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基于LabVIEW的智慧实验室的设计与实现

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茆玉辰+张宸烽+史洪玮

摘要：针对高校实验室数量多、涉及面广、管理难度大等问题，设计一种基于LabVIEW和树莓派的智慧实验室的研究与设计系统。该系统以树莓派为核心管理传感器等设备，通过网络建立树莓派与LabVIEW的实时连接，对实验室进行监控和管理。试验证明，该系统开发成本低，可拓展性好，集成度高，能够实现对实验室智能化信息管理、资源共享、安全防卫和节能降耗，适用于各类实验室，具有广泛的应用前景。

关键词：LabVIEW；树莓派；实验室管理

随着信息化与数字化时代的到来，高校实验室作为师生教学和科研的重要场所，不仅拥有大批贵重、精密仪器设备，还是学校人群密集区，使实验室安全管理问题显得更加重要和突出。实验室管理不当不仅会导致实验室资源利用率低，还会直接造成实验室重大的财产损失和人员伤亡。

目前，高校实验室的安全管理主要依赖于人工管理，管理体制和管理方式上过于单一，对于实验室实施开放式管理非常困难。当前国内高校实验室的安全管理都较为原始，门窗的关闭、设备的使用、材料的耗损，一般依附于实验室专门检查、执行的工作人员；实验室流动性大、接触人员多，不仅需要实验室工作人员明确的分工，还需要加大对安全管理的监督、检查力度，但人工的管理难免有疏忽，事故责任相互推脱屡见不鲜。为了解决大部分高校实验室仪器设备使用率低、实验室安全监控不完善的缺点，设计了一种基于LabVIEW和树莓派的智慧实验室的设计与实现系统。

1系统硬件设计

1.1树莓派模块

该系统以树莓派为核心，利用摄像头、烟雾报警器、人体红外传感器、火焰安全传感器、温湿度传感器采集到的数据，通过GPIO接口实现与树莓派通信，利用无线模块将实验室监测的数据、视频实时发送给上位机。具体实施步骤为：首先根据树莓派的驱动程序将树莓派的GPIO端口号和各传感器进行连接，确保模块功能正常使用；将树莓派和传感器放在实验室合适的位置上，从而进行全面、实时的监测；之后用户自定义实验室的情况。达到用户指定情况，上位机通过无线收发模块向树莓派发送开关命令数据。开关控制模块与树莓派相连，树莓派收到开关命令数据后向继电器发出命令，继电器控制门、窗帘、空调等设备的开关。最后，上位机界面显示树莓派传送上来的数据，并进行对比处理，超过阈值，发出警报，并及时提醒管理者。基于LabVIEW的智慧实验室的系统图如图1所示。

1.2外围硬件模块的改进与实现

本系统的硬件主要包括摄像头、烟雾报警器、人体红外传感器、火焰传感器、温湿度传感器等多种模块，通过GPIO接口将树莓派与各传感器和电路通信，实现与外部世界交互，通过发送高电平或低电平信号到外部设备，从而控制各个功能模块的工作。本树莓派使用了3代B型，功能拓展性高，允许它充当控制器去控制一个更大的电子电路。如图2是树莓派模块与传感器的搭建。

摄像头与树莓派相连，在LabVIEW界面上可以观测到实验室的所有情況。当不使用实验室时，根据安装在门窗上的人体红外传感器传来的数据可以判断是否有人员进人。当有人员非法进出实验室时，上位机接收红外数据，对摄像头发出拍摄指令，将非法人员的照片存入上位机，并向树莓派的蜂鸣器发出指令进行警报。

温湿度传感器DHT11能够同时测量温度和相对湿度，在检测到环境变化时就把相应的数据电平发送给树莓派执行来传给上位机监控系统。DHT11应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性、超快响应、抗干扰能力强。上位机监控界面LabVIEW，通过发送到的数据字符串，提取温湿度值，并采用数字和波形图的方式显示出来。用户可按季节等因素设定最佳的温湿度值，系统将设定值和当前数据对比，当室内温湿度低于或高于温湿度的设定值时，控制终端设备进行温湿度自动调节。

