基于LabVIEW和GSM的多参数无线远程仪器监护系统设计

基于LabVIEW和GSM的多参数无线远程仪器监护系统设计[e-mail]摘要：本文介绍一种采用LabVIEW和GSM技术实现仪器的多参数无线远程监护和报警的系统设计原理和技术方案；采用单片机采集传感器信号和运用LabVIEW设计上位机界面，使系统有很强的可扩展性和可移植性，并且操作简单和易于维护。关键词：LabVIEW；单片机；GSM；多参数；仪器监护1、引言：医学生物领域的许多大型仪器设备经常需要长时间的不间断运行，运用状态监测可以对运行状态参数进行实时采集和处理，及时发现设备的运行故障征兆，为使用和维修提供依据，这是保证此类大型设备安全运行，节约人力成本，降低实验风险，防止恶性事故发生的有效手段之一，随着计算机技术、通信技术与传感器测量技术的不断发展和结合，使基于无线远程网络的监测得到了进一步的发展和应用，并将成为监测系统的主流。本文重点研究开发利用虚拟仪器技术构建多参数无线远程仪器监护系统，从而实现全自动、多方位、智能化的实时状态监测。LabVIEW是由美国国家仪器公司(NationalInstrumentsCo.)推出的、主要面向计算机测控领域的虚拟仪器软件开发平台,是一种基于图形开发、调试和运行的集成化环境。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[。利用LabVIEW开发监护系统具有开发周期短、通用性强和便于维护升级等特点。本文利用单片机采集多个不同类型传感器信号，通过GSM实现报警，并开发基于LabVIEW的上位机界面，与单片机进行实时通讯，实现对仪器的多个状态参数的采集、处理、故障报警、显示和历史记录等多个功能。2、多参数无线远程监控系统硬件设计2-1、系统整体构架本无线远程监控系统由传感器（包括温度和加速度传感器）、GSM模块、上位监控计算机和单片机组成，单片机通过温度传感器和加速度传感器实时采集仪器关键部位的温度值和振动情况（包括振动幅度和振动频率），并将这些数据通过串口1（SerialPort1）传送给上位监控计算机实时显示并保存，当温度值和振动情况超出正常值时，单片机通过GSM模块发送短信报警，系统整体构架如图1所示。图12-2、单片机硬件系统本系统采用SST89E58RD2型单片机，是SST公司8位微处理器FLASH-Flex51系列成员,它采用先进的Super-FLASHCMOS半导体技术设计和制造,是采用8051的指令集,并与标准的8051控制器管脚兼容,而且具有SPI端口,接口简单,易于编程控制。该器件带有40KB的片内FLASHE2PROM存储器,使用了SST公司专利的CMOSSuperFLASHE2PROM技术,存储器被分成两块独立的程序存储器,第一块(BLOCK0)占用32KB的内部程序存储器空间,第二块(BLOCK0)占用8KB的内部程序存储器空间。8KB的第二块FLASH可以映射到64KB空间的低地址,还可以被隐藏和当成类似E2PROM的独立的数据存储器。2-32-32-32-3、GSMGSMGSMGSM模块GSM模块选用西门子的TC35模块，主要由GSM基带处理器、GSM射频模块、供电模块(ASIC)、闪存、ZIF连接器、天线接口六部分组成。TC35可以快速安全可靠地实现系统方案中的数据、语音传输、短消息服务(ShortMessageService)和传真。模块的工作电压为3.3－5.5V，可以工作在900MHz和1800MHz两个频段。模块有AT命令集接口，支持文本和PDU模式的短消息。此外，该模块通过独特的40引脚的ZIF连接器，实现电源连接、指令、数据、语音信号、及控制信号的双向传输。本系统中单片机仅有一个UART接口，用于与上位机进行实时数据传输，故使用2个IO口（P2^0和P2^1），通过程序模拟串口，和GSM模块通讯，实现仪器参数不正常情况下的报警功能。GSM模块与单片机连接如图2所示。图22-42-42-42-4、传感器2-4-1、温度传感器硬件设计本系统采用DALLAS公司最新单线数字温度传感器DS18B20，它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9～12位精度数值读数方式,在-10~+85°C测量范围内,精度为±0.5°C。现场温度直接以“1-Wire”的数字方式传输，有很好的抗干扰性，适合于恶劣环境的现场温度测量,使用方便灵活,可扩展性好。本系统中，DS18B20与单片机连接如图3所示。图32-4-2、加速度传感器硬件设计MMA7260是Freescale的一款三轴加速度传感器，其输出为模拟信号，再通过AD芯片TLC549，将模拟的加速度信号转换为数字信号，供单片机采集。MMA7260的应用电路连接如图4所示。图4g-s1和g-s2是传感器的量程选择输入引脚，可以通过配置其接高低电平，选择1.5g、2g、4g和5g四个量程，如图5所示。图5本系统使用1.5G的量程，故将g-s1和g-s2均接低电平，对应的灵敏度是800mV/G。本文中，以监控X方向的加速度（或振动）为例。将X轴向的加速度模拟值输出与AD芯片TLC549的AIN连接，正电压参考值REF+接3.3V，负电压参考值REF-接地，即设定此AD芯片的量程是0~3.3V，其输出8位值是0~255，故其电压最小分辨率是3.3/256=12.89mV，而加速度传感器各轴载不运动或不受重力作用下（0G），输出是1.65V，故在-1.5G和+1.5G情况下，其输出为+0.45V和+2.85V，而对应于AD的数字输出为35和221，即能检测的加速度最小分辨率是3/(221-35)=16.1mG，此精度满足本系统对测量仪器振动的要求。