基于LabVIEW的熱舒適測試系統(tǒng)
[導(dǎo)讀]該系統(tǒng)經(jīng)過長時間的測試，運行穩(wěn)定。實驗結(jié)果表明，通信安全、可靠；計算機得到了實時準(zhǔn)確的測量數(shù)據(jù)；程序?qū)y量數(shù)據(jù)的后期處理功能強大，界面友好美觀，能滿足多數(shù)場合下的熱舒適性測試。不足之處在于傳輸速度不高，傳輸距離不遠，這是受到串口通信的限制。另外，由于系統(tǒng)內(nèi)存大小的限制，實時看到的數(shù)據(jù)量有限，所有測試數(shù)據(jù)必須等測試結(jié)束后打開文本查看。
0 引 言
在暖通空調(diào)領(lǐng)域，隨著測試技術(shù)的發(fā)展及測試要求的不斷提高，一些具有與計算機直接通信功能的高精度溫濕度測試儀表已經(jīng)在科研和工程中被廣泛運用。然而對于整個測試系統(tǒng)而言，單個儀器本身存在一些限制：儀器本身只能顯示某一時間點的數(shù)據(jù)，不能看到參數(shù)的實時變化趨勢；儀器本身缺乏數(shù)據(jù)處理能力，而某些測試場合需要不同測量儀表所測參數(shù)進行計算而得出有利用價值的分析指標(biāo)，比如PMV(預(yù)測平均評價)、PPD(預(yù)測不滿意百分比)；受儀器本身記憶卡內(nèi)存的限制，儀器只能存儲有限量個數(shù)據(jù)。與此同時，各個品牌的儀表與計算機通信的方式不完全相同，有RS 232串行通信、GPIB總線通信等。因此，如何把這些儀表整合到同一個平臺上，開發(fā)一個功能強大的綜合測試系統(tǒng)已成為一個新的工程應(yīng)用方向。
1 室內(nèi)溫濕度測量儀表
本設(shè)計采用一款多功能的室內(nèi)氣流測量儀表，通過選擇不同的探頭，測量溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)壓、風(fēng)量、二氧化碳濃度、濕球溫度、露點溫度及水蒸氣含量等參數(shù)。儀表自身帶有信號輸出功能，通過USB或者RS 232接口可以直接與計算機進行通信。但是在整個測試系統(tǒng)中，還需要與其他測量儀器所測試參數(shù)結(jié)合在一起進行分析，系統(tǒng)軟件LabVIEW就能滿足這個要求。
2 LabVIEW的優(yōu)點與運用
LabVIEW是美國國家儀器公司推出的創(chuàng)新軟件產(chǎn)品，是目前應(yīng)用最廣、發(fā)展最快、功能最強的圖形化軟件開發(fā)集成環(huán)境，被視為一個標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。它既可以通過波形圖像動態(tài)實時地顯示儀器測得的數(shù)據(jù)，又可以實時分析處理波形，顯示數(shù)據(jù)，得到用戶最終需要得到的各種參數(shù)，從而避免等到采集結(jié)束后需要通過其他的軟件來進行數(shù)據(jù)處理的問題。
LabVIEW軟件最大的特點是，可以把不同通信協(xié)議與通信方式的儀器綜合地開發(fā)到同一平臺上，其包含了各種儀器通信總線標(biāo)準(zhǔn)的功能函數(shù)，不僅提供數(shù)百種不同接口測試儀器的驅(qū)動程序，還支持VISA，SCPI和IVI等最新的程序軟件標(biāo)準(zhǔn)，為用戶設(shè)計開發(fā)不同的先進測試系統(tǒng)，提供軟件支持。本設(shè)計通過應(yīng)用Lab-VIEW的VISA節(jié)點，設(shè)計一種USB串口通信程序。
3 熱舒適測試系統(tǒng)
