯片、温度烟雾检测的选择及设计本设计的硬件系统由以STCl2C5A60S2系列单片机为核万方数据44计算机测量与控制第23卷j,侧在数码管显示检测场地的温度烟雾值。
l二当3系统主要硬件电路设计1。
S。
T。
C。
1。
2。
C。
5。
6。
0。
S2|可圆圆厌恶检测横块叱同。
1一温度检铡横块目l系统站沟眶图心的主控模块和温度烟雾传感器检测模块组成。
系统用STCl2C5A60S2单片机作主控芯片,STCl2C5A60S2是宏晶科技公司产品,增强型8051CPU,指令代码完全兼容传统8051单片机;在系统可编程(ISP)在应用可编程(IAP),无需专用编程器,无需专用仿真器可通过串口直接下载用户程序,几秒即可完成;通用全双工异步串行口,可再用定时器或PCA软件实现多串口Es-63,内部AD转换电路,单片机晶振电路采用110592MHz的外部石英晶振,5V电源电源供电,发光二极管作为电源指示。
本系统设计采用的DSl8820温度传感器78,它是美国DALLAS公司产品,具体独特的单线接口方式,DSl8820在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DSl8820双向通讯;测温范围为:
一55+125,固有测温分辨率05;支持多点组网功能,实现多点测温;在使用中不需要任何外围元件;测量结果以912位数据位串行传送;本系统采用的DSl8820温度传感器有3个引脚,引脚1接5V直流电源,3引脚接地,引脚2与单片机的P37口相连进行数据通信。
烟雾的检测采用MQ一2气体传感器7,MQ一2传感器对液化气、丙烷、氢气的灵敏度高,对天然气和其它可燃蒸汽的检测也很理想8。
测量范围:
300100000ppm;误差:
lppm。
MQ2传感器有四个引脚,引脚1接5V直流电源,4引脚接地,引脚2、3分别与单片机的P10口、P34121相连进行数据通信。
22系统的硬件连接系统电路的硬件连接框图如图2所示,主要由单片机STCl2C5A60S2、DSl8820传感器电路、MQ_2烟雾传感器电路、RFTRl无线模块、串口通信、数码管显示电路、LCDl602液晶显示电路、5V直流电源电路和晶振电路等组成。
DSl8820传感器输出连接到单片机的P37引脚;MQ一2烟雾传感器模拟量输出连接单片机P10引脚,数字量输出连接单片机P34引脚。
RFTRl无线模块负责与温度烟雾检侧模块进行无线双工通信”“j,主控模块侧的RFTRl无线连接单片机的P12和P13引脚,温度烟雾检测模块侧的RFTRl无线模块连接单片机的P30和P31引脚。
串口通信电路使用MAX232作为电平转换芯片,实现无线网络与计算机的数据通信。
主控模块侧在LCDl602显示温度烟雾采集到的实时数据,温度烟雾检测模块31串口通信电路和RFrRl无线通信电路MAX232芯片是美信公司专门为计算机的RS232C标准串口设计的单电源电平转换芯片,使用+5V单电源供电。
MAX232将单片机TXD(P31引脚)输出的1vrI电平信号转换为RS-232C电平,输入到PC机,并将PC机输出的RS-232C电平信号转换为TTL电平,输入到单片机的融引脚(P3o)。
RFTRl系列无线模块是高集成无线数据传输模块,远距离传输达1200m,工作频率有多个选择(本设计用433MHz),天线自动匹配及双向开关控制,TTL232485接口可选,GFSK调制模式,体积小,丰富便捷的编程设置,是应用非常广泛的无线模块11-1z3。
RFTRl与单片机的接口电路设计为:
主控中心TXD接单片机P31,RXD接单片机P30;传感检测模块TXD接单片机P12,RXD接单片机P13,应用单片机的双串口。
32LCDl602显示电路和数码管应用电路主控模块采用LCDl602液晶显示采集的温度烟雾数据,LCDl602显示两行,每行16个字符。
液晶的DOD7接到单片机IO口P00PO7,功能控制引脚6(E使能端)、引脚5(RW数据读写)、引脚4(RS数据命令选择端)分别接到单片机IOVIP22、P21、P20,引脚3接的可变电阻R(10kQ)用于调节的背光亮度。
