LabVIEW无线预警喷淋系统

针对传统有线参数检测与视频监控布线繁琐、无法适配无布线条件场景(如电路老化隐患监测)的问题,设计并实现基于 NRF24L01 无线模块与 LabVIEW 软件的无线预警与自动喷淋系统。以 STM32F103 单片机和 Pt100 温度传感器为核心搭建下位机硬件,完成多路温度与火焰信号采集,通过 NRF24L01 实现无线数据传输;以上位机 LabVIEW 界面实现数据处理、显示、报警、视频监控及喷淋电磁阀控制。

应用场景

系统聚焦需实时温度监测与防火预警的工业及民用场景,核心应用场景如下:

  • 数控机床监测:数控机床运行时关键部件易因长时间工作发热,传统有线监测布线易受设备运动干扰。系统可无线采集机床关键部位温度,温度超阈值或检测到明火时,立即触发蜂鸣器报警并启动喷淋降温,避免部件损坏或火灾。

  • 机房设备管理:机房内服务器、交换机等设备密集,布线复杂且空间封闭,电路老化易引发高温故障。系统通过无线模块部署温度采集点,实时监测各设备温度,LabVIEW 界面动态显示温度曲线,异常时自动报警,同时支持远程视频监控机房状态,无需人员现场值守。

  • 煤铁矿生产监管:煤铁矿井下或地面生产环境复杂,有线监测易因粉尘、振动导致线路损坏。系统可耐受恶劣环境,无线采集生产区域温度,若温度异常(如电气设备过热)或出现明火,快速触发预警与喷淋,防止火灾蔓延,保障生产安全。

硬件架构

(一)控制核心

以 STM32F103 单片机为核心搭建控制芯片最小系统,包含电源、复位、时钟、Boot 启动模式选择及下载电路(串口 / JTAG)。电源部分分为模拟电源(给内部 ADC、DAC 模块供电)与数字电源(4 组单片机数字电源引脚),所有电源旁路均放置 0.1μF 电容滤波,滤除电源噪声杂波;同时预留外围传感器接口,可连接 NRF24L01 无线模块、Pt100 温度传感器、蜂鸣器、火焰传感器及电磁阀,确保核心控制稳定且满足多设备协同需求。

(二)电源模块

针对不同硬件供电需求设计多电压转换电路:喷淋电磁阀需 24V 直流供电,NRF24L01 无线模块供电范围为 1.9~3.6V,STM32F103 最小系统需 3.3V 供电。通过专用电压转换芯片(如 LM2576S-5、AMS1117)实现 24V 电压输入转换,分别为各模块提供匹配电压,保障电磁阀、无线模块、控制核心等硬件协同工作,避免因电压不匹配导致设备损坏。

(三)采集模块

  1. 温度采集:采用铂电阻 Pt100 传感器,测量范围 - 20~600℃,精度达 0.1℃,0℃时阻值为 100Ω 且阻值随温度均匀变化。搭建惠斯登电桥,将 Pt100 接入电桥,温度变化引发 Pt100 阻值改变,导致电桥输出差分信号(ΔV)变化;差分信号经差分运放芯片放大后输入 STM32F103 的 A/D 采样端,结合 Pt100 电阻 - 温度对应表计算实际温度。为减小导线电阻误差,采用三线制接法,提升温度采集准确性。

  2. 火焰采集:配备火焰传感器,实时检测环境中是否存在明火,将检测信号传输至 STM32F103,与温度数据协同作为预警触发依据,确保火灾隐患早发现。

(四)无线模块

采用 NRF24L01 单片无线收发芯片,工作于 2.4~2.5GHz ISM 频段,支持 SPI 接口编程通讯,通过 Enhanced Shock Burst 协议实现点对点或 1 对 6 无线通讯,最高通信速度达 2Mbit/s,功耗低(发射电流 9mA@-6dBm,接收电流 12.3mA)。其工作模式由 CE 引脚与 CONFIG 寄存器(0X00)的 PWR_UP(第 1 位)、PRIM_RX(第 0 位)共同控制,可切换为接收、发射、空闲、掉电四种模式。数据传输时,下位机主机板配置为发射模式发送温度与火焰数据,从机板配置为接收模式接收数据,接收成功后通过串口上传至上位机,完成无线数据交互。

(五)喷淋模块

下位机主机板设计预警灭火电磁阀,可根据用户需求搭配不同喷淋器件。控制原理为:通过单路 2 输入正与门器件,STM32F103 引脚设置为推挽输出,输出高低电平控制与门器件,进而实现电磁阀开关。当系统检测到温度超限且有明火,或用户手动操作时,电磁阀自动打开启动喷淋,温度恢复正常后可手动或自动关闭,实现精准灭火降温。

软件架构

(一)界面设计

上位机人机界面基于 LabVIEW 开发,采用图形化编程语言,直观呈现系统功能。界面包含:

  • 串口参数配置区:可选择串口号、串口波特率(实验中设为 9600bit/s)等,确保上位机与从机串口通信匹配;

  • 报警设置区:通过数字输入框预设温度报警阈值(实验中设为 30℃),满足不同场景预警需求;

  • 状态显示区:以指示灯展示温度(绿 - 正常,红 - 超限)与火焰(绿 - 无明火,橙 - 有明火)报警状态,波形图表动态显示多路温度变化曲线,直观反映温度趋势;

  • 控制区:设有手动降温、报警关闭及系统停止按钮,支持自动与手动双重控制,应对突发情况。

(二)预警控制

软件实时解析下位机传输的温度与火焰数据,与预设阈值对比:

  • 当温度超阈值且火焰传感器检测到明火时,界面温度指示灯由绿变红、火焰警示灯由绿变橙,同时向下位机发送指令,触发蜂鸣器报警并自动打开喷淋电磁阀;

  • 按下 "关闭蜂鸣器" 按钮可停止报警,待温度降至正常范围,温度指示灯恢复绿色,报警信号消除,电磁阀可手动或自动关闭;

  • 全程支持手动触发喷淋,防止自动模式失效时的突发情况,确保预警与控制动作可靠。

系统特点

(一)无线传输优势

摒弃传统有线监测模式,通过 NRF24L01 无线模块实现数据传输与视频监控,解决无布线条件场景(如电路老化监测)的应用难题;避免有线传输中远距离数据干扰、传输效果差及扩展性低的问题,可灵活增减监测节点,适应不同监测范围。

(二)监测控制精准

温度采集采用 Pt100 传感器与三线制接法,搭配差分放大电路,测量精度达 0.1℃,准确反映环境温度变化;火焰传感器实时检测明火,双重监测保障预警准确性;喷淋控制通过电磁阀精准执行,手动与自动模式结合,确保灭火降温及时有效。

(三)稳定易扩展

硬件选用高性能元器件(如 STM32F103、NRF24L01),电路设计包含电源滤波、信号放大等优化措施,保障硬件稳定;软件基于 LabVIEW 开发,图形化编程便于功能迭代,预留传感器与控制接口,可根据需求扩展更多监测参数(如湿度)或控制功能(如排风)。

(四)可视化与易用性

LabVIEW 界面直观呈现数据曲线、设备状态与视频画面,操作步骤清晰(串口配置→打开串口→数据显示→报警控制);用户无需专业编程知识即可完成参数设置与控制操作,降低使用门槛。

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