本設(shè)計的目標(biāo)是通過溫濕度、風(fēng)速等測試儀表采集實時數(shù)據(jù)，通過對數(shù)據(jù)的分析計算，得出熱舒適的PMV和PPD，設(shè)計原理如圖1所示。要實現(xiàn)該功能，首先必須解決數(shù)據(jù)采集問題，即儀器與LabVIEW之間的通信程序；其次是要編寫計算PMV與PPD的程序。
3.1 測量儀器與LabVIEW的通信
LabVIEW中的VISA節(jié)點用于串口通信。通過LabVIEW中VISA函數(shù)實現(xiàn)串口初始化、串口寫、讀、檢測并清空緩存、關(guān)閉來實現(xiàn)儀器與LabVIEW通信。在程序運行時，測量儀器設(shè)置為USB連接。程序運行時可以通過循環(huán)間隔時間設(shè)置采集時間間隔。
3.2 數(shù)據(jù)的記錄
通過文件I／O函數(shù)進行采集數(shù)據(jù)的記錄與保存。通過打開、格式化、寫入、關(guān)閉文本來實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的記錄。
3.3 數(shù)據(jù)的在線顯示
通過生成表格和波形圖來顯示在線數(shù)據(jù)。由于電子表格和波形圖輸入必須是數(shù)值，而讀取緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)是字符串，在程序設(shè)計時必須對字符串與數(shù)值進行轉(zhuǎn)換，才能在波形圖中顯示。
3.4 PMV與PPD程序設(shè)計
通過反應(yīng)人體對熱平衡的偏離程度的人體熱負荷得出PMV指標(biāo)，計算公式如下：
式中：M為人體能量代謝率(單位：W／m2)；W為人體所做機械功(單位：W／m2)；Pa為人體周圍水蒸氣分壓力(單位：Pa)；ta為人體周圍空氣溫度(單位：℃)；fcl為服裝面積系數(shù)；tcl為衣服外表面溫度(單位：℃)；tr為平均輻射溫度(單位：℃)；hc為對流換熱系數(shù)(單位：W／(m2·K))；Icl為服裝熱阻(單位：m2·℃／W)；var為平均風(fēng)速(單位：m／s)。
針對以上五個公式，運用LabVIEW編寫PMV，PPD計算程序。由式(2)可知，tcl的計算是一個迭代過程，它通過LabVIEW中While循環(huán)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)；hc，fcl通過條件結(jié)構(gòu)進行判斷，最后將式(2)～式(4)代入式(1)求出PMV。具體程序如圖2所示。
為了驗證程序的正確性，運用Matlab編寫相同的計算程序，與LabVIEW計算結(jié)果比較。通過一天測試的結(jié)果，比較曲線如圖3所示。由圖可看出，不管是變化趨勢，還是各個測試時刻的數(shù)據(jù)點都完全吻合。由此得出，LabVIEW的數(shù)據(jù)后期處理功能強大且穩(wěn)定。
4 結(jié)果與分析
4.1 系統(tǒng)運行結(jié)果
圖4顯示了數(shù)據(jù)采集以及PMV，PPD計算的在線顯示結(jié)果。由采集到的4個參數(shù)rh，ta，v，tr與輸入?yún)?shù)m，CLO一起通過程序運算，得到PMV，PPD結(jié)果。
4.2 系統(tǒng)性能測試結(jié)果與分析
4.2.1 采樣頻率對于測試系統(tǒng)的影響