传感器模块通过数码管显示采集的温度和烟雾数据,数码管各段分别与单片机PO0PO7引脚相连,WlW4与单片机P24P27引脚相连。
电路中加三极管作放大电流,避免分流使数码管变暗,加电阻限流分压。
4单片机软件设计在已有的硬件平台基础上,软件设计的任务是编写移植性好、可读性强、代码效率高的单片机程序。
系统的主控模块和传感器检测模块的软件均由C语言编写,由Keiluvision4编译器编辑,它是51系列兼容单片机c语言软件开发系统。
在程序写好后,可方便地将其烧写到STCl2C5A60S2单片机上。
41主控模块程序流程图主控模块作为软硬件系统的主控制中枢,需要完成无线通信、串VI通信等智能控制功能,其程序流程图如图3所示。
主程序首先定义变量,然后串口1(RFTRl无线模块)、串口2(电平转换模块)、LCDl602液晶、等功能的初始化,串口1向温度模块发送0xol,主控中心接收数据,串口2向电脑发SIcl2s眦SlaZ5艘mOm7砣O、22PL2PL3甩0阻l】口mxT札l里。
墨裟;忍lPL0甩4飓7】札l(b)温度舟嘎粒游羹央连接框图图2系统电路的硬件连接框图万方数据第1期曾素琼,等:
基于单片机和LabVIEW的无线火灾监测系统设计45送数据,同时在液晶上显示数据。
串口1向温度模块发送0x02,主控中心接收数据,串口2向电脑发送数据,同时在液晶上显示数据。
紧接着进入主循环。
串口l、串口2、液晶初始kI串口1向温度模块发送0XolI主控中心接收敷据串口2向电脑发送数据,同时液晶显示数据I串口1向嘲雾真兜S拄差0x位J主控中心接收敦据,串口2向电脑发送数据。
同时液晶显示披据图3主控模块程序流程图向主控中心发送所采集的致据图4温度烟雾检测模块程序流程图42温度烟雾检测模块程序流程图温度烟雾检测模块的主要任务是采集相关的环境参数,并与主控模块进行无线通信,该模块程序流程图如图4所示u。
首先定义变量,然后温度检测模块无线串口、数码管等功能初始化,接着DSl8820MQ-2开始采集数据,并经过STCl2C5A60S2内部集成的AD转换处理数据,并在数码管上显示,同时判断是否接收到主控模块发送过来的命令o】(010x02,如果接收到命令0xOI0x02则向主控中心发送所采集到的温度烟雾数据,否则继续DSl8820MQ-Z继续采集数据。
5LabVIEW人机交互界面一个完整的现代监测系统需要有多功能、人性化的计算机检测终端软件,本系统采用Labview作为终端监测管理软件的开发环境。
51LabVIEw开发环境介绍LabVIEw是美国国家仪器(NationalInstrumentsNI)公司推出的虚拟仪器开发平台,它利用计算机强大的图像环境采用可视化的图形编程语言(G语言)和平台,在计算机屏幕上建立图形化软面板,实现“软件即是仪器”_l“。
作为一种软件开发环境,LabVIEw具有图形化编程环境、功能强大的数据库、数据流编程、支持多操作系统等特性一。
j。
52LabVIEW软件设计基于LabVIEW软件设计主要包括:
数据接收、数据处理、控制功能和数据存储。
521数据接收在硬件上计算机监测终端软件是通过串口与下位机进行通信的。
Labview中,可以利用仪器编程的标准I0应用程序接口VISA实现串口通信4“。
串口配置好后,接下来就要进行数据接收处理。
由于Labview将单片机发送上来的数据格式视为一串串只含单个字符的字符串,所以要先将单片机发送上来的数据先送人数据缓存区然后通过判断将同一“批次”的数据再做进一步处理。
522数据处理从串口接收到数据并进行初步处理后,计算机监测终端软件需要对数据进行解析后才能将相关数据显示出来,并根据解析出来的数据判断是否需要发出报警。
数据的显示和系统报警都采用多方式同时进行。
数据的显示采用虚拟仪器、数值和波形三种方式,而系统报警有指示灯和声音两种方式。
523监测系统终端人机交互界面I,abVIEw软件开发的工作流程:
确定功能要求一建立I。
abVlEw工程一设计流程图设计前面板使用虚拟串口和串口助手调试VI一生成规范一完成设计3。
