Файл: Автоматизированная беспроводная система измерений параметров окружающей среды.pdf

42
Таблица 9 – Параметры NI myRIO
Параметр
Значение параметра
Разрешающая способность АЦП, бит
12
Диапазон выходного сигнала, В от 0 до 5
Абсолютная погрешность напряжения выходного сигнала, мВ
± 50
Рабочая температура окружающей среды, °C от 0 до 40
Рабочая влажность окружающей среды, % от 10 до 90
3.1.5 Среда разработки LabVIEW
В качестве среды разработки программного обеспечения была выбрана среда разработки Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench
(LabVIEW) платформа для выполнения программ, созданных на графическом языке программирования «G» фирмы National Instruments. LabVIEW содержит мощные многофункциональные инструменты для проведения любых типов из- мерений и разработки любых приложений. Благодаря этому LabVIEW является средой разработки для решения широкого круга задач, повышения производи- тельности и инноваций. LabVIEW используется в системах сбора и обработки данных, а также для управления техническими объектами и технологическими процессами.
Программа, написанная в LabVIEW, называется виртуальным прибором и состоит из двух частей:
– блок-диаграммы, описывающей логику работы виртуального прибора;
– лицевой панели, описывающей внешний интерфейс виртуального при- бора.
Виртуальные приборы (ВП) могут использоваться в качестве составных частей для построения других виртуальных приборов.
Блок-диаграмма содержит функциональные узлы, являющиеся источни- ками, приемниками и средствами обработки данных. Лицевая панель виртуаль- ного прибора содержит элементы ввода-вывода. Они применяются пользовате- лем для управления виртуальным прибором, а также другими виртуальными приборами для обмена данными.

43
3.2 Разработка структуры
Система измерений параметров окружающей среды состоит из датчиков температуры, давления, влажности и освещенности, которые подключаются к
NI myRIO. Передача данных осуществляется по различным протоколам. Датчик абсолютного давления и температуры Inertial measurement unit, обозначенный как IMU, передает данные через интерфейс I
2
C; емкостной влагочувствитель- ный цифровой модуль температуры и влажности DHT22 использует упрощен- ную одноканальную связь SDA; фоторезистор PDV-P9203 передает данные по аналоговому каналу (AI).
В свою очередь с NI myRIO данные передаются на персональный ком- пьютер по беспроводному интерфейсу IEEE
802.11, также известному как Wi-
Fi. Данный интерфейс позволяет развернуть сеть без прокладки кабеля, что мо- жет уменьшить стоимость развёртывания и расширения сети. Wi-Fi обеспечи- вает возможность подключения к сети в зоне действия несколько устройств. А также данный интерфейс имеет низкий уровень излучения Wi-Fi-устройствами в момент передачи данных.
На рисунке 18 представлена блок-схема системы с указанием использу- емых интерфейсов передачи данных.
Рисунок 18 – Блок-схема системы измерений параметров окружающей среды

44
Полная структурная схема подключения датчиков к NI myRIO представ- лена на рисунке 19.
Рисунок 19 – Схема подключения датчиков к NI myRIO
В таблице 10 представлены характеристики системы измерений пара- метров окружающей среды.
Таблица 10 – Характеристики Системы
Параметр
Значение параметра
Диапазон измерения температуры, °C от минус 40 до 85
Предел абсолютной погрешности измерения температуры, °C
± 2
Диапазон измерения давления, мм рт. ст. от 195 до 945
Предел абсолютной погрешности измерения давления, мм рт. ст.
± 1,5
Диапазон измерения влажности, % от 0 до 99,9
Предел абсолютной погрешности измерения влажности, %
± 2
Спектральный диапазон, нм от 400 до 700
Чувствительность измерения освещенности, Ом/лк
0,9
Стандарт беспроводной передачи данных
IEEE 802.11 b, g, n
Диапазон частот беспроводной передачи данных, ГГц
2,4
Формат файла протокола
*.xlsx
На рисунке 20 показана фотография системы измерений параметров окружающей среды.