某些測試系統(tǒng)在工程運用中會出現(xiàn)隨著系統(tǒng)連續(xù)運行時間的延長，而采樣速度越來越慢的情況，直到系統(tǒng)崩潰。這里檢驗采樣頻率對測試系統(tǒng)的影響。本設(shè)計中儀器的最高出樣頻率為10 Hz。實驗中，分別采用10 Hz，8 Hz，4 Hz的采樣頻率對測試系統(tǒng)進行連續(xù)測試，測試結(jié)果如圖5所示。由圖可看出，采樣頻率隨著測試時間的延長，不斷的衰減。采樣頻率越高，衰減的越快，越迅速。當(dāng)以10 Hz采樣時，系統(tǒng)運行不到5 min就開始崩潰；當(dāng)以4 Hz采樣時，系統(tǒng)也只能平均運行30 min。不管是采用高的采樣頻率，還是低的采樣頻率，只要是系統(tǒng)連續(xù)運行，系統(tǒng)早晚都會出現(xiàn)崩潰。因此，可以得出，采樣頻率不是導(dǎo)致測試系統(tǒng)崩潰的原因。
4.2.2 數(shù)據(jù)記錄對于測試系統(tǒng)的影響
測試系統(tǒng)通過創(chuàng)建文件記錄數(shù)據(jù)，波形顯示記錄數(shù)據(jù)，表格顯示記錄數(shù)據(jù)三種方式來記錄數(shù)據(jù)。鑒于上面提到的計算機運行崩潰的問題，在10 Hz的采樣頻率下，分別測試在三種記錄數(shù)據(jù)的情況下計算機的運行情況。圖6表示了以10 Hz的采樣頻率測試時計算機CPU和內(nèi)存的運用情況。從圖中看出，創(chuàng)建文件和波形顯示記錄數(shù)據(jù)時，計算機的運行穩(wěn)定，CPU使用率在7％左右，內(nèi)存占用75 000 KB左右；當(dāng)采用表格記錄數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)一開始運行，計算機的CPU使用率和內(nèi)存占用空間都在不斷升高，直到系統(tǒng)運行到4 min時，CPU的使用率達到100％，系統(tǒng)崩潰。
在4.2.1節(jié)中系統(tǒng)以10 Hz采樣時，采樣頻率也是在第4 min的時候開始衰退，兩者出現(xiàn)的時間點吻合。鑒于上述情況，實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)LabVIEW系統(tǒng)采用內(nèi)置表格記錄數(shù)據(jù)時，記錄的數(shù)據(jù)不斷占用系統(tǒng)內(nèi)存，直至計算機崩潰，最終導(dǎo)致測試系統(tǒng)的崩潰，使得出現(xiàn)采樣頻率持續(xù)衰減的現(xiàn)象。
4.3 測試系統(tǒng)改進與分析
鑒于上述問題的所在，在進行系統(tǒng)改進時，還是采用三種方式記錄數(shù)據(jù)，只是在表格記錄數(shù)據(jù)時，限制表格記錄數(shù)據(jù)的內(nèi)存大小。經(jīng)過改進后的程序以10 Hz的采樣頻率測試，測試結(jié)果如圖7所示。從圖中看出，改進后的測試系統(tǒng)在連續(xù)運行5 h，采樣頻率依然穩(wěn)定，計算機內(nèi)存只是在開始的3 min內(nèi)增加，之后到達一個穩(wěn)定值。CPU的使用率同樣是在開始的3 min內(nèi)有所增加，之后迅速回到7％并保持穩(wěn)定。
5 結(jié)語
該系統(tǒng)經(jīng)過長時間的測試，運行穩(wěn)定。實驗結(jié)果表明，通信安全、可靠；計算機得到了實時準(zhǔn)確的測量數(shù)據(jù)；程序?qū)y量數(shù)據(jù)的后期處理功能強大，界面友好美觀，能滿足多數(shù)場合下的熱舒適性測試。不足之處在于傳輸速度不高，傳輸距離不遠，這是受到串口通信的限制。另外，由于系統(tǒng)內(nèi)存大小的限制，實時看到的數(shù)據(jù)量有限，所有測試數(shù)據(jù)必須等測試結(jié)束后打開文本查看。本設(shè)計為10通道串口通信熱舒適測試系統(tǒng)，至于不是串口通信的測量儀器，只要能提供輸出信號，采樣同樣的方法也能接入到本測試系統(tǒng)中。目前，該系統(tǒng)已經(jīng)運用于小空間熱舒適的測試。然而，現(xiàn)在的實際測試中需要測試幾百，甚至幾千幾萬個點，最終得出整個測試區(qū)域的溫度場、濕度場、濃度場等，進而可以與計算機模擬場進行比較，因此，通過上述研究的方法實現(xiàn)測試點擴張成為后續(xù)需要解決的問題。
