基于ZigBee和LabVIEW的多地无线温湿度监测系统设计

史艳红，张玉杰

(1.中国民航大学航空自动化学院，天津300300;2.天津航新航空科技有限公司，天津 300300)

温湿度是工业生产中的重要参数，对保证产品加工质量和安全生产具有重要作用。很多情况下需要知晓生产加工区域多地点的温湿度参数，以便对其实施有效控制。传统的测量基本是在现场放置温度计和湿度计，工作人员要经常地、频繁地前去查看、记录数据并分析决策，显然这种方法已经不适合现代化工业技术的要求，效率低且占用人工资源，且不适用人员不适合进入的生产环境场合。所以有必要开发能够在现场和远程控制室自动实时监测多地环境温湿度参数的装置系统。

如今计算机技术和通信技术的不断发展、单片机技术的广泛应用，以及无线数据传输技术如蓝牙技术、ZigBee通信协议、无线WiFi等和基于虚拟仪器的仪器仪表技术的日新月异，为上述问题的解决提供了新方法新途径。基于此，文中提出了基于ZigBee和LabVIEW技术的多地无线温湿度监测系统方案，实现多地的现场温湿度数据测量。在本地显示和报警同时，通过各监测点ZigBee无线数据发送模块送出测量数据，远程控制室的ZigBee无线数据接收模块接收数据后，通过串口通信传输至监控PC机，在监控PC机利用LabVIEW设计的监测界面，实现远程温湿度监测和报警。实验结果表明:系统能准确同步实现现场的、远程的多地温湿度参数设置、监测和报警，运行稳定可靠。

1 系统总体结构设计

温湿度监测系统总体结构如图1所示。

图1 监测系统总体结构

系统由现场的多地温湿度测量与显示、无线数据发送和位于监控室的无线数据接收、基于LabVIEW的PC机监测界面系统两部分组成，现场的温湿度测量和显示采用单片机技术实现，现场与主控室的远距离无线数据通信采用ZigBee网络技术，在PC机实现温湿度的参数设置与显示、温湿度超限报警等功能。

2 温湿度测量与数据传输设计

现场温湿度测量、显示与通信的硬件设计框图如图2所示。选用了STC89C52RC单片机作为现场处理器，外围硬件包括电源电路、单片机时钟和复位电路、温湿度传感器、LCD1602液晶显示电路和无线数据发送模块电路等。

图2 现场温湿度测量硬件设计框图

该部分主要实现如下功能:(1)温湿度采集。依据温湿度传感器工作特征，采集温湿度数据;(2)温湿度显示与报警。将采集的温湿度数据送LCD1602显示与灯光报警;(3)无线数据通信。以固定的时间间隔发送采集的温湿度数据。这里重点介绍数据的采集与传输。

2.1 现场温湿度采集

从方案设计角度出发，温湿度传感器选用了应用比较广泛的DHT11型数字温湿度传感。它是一种带有已校准过的并能以数字信号输出的数字式温湿度复合传感器，采用单线制的串行接口，与单片机的连接如图3所示。

图3 DHT11与单片机的连接

DHT11的DATA管脚与单片机进行同步及通信，每次通信的时间4 ms左右。单片机先发送开始信号，DHT11收到信号后，工作模式由低功耗模式开始转为高速模式。检测到主机的开始信号结束后，DHT11便会发送40 b数据的响应信号，同时触发采集温湿度的信号。采集完数据后DHT11又转回低功耗模式。总线在空闲状态为高电平，工作时主机需先把总线拉低，等待DHT11响应，总线拉低的时间必须大于18 ms。主机发送的开始信号结束后，DHT11会发送80 ms的低电平响应信号，同时主机等待20～40 ms后，开始读取DHT11的响应信号。单片机接收一次DHT11采集的数据子函数如下:

2.2 温湿度数据无线传输

2.2.1 无线传输模块选型与连接

ZigBee无线通信技术适用于环境固定且对传输品质要求较高的应用中，主要应用场合有无线厂房、网络社区、物联网网络等，且在传输距离方面具有一定的优势，如开阔地可达1 600 m。

要想建立起一个ZigBee无线通信网络，需要很多个像移动通信基站一样的ZigBee模块。此设计采用的ZigBee模块是由鼎泰克电子公司 (DTK ELECTRONICS)开发的DRF1605H，可以实现由串口转ZigBee无线数据透明传输的功能。DRF1605H不能直接使用，需要一个最小工作系统，提供电源、复位的一些功能。最小系统的具体电路以及与单片机的连接电路如图4所示。如此，单片机可将测量得到的温湿度数据无线发送。