6系统测试与分析系统通电运行后,主控中心能够实时接收到各传感器监测模块的相关数据,并在LCDl602液晶中显示出来,主控中心LCDl602液晶显示的数据与监测模块的数据完全吻合。
主控中心与计算机监测终端软件通过串口线连接,监测终端软件可接收到主控中心传输过来的数据且与相关传感器监测模块的数据完全吻合,LabVIEW与LCDl602显示同步,监测终端软件的控制功能正常。
有障碍(隔墙)情况下无线通信距离约600m,无障碍情况下无线通信距离约l000m,通信性能良好,抗干扰能力强。
温度及烟雾测试正常,温度误差05。
当温度烟雾浓度超过阈值,LabVIEW人机交互界面报警,系统运行正常。
数码显示报警温度和报警烟雾浓度正常。
7结束语系统是价格低廉、技术成熟的单片机系统与LabVIEW结合,既充分利用了LabVIEW的强大图形显示和数据处理功能,又降低了系统开发成本;使用RFTRl无线通信,能很好地克服复杂的安装环境,实现无线、多目标的温度烟雾的实时传输,通信距离较远(无障碍时可达1000m)。
通过测试。
系统达到准确监测和报警通信效果良好,可以满足大部分对火灾信号监测的需要。
在实际运用中,系统的硬件实现是模块化设计,可以改变或增减传感器监测模块,以满足不同的需要;报警阈值可通过上位机监测界面进行设置,实现了不同的监测要求。
系统还具有扩展性强、功耗低、数据传输可靠、网络容量大等特点,值得推广应用。
(下转第49页)万方数据第1期张会:
基于故障矩阵的贝叶斯故障定位方法495【VidacsI,BeszedesATengeriD,eta1Testsuitereductionfor。
):
一一JJJJ【一408080100120图7FauhMatrix的故障比例随着时间的变化4结束语自动计算是云计算提供持续服务的基础,而故障的识别与定位是自动计算的前提条件。
本文对云计算系统的软件结构进行了抽象,给出了事务以及事务执行路径的定义并将事务的执行路径编码成组件的包含向量,最后基于贝叶斯概率对故障矩阵进行分析进行故障的识别和定位。
实验表明,本文提出的方法与其它相关方法相比故障识别的准确性更高,所用的执行时间更短。
参考文献:
1BreiterGNaikVKAFrameworkforControllingandManagingHybridCloudServiceIntegrationACloudEngineering(IC2E),2013lEEEInternationalConferenceonrC2013,P2172242GomezIMarojevicVGelonchAAutomaticcomputingresourceawarenessinresourcemanagersforcognitiveradiosACognitiveInformationProcessing(CIP)20102ndInternationalWorkshoponc2010p1221273YadavSKKalraPKAutomaticFaultDiagnosisofInternalCornbustionEngineBasedonSpectrogramandArtificialNeuralNetworkAinROC()M10cStevensPointWisconsinUSA,2010P10l一1074GardaziSUShahidAASurveyofsoftwarearchitecturedescriptionandusageinsoftwareindustryofPakistanAEmergingTechnologies,2009ICET2009InternationalConferenceonEC2009,P395402faultdetectionandlocalization:
AcombinedapproachASoftwareMaintenanceReengineeringandRev
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- 基于 单片机 LabVIEW 无线 火灾 监测 系统 设计