在暖通空調(diào)領(lǐng)域，隨著測試技術(shù)的發(fā)展及測試要求的不斷提高，一些具有與計算機直接通信功能的高精度溫濕度測試儀表已經(jīng)在科研和工程中被廣泛運用。然而對于整個測試系統(tǒng)而言，單個儀器本身存在一些限制：儀器本身只能顯示某一時間點的數(shù)據(jù)，不能看到參數(shù)的實時變化趨勢；儀器本身缺乏數(shù)據(jù)處理能力，而某些測試場合需要不同測量儀表所測參數(shù)進行計算而得出有利用價值的分析指標(biāo)，比如PMV(預(yù)測平均評價)、PPD(預(yù)測不滿意百分比)；受儀器本身記憶卡內(nèi)存的限制，儀器只能存儲有限量個數(shù)據(jù)。與此同時，各個品牌的儀表與計算機通信的方式不完全相同，有RS 232串行通信、GPIB總線通信等。因此，如何把這些儀表整合到同一個平臺上，開發(fā)一個功能強大的綜合測試系統(tǒng)已成為一個新的工程應(yīng)用方向。
1 室內(nèi)溫濕度測量儀表
本設(shè)計采用一款多功能的室內(nèi)氣流測量儀表，通過選擇不同的探頭，測量溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)壓、風(fēng)量、二氧化碳濃度、濕球溫度、露點溫度及水蒸氣含量等參數(shù)。儀表自身帶有信號輸出功能，通過USB或者RS 232接口可以直接與計算機進行通信。但是在整個測試系統(tǒng)中，還需要與其他測量儀器所測試參數(shù)結(jié)合在一起進行分析，系統(tǒng)軟件LabVIEW就能滿足這個要求。
2 LabVIEW的優(yōu)點與運用
LabVIEW是美國國家儀器公司推出的創(chuàng)新軟件產(chǎn)品，是目前應(yīng)用最廣、發(fā)展最快、功能最強的圖形化軟件開發(fā)集成環(huán)境，被視為一個標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。它既可以通過波形圖像動態(tài)實時地顯示儀器測得的數(shù)據(jù)，又可以實時分析處理波形，顯示數(shù)據(jù)，得到用戶最終需要得到的各種參數(shù)，從而避免等到采集結(jié)束后需要通過其他的軟件來進行數(shù)據(jù)處理的問題。
LabVIEW軟件最大的特點是，可以把不同通信協(xié)議與通信方式的儀器綜合地開發(fā)到同一平臺上，其包含了各種儀器通信總線標(biāo)準(zhǔn)的功能函數(shù)，不僅提供數(shù)百種不同接口測試儀器的驅(qū)動程序，還支持VISA，SCPI和IVI等最新的程序軟件標(biāo)準(zhǔn)，為用戶設(shè)計開發(fā)不同的先進測試系統(tǒng)，提供軟件支持。本設(shè)計通過應(yīng)用Lab-VIEW的VISA節(jié)點，設(shè)計一種USB串口通信程序。
3 熱舒適測試系統(tǒng)
本設(shè)計的目標(biāo)是通過溫濕度、風(fēng)速等測試儀表采集實時數(shù)據(jù)，通過對數(shù)據(jù)的分析計算，得出熱舒適的PMV和PPD，設(shè)計原理如圖1所示。要實現(xiàn)該功能，首先必須解決數(shù)據(jù)采集問題，即儀器與LabVIEW之間的通信程序；其次是要編寫計算PMV與PPD的程序。
3.1 測量儀器與LabVIEW的通信
