LabVIEW气体污染无线监测

基于LabVIEW 的无线硫化氢污染监测系统,在以低成本、低功耗的方式,实现 H₂S 浓度、环境温度与湿度的实时采集、无线传输及异常报警,为区域化空气污染监测提供灵活解决方案。

架构设计

系统采用 "无线传感器节点 + 网关 + LabVIEW 监控平台" 三层架构,实现从数据采集到可视化监控的全流程闭环,具体结构如下:

(一)硬件组成

传感器节点是数据采集的核心单元,负责采集环境参数并将模拟信号转换为数字信号,通过无线模块传输至网关。其硬件配置如下表所示:

硬件模块 型号 / 规格 功能说明
气体传感器 GS05 专门检测 H₂S 浓度,响应时间<1 分钟,使用寿命超 10 年,检测范围 25-100ppm,工作温度 - 20℃~+60℃
温度传感器 LM35 集成式温度检测,输出电压与温度线性相关,功耗仅 60μA,工作温度 - 55℃~+150℃,检测精度高
湿度传感器 HIH-4000 低功耗(200μA)湿度检测,响应时间 70ms,检测范围 0~100% RH,工作温度 - 40℃~+80℃
微控制器 PIC16F876 8 位 28 引脚 MCU,供电电压 5V,负责接收传感器数据、逻辑判断(如是否超标)及控制报警模块
无线通信模块 Xbee(基于 ZigBee 协议) 实现传感器节点与网关的无线数据传输,支持多节点组网,功耗极低,通信距离 10-100m
报警模块 声光报警器 当 H₂S 浓度≥50ppm(对应传感器输出电压≥4.5V)时,触发 audible 报警与指示灯提醒

(二)无线通信技术

对比了蓝牙、Wi-Fi、ZigBee 三种短距离无线技术,最终选择 ZigBee(IEEE 802.15.4 标准),原因如下表所示:

技术指标 蓝牙 Wi-Fi ZigBee(最终选型)
通信距离 约 10m 50-100m 10-100m
数据速率 1Mb/s 54Mb/s 250kb/s
单网节点数 7 个 32 个 >65000 个
电池寿命 数天 数小时 数年
功耗水平 中等 极低
复杂度

ZigBee 的 "极低功耗" 特性可满足传感器节点长期续航需求(无需频繁更换电池),"多节点组网" 能力支持后续扩展监测区域,且成本低、复杂度低,完全适配污染监测的场景需求。

(三)LabVIEW 网关平台设计

网关作为 "传感器节点与用户交互" 的中间层,基于 LabVIEW(实验室虚拟仪器工程平台)开发,核心功能包括数据接收、实时分析、可视化展示、异常报警

1. 核心功能模块
  • 数据采集与通信配置:通过 VISA(虚拟仪器软件架构)配置串口参数(波特率、数据位、校验位等),实现与 Xbee 模块的串口通信,实时接收传感器传输的 H₂S 浓度(ppm)、温度(℃)、湿度(% RH)数据。

  • 实时可视化展示

    • 3 条动态曲线:分别实时显示 H₂S 浓度、温度、湿度随时间的变化趋势,便于观察参数波动规律;

    • 数值显示面板:实时刷新当前采集到的 H₂S 浓度、温度、湿度具体数值,保留 1 位小数;

    • 系统状态窗口:通过图标区分 "正常运行"(绿色图标)与 "报警状态"(红色闪烁图标)。

  • 异常报警逻辑:预设 H₂S 浓度临界值为 50ppm。当检测值≥50ppm 时,LabVIEW 界面触发 "闪烁红色报警窗口"+"audible 报警音",同时同步控制传感器节点的本地报警器启动。

  • 数据记录与追溯:自动记录每次采集的时间(精确到秒)、参数值,支持导出 Excel 格式数据报告,便于后续数据分析与污染溯源。

  • 操作控制:提供 "Start/Stop" 按钮控制数据采集启停,支持手动配置监测频率(如 1 次 / 秒、1 次 / 5 秒)。

2. 界面设计
  • 正常状态界面(图 10):H₂S 浓度<50ppm,界面显示绿色 "正常运行" 图标,曲线平稳,无报警提示;

  • 报警状态界面(图 11):H₂S 浓度≥50ppm,界面红色窗口闪烁,伴随报警音,同时标注 "Alert:H₂S concentration exceeds 50ppm",提醒用户及时干预。

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