3、多参数无线远程监控系统软件设计3-1、程序总体结构本系统采用循环程序流程，系统启动并初始化各端口，然后采集各传感器数据，做特定的处理分析后，判断各传感器的数据是否处于正常范围内，如果正常，则再次采集各传感器数据，如果不正常，则进行GSM报警，将异常的情况以短信的形式通知相关负责人；在信号处理同时，单片机将数据通过串口传输给上位机，上位机程序将一图形化界面显示数据，并将数据保存于文档，方便调用。系统程序总体结构如图6所示。图63-2、传感器数据采集的程序实现3-2-1、温度传感器数据采集DS18B20采用的是1-Wire总线协议方式，即在一根数据线实现数据的双向传输，而单片机在硬件上并不支持单总线协议，因此采用GPIO模拟单总线的协议时序来完成对DS18B20芯片的访问。DS18B20的单总线有严格的通信协议，以保证数据传输的正确性和完整性，该协议定义了初始化时序、读时序和写时序。根据这些时序在程序中定义以下3个函数，方便随时访问DS18B20，获取温度值。Ds18b20_Init(void);//初始化DS18B20Ds18b20_WriteByte(ucharchrdata);//向DS18B20写ByteDs18b20_ReadByte(void);//从DS18B20读Byte3-2-2、加速度传感器数据采集单片机采集加速度信号的过程实质上是获取AD芯片TLC549的数据的过程，根据其工作原理和时序图，设计与单片机的通信程序。TLC549的工作时序图如图7所示。图7程序如下：sbitTLC549_CLK=P2^3;sbitTLC549_DATA=P2^4;sbitADCS=P2^5;UnsignedcharTLC549_GetAD(void)//定义一个读取AD信号函数{chari;unsignedcharrt=0;TLC549_DATA=1;TLC549_CLK=0;ADCS=0；if(TLC549_DATA&1)rt|=0x80;TLC549_CLK=1;TLC549_CLK=0;for(i=6;i=0;i--){TLC549_CLK=1;if(TLC549_DATA&1)rt|=1i;TLC549_CLK=0;}TLC549_CLK=1;ADCS=1;if(rt250)rt=rt-80;returnrt;}3-3、基于GSM的报警GSM模块与单片机之间的通信协议是AT指令集。每个指令以AT+开头，以回车结尾。每个命令执行成功与否都有相应的返回。其他一些非预期的信息（如有人拨号进来、线路无信号等），模块将有对应的一些信息提示，接收端可做相应的处理。本系统中使用的重要指令如下。结束符:0x0D(CR)发送符:0x1A(Ctrl/Z)测试：ATCR设置发送短信息的模式为Text：AT+CMGF=0+CR发送短信:AT+CMGS=”13988888888”CRSendMessagebyText-ModeCtrl/Z3-4、基于LabVIEW的上位机程序界面LabVIEW提供了功能强大的虚拟仪器软件规范(VirtualInstrumentsoftwareArchitecture,VISA)库，本上位机程序利用VISA库中的串口通讯函数VISAConfigureSerialPort对串口配置,进行初始化。用该函数设置串口的波特率、数据位、奇偶校验、缓存大小和流量控制等参数，使在通讯时与单片机的串口参数相匹配，再通过数值显示控件和图形显示控件分别显示实时的和一段时间内连贯的传感器信号，所有数据同时以文件形式保存在上位机中。上位机图形界面数据显示部分如图8所示。图84、结语本文针对大型仪器设备需要无人实时监护的需要，基于LabVIEW和GSM开发了多参数无线远程仪器监护系统，成功利用LabVIEW和单片机技术实现了对多传感器、多参数的实时采集、传输、显示和存储，并结合GSM技术为仪器的监护人提供了异常情况下的智能报警功能，这大大提升仪器监护的效率，保证仪器在出现故障时能得到及时的维护，进而节约人力成本，降低实验风险，同时因为LabVIEW程序设计直观简便的优点和单片机丰富的IO接口，本系统可以灵活地移植应用于多种仪器监护中，并根据不同的监护需要进行扩展。终上所述，本系统界面直观友好、易于维护、使用方便，具有良好的扩展性和移植性，是一种理想的无线远程仪器监护手段，有较好的应用前景。【文献引用】[1]任丽丽,张志杰.基于LabVIEW的串口数据采集系统[J].微计算机信息,2008,24(3):56-57.[2]FLASHFlex51MCUSST89E58RD2[Z].2005.[3]SIEMENSATCommandSet.TC35iTerminalv01.03[4]DS18B20datasheet[5]MMA7260QTRev3,06/2007.FreescaleSemiconductor[6]]杨乐平,李海涛,杨磊.LabVIEW程序设计与应用[M].北京:电子工业出版社,2005[7]孙二敏.基于LabVIEW的多传感器信息采集平台[J].北京交通大学.2006.[8]顾亚雄,朱翠英,许方华.基于LabVIEW的单片机多路数据采集系统的设计[J].自动化技术与应用.2009,28.