LabVIEW中的VISA節(jié)點用于串口通信。通過LabVIEW中VISA函數(shù)實現(xiàn)串口初始化、串口寫、讀、檢測并清空緩存、關(guān)閉來實現(xiàn)儀器與LabVIEW通信。在程序運行時，測量儀器設(shè)置為USB連接。程序運行時可以通過循環(huán)間隔時間設(shè)置采集時間間隔。
3.2 數(shù)據(jù)的記錄
通過文件I／O函數(shù)進行采集數(shù)據(jù)的記錄與保存。通過打開、格式化、寫入、關(guān)閉文本來實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的記錄。
3.3 數(shù)據(jù)的在線顯示
通過生成表格和波形圖來顯示在線數(shù)據(jù)。由于電子表格和波形圖輸入必須是數(shù)值，而讀取緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)是字符串，在程序設(shè)計時必須對字符串與數(shù)值進行轉(zhuǎn)換，才能在波形圖中顯示。
3.4 PMV與PPD程序設(shè)計
通過反應(yīng)人體對熱平衡的偏離程度的人體熱負荷得出PMV指標(biāo)，計算公式如下：
式中：M為人體能量代謝率(單位：W／m2)；W為人體所做機械功(單位：W／m2)；Pa為人體周圍水蒸氣分壓力(單位：Pa)；ta為人體周圍空氣溫度(單位：℃)；fcl為服裝面積系數(shù)；tcl為衣服外表面溫度(單位：℃)；tr為平均輻射溫度(單位：℃)；hc為對流換熱系數(shù)(單位：W／(m2·K))；Icl為服裝熱阻(單位：m2·℃／W)；var為平均風(fēng)速(單位：m／s)。
針對以上五個公式，運用LabVIEW編寫PMV，PPD計算程序。由式(2)可知，tcl的計算是一個迭代過程，它通過LabVIEW中While循環(huán)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)；hc，fcl通過條件結(jié)構(gòu)進行判斷，最后將式(2)～式(4)代入式(1)求出PMV。具體程序如圖2所示。
為了驗證程序的正確性，運用Matlab編寫相同的計算程序，與LabVIEW計算結(jié)果比較。通過一天測試的結(jié)果，比較曲線如圖3所示。由圖可看出，不管是變化趨勢，還是各個測試時刻的數(shù)據(jù)點都完全吻合。由此得出，LabVIEW的數(shù)據(jù)后期處理功能強大且穩(wěn)定。
4 結(jié)果與分析
4.1 系統(tǒng)運行結(jié)果
圖4顯示了數(shù)據(jù)采集以及PMV，PPD計算的在線顯示結(jié)果。由采集到的4個參數(shù)rh，ta，v，tr與輸入?yún)?shù)m，CLO一起通過程序運算，得到PMV，PPD結(jié)果。
4.2 系統(tǒng)性能測試結(jié)果與分析
4.2.1 采樣頻率對于測試系統(tǒng)的影響
某些測試系統(tǒng)在工程運用中會出現(xiàn)隨著系統(tǒng)連續(xù)運行時間的延長，而采樣速度越來越慢的情況，直到系統(tǒng)崩潰。這里檢驗采樣頻率對測試系統(tǒng)的影響。本設(shè)計中儀器的最高出樣頻率為10 Hz。實驗中，分別采用10 Hz，8 Hz，4 Hz的采樣頻率對測試系統(tǒng)進行連續(xù)測試，測試結(jié)果如圖5所示。由圖可看出，采樣頻率隨著測試時間的延長，不斷的衰減。采樣頻率越高，衰減的越快，越迅速。當(dāng)以10 Hz采樣時，系統(tǒng)運行不到5 min就開始崩潰；當(dāng)以4 Hz采樣時，系統(tǒng)也只能平均運行30 min。不管是采用高的采樣頻率，還是低的采樣頻率，只要是系統(tǒng)連續(xù)運行，系統(tǒng)早晚都會出現(xiàn)崩潰。因此，可以得出，采樣頻率不是導(dǎo)致測試系統(tǒng)崩潰的原因。