图4 DRF1605H与单片机的连接

2.2.2 ZigBee模块组网

DRF1605H模块可以设置为两种节点类型:一种是主节点Coordinator，另一种是从节点Router。建立一个完整的ZigBee网络，需要有一个主节点Coordinator和n个从节点Router。主节点Coordinator用来创建一个ZigBee网络，并负责给后续加入网络的其他节点分配地址。从节点Router又称ZigBee多功能节点，既能收发数据又可以转发数据，有路由的功能，另外作为一个数据节点时还可以保持网络，.给后续加入的其他节点分配地址。同一个网络内的所有节点要有统一的无线电频道值和网络ID。完成组网后的网状网络如图5所示。

图5 ZigBee网状网络

DRF1605H主要有两种数据传输的方式:一种是数据的透明传输方式，即Coordinator点会自动把从串口接收的数据发送给每个模块节点，某个节点收到串口的数据时，也会自动发给Coordinator，简单地讲可以用一个Coordinator节点和一个Router节点当作一根串口线来使用;另一种是点对点的数据传输方式。只要传输的首个字节不是0xFE、0xFD、0xFC，网络就会自动进行数据的透明传输方式。此设计采用数据透明传输方式。

DRF1605H模块出厂默认设置为Router节点型，PAN ID=0x199B，无线电频道为22即频率2.4 GHz，串口速率设置为38 400 b/s(可选9 600、19 200、57 600、115 200 b/s)。在进行串行通信时，首先设置串行通信的工作方式、波特率等参数。此设计中串行通信选择方式1，波特率选择9 600，串行通信子程序如下:

串口发送数据时，按字节进行发送，发送一个字节的子函数如下:

2.2.3 ZigBee接收模块与计算机连接

ZigBee完成组网后，其接收节点需要把接收到的数据传给计算机，传输时使用 RS232串口线。DRF1605H模块的RX/TX不能与串口线的TX/RX直接相连，需要一个电平转换电路。采用SP3232芯片实现电平转换，转换电路如图6所示。DRF1605H可以直接驱动SP3232芯片，SP3232芯片电源是3.3 V。

图6 ZigBee模块与RS232连接电路

3 基于LabVIEW的上位PC机监测设计

基于LabVIEW的上位机监测程序主要实现如下功能:(1)串口通信。通过串口通信接收无线数据接收模块传输的温湿度测量值;(2)温湿度显示。识别各地的温湿度测量值，分别送温湿度显示框和波形图显示;(3)温湿度超限报警。当温湿度测量值超限时，点亮报警灯;(4)报警温湿度设置。设置温湿度报警值。

3.1 LabVIEW串行通信

通过串行通信，LabVIEW接收无线数据接收模块传输的温湿度测量值。LabVIEW的串行通信采用的是仪器编程标准出入输出API-VISA。VISA本身没有编程功能，只是LabVIEW仪器驱动VI中的底层函数，用来与驱动软件进行通信。VISA能够根据所用仪器的类型，调用合适的驱动程序，可以控制串口、VXI、GPIB或者是基于计算机的仪器。

3.2 监控界面前面板及程序框图

上位监控界面可显示多个监测点的温湿度值，设置温湿度报警范围，自动判断测得的温湿度值是否超限，超限后能够自动发出报警信号，如报警指示灯等。

基于LabVIEW的监控界面如图7所示。界面主要分为3部分:第一部分如图7左侧，用来选择串口号、波特率以及输入温湿度限定值;第二部分如图7中部，是报警指示灯及总开关;第三部分如图7右侧是各个监测点的温湿度实时波形图。图中的温湿度实时波形图只设计了两个监测点的波形图，可以根据实际需要添加更多的监测点，原理方法都是一样的。

图7 前面板监控界面

4 结束语

提出一种基于ZigBee和LabVIEW技术的多地无线温湿度监测系统方案。系统由以STC89C52RC单片机、ZigBee无线数据收发模块为核心构成的温湿度测量显示报警和无线数据通信以及基于LabVIEW的上位监测界面与程序组成，ZigBee无线数据收发模块与监控PC机、单片机MCU间采用串行通信。通过两点的远距离温湿度测量实验结果表明:系统能准确同步实现现场的、远程的多地温湿度参数设置、监测与报警，网络通信稳定可靠，验证了方案的正确性、合理和可行性。

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