利用LabVIEW的熱舒適測試系統(tǒng)方案

隨著測試技術的發(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據，不能看到參數的實時變化趨勢；儀器本身缺乏數據處理能力，而某些測試場合需要不同測量儀表所測參數進行計算而得出有利用價值的分析指標，比如PMV(預測平均評價)、PPD(預測不滿意百分比)；受儀器本身記憶卡內存的限制，儀器只能存儲有限量個數據。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用方向。

1 室內溫濕度測量儀表

本設計采用一款多功能的室內氣流測量儀表，通過選擇不同的探頭，測量溫度、濕度、風速、風壓、風量、二氧化碳濃度、濕球溫度、露點溫度及水蒸氣含量等參數。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結合在一起進行分析，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)新軟件產品，是目前應用最廣、發(fā)展最快、功能最強的圖形化軟件開發(fā)集成環(huán)境，被視為一個標準的數據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據，又可以實時分析處理波形，顯示數據，得到用戶最終需要得到的各種參數，從而避免等到采集結束后需要通過其他的軟件來進行數據處理的問題。

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準的功能函數，不僅提供數百種不同接口測試儀器的驅動程序，還支持VISA，SCPI和IVI等最新的程序軟件標準，為用戶設計開發(fā)不同的先進測試系統(tǒng)，提供軟件支持。本設計通過應用Lab-VIEW的VISA節(jié)點，設計一種USB串口通信程序。

3 熱舒適測試系統(tǒng)

本設計的目標是通過溫濕度、風速等測試儀表采集實時數據，通過對數據的分析計算，得出熱舒適的PMV和PPD，設計原理如圖1所示。要實現該功能，首先必須解決數據采集問題，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函數實現串口初始化、串口寫、讀、檢測并清空緩存、關閉來實現儀器與LabVIEW通信。在程序運行時，測量儀器設置為USB連接。程序運行時可以通過循環(huán)間隔時間設置采集時間間隔。

3.2 數據的記錄

通過文件I／O函數進行采集數據的記錄與保存。通過打開、格式化、寫入、關閉文本來實現采集數據的記錄。

3.3 數據的在線顯示

通過生成表格和波形圖來顯示在線數據。由于電子表格和波形圖輸入必須是數值，而讀取緩沖區(qū)的數據是字符串，在程序設計時必須對字符串與數值進行轉換，才能在波形圖中顯示。

3.4 PMV與PPD程序設計

通過反應人體對熱平衡的偏離程度的人體熱負荷得出PMV指標，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；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(單位：W／(m2·K))；Icl為服裝熱阻(單位：m2·℃／W)；var為平均風速(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)結構實現；hc，fcl通過條件結構進行判斷，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計算結果比較。通過一天測試的結果，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據點都完全吻合。由此得出，LabVIEW的數據后期處理功能強大且穩(wěn)定。


4 結果與分析

4.1 系統(tǒng)運行結果

圖4顯示了數據采集以及PMV，PPD計算的在線顯示結果。由采集到的4個參數rh，ta，v，tr與輸入參數m，CLO一起通過程序運算，得到PMV，PPD結果。


4.2 系統(tǒng)性能測試結果與分析

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。當以10 Hz采樣時，系統(tǒng)運行不到5 min就開始崩潰；當以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)早晚都會出現崩潰。因此，可以得出，采樣頻率不是導致測試系統(tǒng)崩潰的原因。

4.2.2 數據記錄對于測試系統(tǒng)的影響

測試系統(tǒng)通過創(chuàng)建文件記錄數據，波形顯示記錄數據，表格顯示記錄數據三種方式來記錄數據。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據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和內存的運用情況。從圖中看出，創(chuàng)建文件和波形顯示記錄數據時，計算機的運行穩(wěn)定，CPU使用率在7％左右，內存占用75 000 KB左右；當采用表格記錄數據時，系統(tǒng)一開始運行，計算機的CPU使用率和內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，兩者出現的時間點吻合。鑒于上述情況，實驗發(fā)現，當LabVIEW系統(tǒng)采用內置表格記錄數據時，記錄的數據不斷占用系統(tǒng)內存，直至計算機崩潰，最終導致測試系統(tǒng)的崩潰，使得出現采樣頻率持續(xù)衰減的現象。


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據，只是在表格記錄數據時，限制表格記錄數據的內存大小。經過改進后的程序以10 Hz的采樣頻率測試，測試結果如圖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，計算機內存只是在開始的3 min內增加，之后到達一個穩(wěn)定值。CPU的使用率同樣是在開始的3 min內有所增加，之后迅速回到7％并保持穩(wěn)定。

5 結語

該系統(tǒng)經過長時間的測試，運行穩(wěn)定。實驗結果表明，通信安全、可靠；計算機得到了實時準確的測量數據；程序對測量數據的后期處理功能強大，界面友好美觀，能滿足多數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)內存大小的限制，實時看到的數據量有限，所有測試數據必須等測試結束后打開文本查看。本設計為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)已經運用于小空間熱舒適的測試。然而，現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測試點擴張成為后續(xù)需要解決的問題。