4.2.2 數(shù)據(jù)記錄對于測試系統(tǒng)的影響
測試系統(tǒng)通過創(chuàng)建文件記錄數(shù)據(jù)，波形顯示記錄數(shù)據(jù)，表格顯示記錄數(shù)據(jù)三種方式來記錄數(shù)據(jù)。鑒于上面提到的計算機運行崩潰的問題，在10 Hz的采樣頻率下，分別測試在三種記錄數(shù)據(jù)的情況下計算機的運行情況。圖6表示了以10 Hz的采樣頻率測試時計算機CPU和內(nèi)存的運用情況。從圖中看出，創(chuàng)建文件和波形顯示記錄數(shù)據(jù)時，計算機的運行穩(wěn)定，CPU使用率在7％左右，內(nèi)存占用75 000 KB左右；當(dāng)采用表格記錄數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)一開始運行，計算機的CPU使用率和內(nèi)存占用空間都在不斷升高，直到系統(tǒng)運行到4 min時，CPU的使用率達到100％，系統(tǒng)崩潰。
在4.2.1節(jié)中系統(tǒng)以10 Hz采樣時，采樣頻率也是在第4 min的時候開始衰退，兩者出現(xiàn)的時間點吻合。鑒于上述情況，實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)LabVIEW系統(tǒng)采用內(nèi)置表格記錄數(shù)據(jù)時，記錄的數(shù)據(jù)不斷占用系統(tǒng)內(nèi)存，直至計算機崩潰，最終導(dǎo)致測試系統(tǒng)的崩潰，使得出現(xiàn)采樣頻率持續(xù)衰減的現(xiàn)象。
4.3 測試系統(tǒng)改進與分析
鑒于上述問題的所在，在進行系統(tǒng)改進時，還是采用三種方式記錄數(shù)據(jù)，只是在表格記錄數(shù)據(jù)時，限制表格記錄數(shù)據(jù)的內(nèi)存大小。經(jīng)過改進后的程序以10 Hz的采樣頻率測試，測試結(jié)果如圖7所示。從圖中看出，改進后的測試系統(tǒng)在連續(xù)運行5 h，采樣頻率依然穩(wěn)定，計算機內(nèi)存只是在開始的3 min內(nèi)增加，之后到達一個穩(wěn)定值。CPU的使用率同樣是在開始的3 min內(nèi)有所增加，之后迅速回到7％并保持穩(wěn)定。
5 結(jié)語
該系統(tǒng)經(jīng)過長時間的測試，運行穩(wěn)定。實驗結(jié)果表明，通信安全、可靠；計算機得到了實時準(zhǔn)確的測量數(shù)據(jù)；程序?qū)y量數(shù)據(jù)的后期處理功能強大，界面友好美觀，能滿足多數(shù)場合下的熱舒適性測試。不足之處在于傳輸速度不高，傳輸距離不遠，這是受到串口通信的限制。另外，由于系統(tǒng)內(nèi)存大小的限制，實時看到的數(shù)據(jù)量有限，所有測試數(shù)據(jù)必須等測試結(jié)束后打開文本查看。本設(shè)計為10通道串口通信熱舒適測試系統(tǒng)，至于不是串口通信的測量儀器，只要能提供輸出信號，采樣同樣的方法也能接入到本測試系統(tǒng)中。目前，該系統(tǒng)已經(jīng)運用于小空間熱舒適的測試。然而，現(xiàn)在的實際測試中需要測試幾百，甚至幾千幾萬個點，最終得出整個測試區(qū)域的溫度場、濕度場、濃度場等，進而可以與計算機模擬場進行比較，因此，通過上述研究的方法實現(xiàn)測試點擴張成為后續(xù)需要解決的問題。
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