45
Рисунок 20 – Фотография Системы
3.3 Интерфейсы передачи данных
3.3.1 Беспроводной стандарт IEEE 802.11
Происхождение привычной аббревиатуры Wi-Fi в некоторых источни- ках изначально велось от английской фразы Wireless Fidelity, которую можно перевести как «высокая точность беспроводной передачи данных». На сего- дняшний день от такой формулировки отказались и термин «Wi-Fi» не имеет официальной расшифровки. Сокращение Wi-Fi используется для обозначения торговой марки Wi-Fi Alliance и обозначает технологию беспроводных сетей, построенных с использованием стандарта IEEE 802.11. Под этим обозначением развивается целый набор стандартов передачи цифровых данных по каналам радиосвязи. Стандарт IEEE 802.11 работает на нижних двух уровнях модели
OSI, физическом уровне и канальном уровне.
Стандарт 802.11 определяет два типа оборудования – клиент, который обычно представляет собой компьютер, укомплектованный беспроводной сете- вой интерфейсной картой, и точку доступа, которая выполняет роль моста меж-

46
ду беспроводной и проводной сетями. Точка доступа обычно содержит в себе приёмопередатчик, интерфейс проводной сети, а также программное обеспече- ние, занимающееся обработкой данных.
Wi-Fi характеризуется следующими параметрами:
– модификации IEEE 802.11 b, g, n;
– диапазон частот – 2,4 ГГц;
– ширина канала – 20 МГц;
– мощность передатчика – до +10 дБ (10 мВт);
– диапазон покрытия – до 150 м (в прямой видимости).
NI myRIO можно подключить к компьютеру через беспроводную сеть, для этого необходимо выполнить следующие шаги:
1) подключить NI myRIO через проводной интерфейс USB;
2) настроить параметры Wi-Fi;
3) определить цель NI myRIO.
После подключения NI myRIO к беспроводной сети можно использовать общие переменные для отправки данных между целью и главным компьюте- ром.
3.3.2 Интерфейс Inter-Integrated Circuit
Интерфейс Inter-Integrated Circuit (I²C) – последовательная шина данных для связи интегральных схем, использующая две двунаправленные линии свя- зи. Для осуществления процесса обмена данными по I
2
C шине, используется всего два сигнала: линия данных (SDA) линия синхронизации (SCL).
При передаче данных одно устройство является «ведущим», которое инициирует передачу данных и формирует сигналы синхронизации, другое устройство – «ведомое», которое может начать передачу данных только по ко- манде ведущего шины.
Каждое устройство на шине I²C имеет уникальный адрес. Когда веду- щий инициирует передачу данных, то сначала передается адрес устройства, к

47
которому выполняется обращение. Остальные устройства проверяют передан- ный ведущим адрес. В состав байта адреса устройства входит бит направления передачи данных (выполняется чтение из ведомого или запись). Ведомый и ве- дущий шины всегда находятся в противоположном режиме работы, что можно представить в виде двух состояний: ведущий передатчик – ведомый приемник; ведомый передатчик – ведущий приемник. В обоих случаях ведущий формиру- ет тактовый сигнал [20].
3.3.3 Одноканальный интерфейс для передачи данных
Устройство DHT22 использует упрощенную одноканальную связь. Оди- ночная шина – это одна линия передачи данных, система обмена данными, кон- тролируемая по линии передачи данных для завершения.
Микропроцессор через порт с открытым стоком подключается к линии передачи данных, чтобы не позволять устройству отправлять данные для осво- бождения шины, в то время как другие устройства используют шину; для оди- ночной шины обычно требуется внешний резистор 4,7 кОм, поэтому, когда ши- на находится в режиме ожидания, ее состояние высокое. Взаимодействие меж- ду микропроцессором и датчиком строится по принципу «ведущий-ведомый», т.е. ведущее устройство вызывает датчик, датчик отвечает, и для доступа к дат- чику ведущее устройство должно строго придерживаться последовательности одиночной шины; если порядок последовательности будет нарушен, датчик не будет реагировать на вызов.
Для связи и синхронизации между микропроцессором и DHT22 исполь- зуется формат данных с одной шиной (SDA) для передачи 40 бит данных. Фор- мат связи представлен в таблице 11. Временная диаграмма показана на рисунке
21, где H
h
– влажность (высокое состояние), H
l
– влажность (низкое состояние),
T
h
– температура (высокое состояние), T
l
– температура (низкое состояние), PB
– бит четности

