王 瑜

(西安航空學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710077)

基于Labwindows/CVI的無線多路溫濕度測控系統(tǒng)研究

王 瑜

(西安航空學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710077)

溫濕度是人們生產(chǎn)生活中重要的物理量，多路溫濕度的遠(yuǎn)程測控應(yīng)用十分廣泛。無線多路溫濕度測控系統(tǒng)利用Labwindows/CVI 2012開發(fā)平臺，以C8051F350單片機(jī)為數(shù)據(jù)采集控制芯片，通過ESP8266無線WiFi模塊將3個DHT11溫濕度傳感器采集的3路數(shù)據(jù)送往上位機(jī)，上位機(jī)對3路溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并通過6路繼電器模塊對負(fù)載進(jìn)行控制。系統(tǒng)具有對3路溫濕度進(jìn)行檢測、無線傳輸、控制、存儲等功能。

Labwindows/CVI；無線；溫濕度；測控系統(tǒng)

0 引言

在人們的日常生產(chǎn)生活中，需要對溫濕度進(jìn)行測控的場合很多，如糧倉、儲存水果的冷庫、溫室等。隨著科技和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，對溫濕度測控系統(tǒng)的自動化程度和數(shù)據(jù)傳輸距離的要求不斷提高。各種數(shù)據(jù)測控系統(tǒng)，特別是無線數(shù)據(jù)測控系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，其中，無線溫濕度測控系統(tǒng)就是一種非常具有代表性的無線測控系統(tǒng)，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科研實(shí)踐中具有很高的使用價值[1]。

本文結(jié)合ESP8266 WiFi模塊的無線多路溫濕度測控系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一種以C8051F350為數(shù)據(jù)采集控制芯片，基于Labwindows/CVI的開發(fā)平臺。

Cygnal公司生產(chǎn)的高速、高性能混合信號處理單片機(jī)C8051F350，除了具有標(biāo)準(zhǔn)8052單片機(jī)的數(shù)字控制部件之外，片內(nèi)還集成了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬部件和其它數(shù)字外設(shè)及功能部件，包括模擬多路選擇器、可編程增益放大器、ADC、DAC、電壓比較器、電壓基準(zhǔn)等[2]，系統(tǒng)的成本低，并且減少了硬件電路的設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)選用ESP8266芯片，是一款專門針對無線連接的需求而開發(fā)，既能獨(dú)立運(yùn)行，也可作為slave搭載于其他Host運(yùn)行。ESP8266性能穩(wěn)定、體積小、支持完善簡潔高效的AT指令，提供AP、STA和AP+STA共存三種模式[3]。本文將ESP8266模塊設(shè)置為Station模式，結(jié)合Labwindows/CVI 2012和C8051F350單片機(jī)，將DHT11溫濕度傳感器采集的3路溫濕度數(shù)據(jù)，通過ESP8266模塊和局域網(wǎng)中的計(jì)算機(jī)通信，并利用計(jì)算機(jī)中安裝的上位機(jī)軟件控制三臺風(fēng)扇和三臺加濕器工作，實(shí)現(xiàn)了多路溫濕度的無線遠(yuǎn)程測控。

1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理

無線多路溫濕度測控系統(tǒng)由控制器模塊C8051F350、穩(wěn)壓電源模塊、ESP8266無線WiFi模塊、3路溫濕度傳感器模塊DHT11、6路繼電器模塊、上位機(jī)、三臺風(fēng)扇模塊和三臺加濕器模塊組成。穩(wěn)壓電源模塊給整個系統(tǒng)供電，3路溫濕度傳感器DHT11采集溫濕度信號，將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號送入控制器模塊C8051F350，ESP8266無線WiFi模塊與局域網(wǎng)的路由器連接，安裝有上位機(jī)軟件的計(jì)算機(jī)作為服務(wù)器，控制器模塊C8051F350按照上位機(jī)發(fā)送的命令，控制6路繼電器模塊，實(shí)現(xiàn)溫濕度數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程無線傳輸和三臺風(fēng)扇、三臺加濕器的遠(yuǎn)程無線控制。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 3路溫濕度檢測電路

