祁 建 廣，　李 寶 營，　李 仁 慶

( 大連工業(yè)大學 信息科學與工程學院, 遼寧 大連　116034 )

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基于ZigBee與LabVIEW的溫濕度檢測系統(tǒng)

祁 建 廣，李 寶 營，李 仁 慶

( 大連工業(yè)大學 信息科學與工程學院, 遼寧 大連116034 )

針對目前溫濕度有線檢測系統(tǒng)的布線麻煩、成本過高、記錄不及時等問題，設計了基于ZigBee與LabVIEW的溫濕度檢測系統(tǒng)。上位機硬件電路采用超低功耗單片機MSP430和高精度溫濕度傳感器SHT10連接組成溫濕度的檢測部分，與無線ZigBee收發(fā)器連接;下位機采用National Instruments LabVIEW軟件實現(xiàn)無線傳輸至計算機，以直觀的可視化界面顯示和操作實現(xiàn)溫濕度在線檢測。該系統(tǒng)具有測量精度高、響應速度快、超低功耗、移動無線傳輸、友好的人機交互界面等功能特點。

溫濕度檢測；ZigBee；LabVIEW；無線傳輸

0　引　言

檢測是人類對研究對象進行測量和試驗所需借助的專用工具，也是取得定量信息和定性信息的過程[1]。對溫濕度的采集目前較為流行的是采用有線方式實現(xiàn)，缺點是布線麻煩、成本高、功耗大[2]。對于無線方式的檢測，由于采用國外技術，價格相對昂貴，所以溫濕度檢測除了不斷提高性能與可靠性外，總體趨勢是小型化、輕量化、測量處理一體化、非接觸化、智能化。本文采用高精度溫濕度傳感器、超低功耗MSP430單片機、無線傳感器技術和虛擬儀器技術，構成整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和處理，數(shù)據(jù)無線傳輸，數(shù)據(jù)可視化界面操作和顯示，實現(xiàn)微型化、無線化、界面化、低成本的溫度、濕度數(shù)據(jù)檢測系統(tǒng)設計。

1　系統(tǒng)總體設計

溫濕度檢測系統(tǒng)分為硬件和軟件兩部分。硬件部分的設計是以超低功耗單片機為核心，進行單片機最小系統(tǒng)、溫濕度檢測模塊、電源管理模塊和無線傳輸模塊等電路的設計。軟件部分的設計采用C語言編程實現(xiàn)檢測系統(tǒng)的溫濕度數(shù)據(jù)檢測、數(shù)據(jù)轉換處理和無線傳輸，并采用LabVIEW虛擬儀器軟件實現(xiàn)計算機操作與顯示功能。系統(tǒng)總體設計如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)總體設計

2　檢測系統(tǒng)下位機設計

在溫濕度檢測系統(tǒng)設計中，MSP430與時鐘電路、復位電路、JTAG接口電路及電源接口電路構成MSP430最小系統(tǒng)。MSP430最小系統(tǒng)與高精度溫濕度傳感器SHT10連接，可組成溫濕度數(shù)據(jù)的檢測部分；與無線ZigBee收發(fā)器連接，可組成無線傳感器網(wǎng)絡的溫濕度數(shù)據(jù)無線收發(fā)部分[3]。

2.1溫濕度傳感器接口電路的設計

高精度溫濕傳感器ST10接口電路如圖2所示，其中SHT10供電電壓為2.4～5.5 V，單片機輸出電壓為3.3 V，基本滿足SHT10的電壓要求。傳感器加電后等待11 ms 來越過待機狀態(tài)。在此期間發(fā)送任何指令無效。增加一個100 nF 的電容在電源正負引腳之間，可以用來去耦濾波，使輸出的電壓更加穩(wěn)定，傳感器的運行也會正常。

圖2　SHT10數(shù)字溫濕度傳感器接口電路圖

SCL引腳使單片機與SHT10之間同步通信。由于接口包含了完全靜態(tài)邏輯，因而不存在最小SCL頻率。

SDA引腳用于數(shù)據(jù)的讀取。在數(shù)據(jù)傳輸期間，在SCL時鐘高電平時，SDA必須保持穩(wěn)定。為避免信號沖突，微處理器應驅動SDA在低電平，外部增加一個上拉電阻將信號拉至高電平。其中，SDA在SCL同步時鐘下降沿之后改變狀態(tài)，SDA的數(shù)據(jù)輸入輸出僅在SCL時鐘上升沿有效。

2.2溫度濕度數(shù)據(jù)檢測的計算

在高精度溫濕度傳感器SHT10的數(shù)據(jù)傳輸中，由于內(nèi)部自帶校驗存儲器，因此在輸出數(shù)據(jù)后需要程序對輸出數(shù)值進行轉換計算[4]。計算說明及公式如下：

傳感器供電電壓V=3.3 V時溫度輸出轉換公式為

tr=0.01SOt-39.6

其中，tr為實際溫度，℃，SOt為傳感器輸出溫度的數(shù)字量數(shù)值。

相對濕度輸出轉換公式為

其中，RHlinear為25 ℃時相對濕度的線性值，SORH為傳感器輸出相對濕度對應的數(shù)字量數(shù)值。

2.3射頻模塊CC2520接口電路的設計

在一套典型的無線傳輸系統(tǒng)中，無線射頻模塊CC2520(以下簡稱CC2520)能與MSP430微控制器以及一些無源組件系統(tǒng)工作。CC2520為各種場合的應用提供了廣泛的硬件支持，包括數(shù)據(jù)包處理、數(shù)據(jù)緩沖、突發(fā)傳輸、數(shù)據(jù)加密、數(shù)據(jù)認證、空閑信道評估、鏈接質(zhì)量指示以及數(shù)據(jù)包計時信息等，從而降低了主控制器上的負載。數(shù)據(jù)幀是數(shù)據(jù)無線傳送的重要部分，直接與ZigBee協(xié)議棧的應用層設置有關[5-6]。