48
Рисунок 21 – Временная диаграмма
Таблица 11 – Формат связи
Название
Описание формата одной шины
Cтартовый сигнал
Шина данных микропроцессора для уменьшения периода вре- мени (не менее 800 мкс) уведомляет датчик о необходимости подготовки данных.
Ответный сигнал
Шина данных датчика снимается до 80 мкс, после чего следует ответ на высоких 80 мкс для приема стартового сигнала.
Формат данных
Принимается сигнал начала приема, одноразовая строка из ши- ны данных – 40-битные данные, высокий выход первого элемен- та.
Влажность
Разрешение влажности 16 бит; строковое значение датчика влажности в 10 раз больше фактических значений влажности.
Бит четности
PB = H
h
+ H
l
+ T
h
+ T
l
3.4 Разработка программного обеспечения
Разработка программного обеспечения проводилась по модульному принципу, когда программа представляет собой совокупность небольших неза- висимых блоков (модулей), структура и поведение которых подчиняется опре- деленным заранее правилам. Так как данные о значениях температуры и давле- ния передаются с одного датчика, в разрабатываемой программе три модуля: модуль измерения температуры и давления, влажности, освещенности.
Все модули построены по одинаковому принципу: отправка запроса на передачу данных датчику, получение и обработка информации. В зависимости от протокола передачи данных у каждого модуля есть особенности этой после- довательности действий.
3.4.1 Лицевая панель
Лицевая панель – это пользовательский интерфейс, содержащий индика- торы или элементы управления. Пользователь задает значения следующих па- раметров:

49
– количество измерений;
– период измерений в секундах;
– отображать секунды в графе «Время» или нет, для этого необходимо нажать соответствующую кнопку;
– путь для сохранения файла с результатами измерений.
На рисунке 22 показана часть лицевой панели с пользовательскими установками.
Все данные сводятся в одну таблицу, где выводится информация о дате проведения измерений, времени и значениях измеренных величин, с указанием единиц измерений. Кроме того, лицевая панель содержит индикаторы текущих значений температуры в градусах Цельсия, давления в миллиметрах ртутного столба, относительной влажности в процентах и освещенности в люксах.
Рисунок 22 – Пользовательские установки
В дополнение к таблице данные приводятся в виде графиков зависимо- сти каждой измеряемой величины от времени, значения которых обновляются в реальном времени. На рисунке 23 показана часть лицевой панели с таблицей, а на рисунке 24 – график изменения температуры во времени.

50
Рисунок 23 – Результаты измерений
Рисунок 24 – График изменения температуры во времени
Также производится расчет неопределенности по типу А, типу Б и рас- ширенной неопределенности результатов измерений каждой величины, все ре- зультаты расчетов сохраняются в файл.
Программа останавливается при нажатии кнопки «Стоп».
В приложении А приведена полная лицевая панель.

51
менно. Чтобы решить эту проблему, необходимо было синхронизировать все процессы передачи данных.
Синхронизация между модулями программы производится с помощью функциональных блоков из палитры «Семафор» (Semaphore VIs). Блок Сема- фор используются, чтобы ограничить количество задач, которые могут одно- временно работать на общем (защищенном) ресурсе. Защищенный ресурс или критический участок кода может включать запись в глобальные переменные или связь с внешними устройствами. В частности, эти ВП необходимо исполь- зовать для того, чтобы определенные ВП или части блок-диаграммы ожидали завершения выполнения критических участков другими ВП или частями блок- диаграммы [21].
На рисунке 25 показана упрощенная схема работы блоков палитры «Сема- фор».
Рисунок 25 – Синхронизация между модулями
Блок «Obtain Semaphore Reference» просматривает существующий сема- фор или создает новый семафор и возвращает ссылку. Эту ссылку можно ис- пользовать для вызова других ВП из подпалитры Семафор. Вход размер, в дан-

52
ном случае равный единице, определяет максимальное число задач, которые может одновременно получить семафор.
Блок «Acquire Semaphore» обеспечивает получение доступа к семафору.
Блок «Release Semaphore» закрывает доступ к семафору. Блок «Destroy
Semaphore» ликвидирует определенный семафор.
Рассмотрим подробнее каждый модуль.
3.4.3 Модуль измерения влажности
Внешнее устройство (хост), подключенное к датчику, отправляет сигнал запуска (линия шины данных SDA находится в низком состоянии минимум 800 мкс), после этого DHT22 переходит из спящего режима в высокоскоростной режим.
Хост оповещает о завершении отправки ответного сигнала от DHT22, и сенсор начинает передачу информации о значениях влажности и температуры по шине данных SDA. Данные следуют в следующем порядке: влажность высо- кая, влажность низкая, температура высокая, температура низкая, бит четности.
По окончании сбора данных датчик автоматически переходит в спящий режим до следующего сеанса связи.
Временная диаграмма связи показана на рисунке 26. Подробные харак- теристики сигнала указаны в таблице 12.
Рисунок 26 – Временная диаграмма связи датчика DHT22 в Системе