本系統(tǒng)采用3個溫濕度傳感器DHT11，分別采集3個地點(diǎn)的溫濕度數(shù)據(jù)。DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，利用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感器技術(shù)，確保產(chǎn)品的可靠性和長期穩(wěn)定性。傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，并能與一個高性能8位單片機(jī)相連[4]。3路溫濕度檢測電路如圖2所示。

本系統(tǒng)中，3路溫濕度傳感器DHT11的Dout引腳分別與C8051F350的IO口P00、P10和P11連接，將溫濕度信號送入C8051F350單片機(jī)，3路DHT11的VCC引腳接電源，3路DHT11的NC引腳懸空，3路DHT11的GND引腳接地。

2.2 ESP8266無線WiFi模塊及電源電路

ESP8266無線WiFi模塊及電源電路如圖3所示。

圖3 ESP8266無線WiFi模塊及電源電路

ESP8266系列芯片是樂鑫信息科技在2015年推出的WiFi芯片，該芯片是實(shí)現(xiàn)WiFi遠(yuǎn)程控制的一種選擇。ESP8266支持softAP、station、softAP+station共存三種模式[5]。本文采用station模式，即把ESP8266模塊當(dāng)作一個客戶機(jī)，進(jìn)行TCP連接，從而實(shí)現(xiàn)溫濕度數(shù)據(jù)、控制命令的發(fā)送和接收。本系統(tǒng)采用ASM1117芯片和電阻R4、R5及電容C1、C2、C3產(chǎn)生3.3V電源信號，3.3V電源接ESP8266模塊的VCC引腳，ESP8266的CH_PD引腳通過1K電阻接VCC引腳，ESP8266的GND引腳接地，ESP8266的UTXD引腳接C8051F350的P05引腳，ESP8266的URXD引腳接C8051F350的P04引腳，ESP8266的GPIO2、RST和GPIO0懸空。

2.3 6路繼電器控制電路

本系統(tǒng)采用C8051F350控制6路繼電器，從而控制三個地點(diǎn)的三臺風(fēng)扇和三臺加濕器，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的溫度和濕度。6路繼電器控制電路如圖4所示。

圖4 6路繼電器控制電路

C8051F350的P12-P17共6個IO接口，分別通過200歐姆電阻與三極管基極連接，控制6個繼電器的線圈，從而通過繼電器的觸頭實(shí)現(xiàn)對三臺風(fēng)扇和三臺加濕器的控制，使溫度和濕度保持在設(shè)定值范圍。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

Labwindows/CVI作為一種以ANSI C為核心的交互式虛擬儀器開發(fā)環(huán)境，在無損檢測、電力儀表系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、流程控制系統(tǒng)、故障診斷等領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用[6]。本系統(tǒng)上位機(jī)利用Labwindows/CVI 2012軟件平臺開發(fā)，上位機(jī)界面如圖5所示。

上位機(jī)界面主要由兩個部分組成：TCP服務(wù)器-客戶機(jī)部分和3路溫濕度數(shù)據(jù)測控部分。在TCP服務(wù)器-客戶機(jī)部分中的端口號控件中輸入端口號，點(diǎn)擊“連接”按鈕，創(chuàng)建TCP服務(wù)器，如果TCP服務(wù)器創(chuàng)建成功，命令按鈕“連接”變成灰色，與命令按鈕“斷開”形成互鎖控制，TCP服務(wù)器指示燈控件變成紅色，并在服務(wù)器IP和服務(wù)器名控件中顯示創(chuàng)建TCP服務(wù)器的IP地址和用戶名。當(dāng)有客戶機(jī)連接到TCP服務(wù)器時，客戶機(jī)指示燈變成紅色，并在客戶機(jī)IP控件中顯示連接TCP服務(wù)器的客戶機(jī)的IP地址。