系統(tǒng)中具體使用的數(shù)據(jù)幀格式如圖3所示，1幀共32 B，可以通過幀尾+幀長度判斷結束；MAC負載部分設定為10 B，寫入實際需傳送的數(shù)據(jù)，高字節(jié)優(yōu)先寫入；命令頭用于裝入各模塊的命令；地址位為模塊的長/短地址，后兩位為網(wǎng)絡地址；數(shù)據(jù)位為傳送各個參數(shù),變量與返回值；校驗和位為從命令頭到備用數(shù)據(jù)尾確定正確與否；幀尾位為1幀的結束。

圖3　數(shù)據(jù)幀格式

在程序設計中，無線數(shù)據(jù)幀采用SHT10溫濕度數(shù)據(jù)幀格式進行實際操作。

3　檢測系統(tǒng)上位機設計

LabVIEW 軟件又稱為虛擬儀器(VI)，類似于真實的物理儀器進行操作和顯示設計。LabVIEW 擁有全套的顯示界面和后臺程序設計模板和快捷按鈕，用于數(shù)據(jù)采集、分析、顯示和存儲數(shù)據(jù)[7]。

3.1初始化程序框圖的設計

由于顯示程序設計選擇標準有限狀態(tài)機實現(xiàn)，因此在初始化中采用串口的初始化配置用以檢驗程序是否異常。如果串口初始化配置出現(xiàn)異常，端口由電腦具體管理設置選擇，波特率為38 400 Bd，數(shù)據(jù)位有8 b，校驗位1 b。要發(fā)送的數(shù)據(jù)為&ESH0000001800WD000000000000000*進行初始化檢驗，若返回的數(shù)據(jù)中前四位為&ESH，則初始化正確，執(zhí)行測量程序，初始化程序設計流程圖如圖4所示。

圖4　初始化程序設計流程圖

3.2測量程序框圖的設計

由于顯示程序設計選擇標準狀態(tài)機實現(xiàn)，因此在測量程序中采用串口讀寫實現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入和輸出，并經(jīng)過數(shù)據(jù)幀的有效位截取2 B，經(jīng)過計算公式和數(shù)據(jù)顯示，完成某一常量的顯示，測量程序設計流程圖如圖5所示。

4　結　論

在系統(tǒng)設計過程中，通過對傳感部分、處理部分、無線傳輸部分和計算機顯示部分進行設計，基本實現(xiàn)溫度、濕度傳感器的精確測量，單片機MSP430的低功耗處理，ZigBee無線收發(fā)器的準確傳輸，以及計算機實時操作和顯示測量數(shù)據(jù)。

圖5　測量程序設計流程圖

在各部分之間進行模塊接口的硬件設計和軟件程序設計，將傳感器模塊、超低功耗微控制器、無線射頻模塊和計算機之間的溫度、濕度信息的傳輸和處理，最終通過虛擬儀器界面的顯示和操作完成系統(tǒng)的整個功能。

[1] 孫傳友.現(xiàn)代檢測技術及儀表[M].北京：高等教育出版社，2006.

[2] 韓成浩,李柏峰,高曉紅,等.智能小區(qū)溫濕度檢測系統(tǒng)設計[J].長春理工大學學報(自然科學版),2009，32(3):494-497.

[3] 洪利，章?lián)P，李世寶.MSP430單片機原理與應用實例詳解[M].北京：北京航空航天大學出版社，2010.

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[7] 董冬,司頡.基于LabVIEW的溫濕度檢測系統(tǒng)的設計[J].黑龍江科技信息,2010(33):5-6.

Development of temperature and humidity detection system based on ZigBee and LabVIEW

QIJianguang,LIBaoying,LIRenqing

( School of Information Science and Engineering, Dalian Polytechnic University, Dalian 116034, China )

ThedetectionsystembasedonZigBeeandLabVIEWwasdesignedtoovercometheproblemssuchaswiringtrouble,highcost,notimelyrecording.ThehardwarecircuitofuppercomputercomposedoflowpowerconsumptionMCUMSP430andhighprecisiontemperaturehumiditysensorSHT10,andconnectwithwirelesstransceiverZigBee.ThelowermachineusedNationalInstrumentsLabVIEWforwirelesstransmissiontodisplayandachievetemperatureandhumiditydetection.Thesystemcouldrealizetemperatureandhumiditydetectionmeasurementwithhighaccuracy,fastresponsespeed,lowpower,wirelesstransmission,interactiveinterfacedesignandotherfunctions.

detection of temperature and humidity; ZigBee; LabVIEW; wireless transmission

2015-04-10.

祁建廣(1977-),男,講師,E-mail:qijg@dlpu.edu.cn.

TP368.1

A

1674-1404(2016)05-0383-03

祁建廣,李寶營,李仁慶.基于ZigBee與LabVIEW的溫濕度檢測系統(tǒng)[J].大連工業(yè)大學學報,2016,35(5):383-385.

QI Jianguang, LI Baoying, LI Renqing. Development of temperature and humidity detection system based on ZigBee and LabVIEW[J]. Journal of Dalian Polytechnic University, 2016, 35(5): 383-385.