同时为了防范插座引起的火灾，而采用了火焰传感器。火焰传感器对火焰最敏感，可以检测波长在760纳米～1100纳米范围内的光源，灵敏度可以根据需求调节。火焰传感器输出接口可以与树莓派GPIO口直接相连，把外界的红外光的强弱转化为高低变化的电平信号，输入到树莓派，上位机根据接收的信号判断火情发出警报。

烟雾的检测采用MQ-2气体传感器，探测范围广泛、灵敏度高、稳定性好，可燃气体数据通过无线模块发送至上位机，当检测信号超过设定的阈值时，上位机上有所警示并发送紧急命令给树莓派，树莓派发出警报并关闭所有开关。

2系统的软件设计

系统实验室的软件设计包括控制开发环境的搭建，Lab—VIEW库函数的调用，数据采集程序的设计和图形化的界面程序设计。用LabVIEW来设计用户界面、子程序框图，包含图形化的程序”G”语言编辑器，TCP/IP、Active x等库函数和设计测试并实现仪器系统功能。

LabVIEW工具用图标、连线和框图代替传统的程序代码，编制各种控制程序，通过测试测量最终实现子程序调用。

2.1前面板的设计

前面板界面主要由监控画面、温湿度实时数据、温度计、软件电源开关、继电器电源开关以及火焰、烟雾报警的显示窗口组成。

监控图像采集部分主要由LabVIEW前面板控制面板中VI—SION模块的IMAQ或者IMAQdx来采集，并且结合VB和VC中调用摄像头用的图像控件，也就是picturebox共同实现，另外捕捉摄像头利用的是capCreateCaptureWindowA函数。温湿度部分通过温度计和数值两种方式显示数据，温度显示部分由一个温度计和一个显示控件构成，两者可以显示0到40摄氏度的温度；湿度显示部分由一个湿度计和一个显示控件构成，两者可以显示相对湿度的范围为0到50%。

前面板上的火焰、烟雾报警模块由两个布尔元件组成，在正常情况下，报警灯显示为绿色，在温度或湿度在遇到超过设定的阈值的情况时会变成红色。火焰、烟雾报警灯模块下方的“开关”控件是上位机程序的开关，“电源开关”控制继电器。当继电器开启的时候用一个微小的电流，能控制大功率的电路、扩大控制范围，在信号达到定值时，按触点组的不同形式，同时换接、开断、接通多路电路，达到自动开关的目的。

2.2后面板的介绍

LabVIEW开启之后，程序创建多个并行循环，在每个循环中中分别建立负责接收温湿度信息、火焰报警信息，烟雾报警信息的UDP服务，建立监听和控制继电器状态的tcp服务（每个服务分别监听一个上位机的一个网络端口），以及打开视频监控。树莓派获取到传感器数据之后立即将数据打包通过网络抛给labview端设备的相应端口。上位机labview获取数据之后，处理成相应状态显示。其中温湿度传感器传递过来的为数值字符串，火焰和烟雾传感器传递过来的是0、1状态，其中火焰传感器0状态时为有火焰，1状态时为没有火焰，烟雾传感器状态响应与火焰传感器相反。获取电源继电器。继电器状态为1（开）0（关）实时返回，当实验室忘记断电时，可以点击电源开关。这时LabVIEW会发送0指令给树莓派，树莓派接收之后关闭继电器。

3实验结果

智能实验室的设计与研究的界面如图所示，LabVIEW前面板控制面板中最左边的是监控图像采集部分，用于实时掌握实验室动态；其右侧显示的是当前温湿度，能将树莓派采集的数据成功的传输至上位机，具有较高的精确性。

为了验证该实验室系统的准确性，实验采取不同温湿度、烟雾、火焰环境进行测试，并且分别做了记录，实验发现当发生烟雾火这火焰时的对应但是警示灯会变成红色，并发出蜂鸣警告。提醒管理人员进行检查并处理。为实验室人员工作带来了便捷，加强了实验室安全设施建设。

4总结

本文提出了以一种LabVIEW为软件平台的树莓派数据采集和控制系统，通过对上述软硬件的调试和完善，实验得以验证。该系统能够实时对实验室的数据进行采集，能够利用Lab—VIEW的强大功能和树莓派的语言接口动态掌握实验室的安全，广泛前景。

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