圖5 上位機(jī)界面

3路溫濕度數(shù)據(jù)測控部分主要完成設(shè)置3路溫濕度數(shù)據(jù)的設(shè)定值、顯示實(shí)際值、數(shù)據(jù)存儲和對三臺風(fēng)扇和三臺加濕器的控制。在各路溫度的“設(shè)定值”控件中輸入各路溫度的設(shè)定值，點(diǎn)擊“確定”按鈕，完成設(shè)置3路溫濕度數(shù)據(jù)設(shè)定值。點(diǎn)擊“開始”按鈕，在各路溫度的“實(shí)際值”控件中顯示當(dāng)前各路DHT11溫濕度傳感器采集到的溫度的實(shí)際值，在各路濕度的“實(shí)際值”控件中顯示當(dāng)前各路DHT11溫濕度傳感器采集到的濕度的實(shí)際值。當(dāng)各路溫度的實(shí)際值大于設(shè)定值時，通過繼電器控制風(fēng)扇運(yùn)行，并使各路風(fēng)扇指示燈控件變成綠色；當(dāng)各路濕度的實(shí)際值小于設(shè)定值時，通過繼電器控制加濕器運(yùn)行，并使各路加濕器指示燈控件變成綠色。點(diǎn)擊“停止”按鈕，通過繼電器控制三臺風(fēng)扇和三臺加濕器停止運(yùn)行，點(diǎn)擊“存儲”按鈕，將3路溫濕度數(shù)據(jù)的當(dāng)前值保存到文檔中，便于后續(xù)分析。上位機(jī)作為服務(wù)器的軟件流程如圖6所示。

圖6 上位機(jī)作為服務(wù)器的軟件流程圖

首先獲取服務(wù)器的端口號，注冊服務(wù)器，如果服務(wù)器注冊成功，獲取服務(wù)器的IP地址和用戶名。接著判斷是否有客戶機(jī)連接，如果有客戶機(jī)連接到服務(wù)器，則獲取客戶機(jī)的IP地址，判斷檢測第幾路溫濕度數(shù)據(jù)，如果檢測第1路(第2路或第3路)溫濕度數(shù)據(jù)，則通過WiFi向客戶機(jī)發(fā)送命令，并通過WiFi從客戶機(jī)讀取第1路(第2路或第3路)溫濕度數(shù)據(jù)，判斷是否第1路(第2路或第3路)濕度小于設(shè)定值或溫度大于設(shè)定值，如果是，則通過WiFi向客戶機(jī)發(fā)送繼電器模塊1或2(3或4、5或6)控制命令。

3.2 C8051F350控制器模塊軟件設(shè)計(jì)

結(jié)合Keil C軟件平臺設(shè)計(jì)，測控系統(tǒng)采用C8051F350單片機(jī)作為控制器模塊?？刂破髂K軟件主要由三部分組成：DHT11溫濕度檢測部分、ESP8266數(shù)據(jù)通信部分和6路繼電器控制部分。DHT11器件采用簡化的單總線通信，單總線即只有一根數(shù)據(jù)線，系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)交換、控制均由單總線完成。C8051F350單片機(jī)發(fā)送一次開始信號后，DHT11從低功耗模式轉(zhuǎn)換到高速模式，待C8051F350開始信號結(jié)束后，DHT11發(fā)送響應(yīng)信號，送出40bit的數(shù)據(jù)，并觸發(fā)一次采集[7]。C8051F350單片機(jī)作為客戶機(jī)的軟件流程如圖7所示。

圖7 C8051F350單片機(jī)作為客戶機(jī)的軟件流程圖

首先，使用AT+CWMODE=1命令設(shè)置ESP8266 WiFi模式為station，獲取服務(wù)器的端口號及IP地址，使用AT+CWJAP=“路由器用戶名”，“路由器密碼”命令使ESP8266連接到局域網(wǎng)路由器。然后，使用AT+CIPSTART=“TCP”，“aa.aa.aa.aa”,cccc命令使ESP8266作為客戶機(jī)連接到服務(wù)器[8]，如果連接成功，獲取服務(wù)器的IP地址和用戶名。C8051F350再通過ESP8266無線WiFi模塊接收上位機(jī)的命令，如果收到“采集第1路(第2路或第3路)數(shù)據(jù)”命令，C8051F350通過DHT11采集第1路(第2路或第3路)溫濕度數(shù)據(jù)，通過WiFi將第1路(第2路或第3路)溫濕度數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)，接著判斷是否接收到上位機(jī)控制命令。如果接收到控制命令，C8051F350根據(jù)命令控制繼電器模塊1打開加濕器1，或控制繼電器模塊2打開風(fēng)扇1，或C8051F350根據(jù)命令控制繼電器模塊3打開加濕器2，或控制繼電器模塊4打開風(fēng)扇2，或C8051F350根據(jù)命令控制繼電器模塊5打開加濕器3，或控制繼電器模塊6打開風(fēng)扇3。

4 結(jié)語

本文以C8051F350單片機(jī)為數(shù)據(jù)采集控制芯片，以Labwindows/CVI 2012作為上位機(jī)軟件開發(fā)平臺，設(shè)計(jì)了一種基于Labwindows/CVI的無線多路溫濕度測控系統(tǒng)。通過ESP8266無線WiFi模塊將C8051F350單片機(jī)采集到的3路溫濕度數(shù)據(jù)送往上位機(jī)，充分發(fā)揮了C8051F350數(shù)據(jù)采集優(yōu)勢、ESP8266無線通信優(yōu)勢以及Labwindows/CVI庫函數(shù)豐富優(yōu)勢。系統(tǒng)具有對3路溫濕度數(shù)據(jù)的采集、無線傳輸、控制和存儲等功能，而且溫度和濕度可以根據(jù)需要設(shè)定，能夠滿足絕大多數(shù)場合對溫濕度的需求。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)穩(wěn)定性強(qiáng)，濕度的控制范圍：32-74%RH，溫度的控制范圍：18-31℃。濕度誤差小于±5%RH，溫度誤差小于±2℃，非常適合在科學(xué)實(shí)驗(yàn)室、機(jī)房、高精度數(shù)控機(jī)床車間以及養(yǎng)殖、種植等場合應(yīng)用。

[1] 劉承橋,張耀南,馮克庭,等.MSP430F149的無線溫濕度環(huán)境實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2015,15(5):61-64.

[2] 劉鵬程,樓然苗.基于單片機(jī)的液晶觸摸屏的設(shè)計(jì)[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用,2015,10(5):140-141.

[3] 孫靜,徐奕,何瀟.基于移動客戶端的智能教室光溫?zé)o線控制系統(tǒng)[J].電子技術(shù)與軟件工程,2015,73(12):32-33.

[4] 王登宏,厲佳男,賀雪輝,等.基于Arduino的手機(jī)同步顯示溫濕度檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī),2016,29(7):42-45.

[5] 曹振民,陳年生,馬強(qiáng),等.基于ESP8266的無線控制電路設(shè)計(jì)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī),2017,30(1):68-69.

[6] 胡錦超,趙祥模,王潤民,等.基于LabWindows/CVI的光電三極管虛擬測試儀設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測量與控制，2016，24(5):287-290.

[7] 溫濕度模塊DHT11產(chǎn)品手冊[EB/OL].(2016-03-30)[2017-04-20].http://pan.baidu.com/s/1cDhcAi.

[8] ESP8266 AT Command Examples[EB/OL].(2016-07-27)[2017-04-20].http://www.espressif.com/en/support/download/documents.

[責(zé)任編輯、校對：東 艷]

Multi-Channel Wireless Measurement and Control System of Temperature and Humidity Based on Labwindows/CVI

WANGYu

(School of Mechanical Engineering,Xi′an Aeronautical Institute,Xi′an 710077,China)

Temperature and humidity are important physical quantities in production and daily life.The multi-channel remote measurement and control of temperature and humidity are used extensively.Labwindows/CVI 2012 is used as the developing platform of the multi-channel wireless measurement and control system of temperature and humidity,and C8051F350 microcontroller is used as the data acquisition and control chip.Data collected from three temperature and humidity sensors DHT11 are sent to host computer through ESP8266 wireless WiFi module.The host computer can process the data of three temperature and humidity,and control load by six channel relay module.This system is mainly composed of the following five parts:host computer,C8051F350 controller module,and temperature and humidity sensors module,WiFi module and relay module.The system is designed with the functions such as data acquisition,wireless transmission,control and storage of three channel temperature and humidity.

Labwindows/CVI;wireless;temperature and humidity;measurement and control system

2017-04-07

王瑜(1981-)，女，江蘇徐州人，講師，主要從事機(jī)電一體化技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用、圖像處理等方面的研究。

TP273

A

1008-9233(2017)03-0050-06