基于ZigBee与LabVIEW的温湿度检测系统

祁 建 广，　李 宝 营，　李 仁 庆

( 大连工业大学 信息科学与工程学院, 辽宁 大连　116034 )



基于ZigBee与LabVIEW的温湿度检测系统

祁 建 广，李 宝 营，李 仁 庆

( 大连工业大学 信息科学与工程学院, 辽宁 大连116034 )

针对目前温湿度有线检测系统的布线麻烦、成本过高、记录不及时等问题，设计了基于ZigBee与LabVIEW的温湿度检测系统。上位机硬件电路采用超低功耗单片机MSP430和高精度温湿度传感器SHT10连接组成温湿度的检测部分，与无线ZigBee收发器连接;下位机采用National Instruments LabVIEW软件实现无线传输至计算机，以直观的可视化界面显示和操作实现温湿度在线检测。该系统具有测量精度高、响应速度快、超低功耗、移动无线传输、友好的人机交互界面等功能特点。

温湿度检测；ZigBee；LabVIEW；无线传输

0　引　言

检测是人类对研究对象进行测量和试验所需借助的专用工具，也是取得定量信息和定性信息的过程[1]。对温湿度的采集目前较为流行的是采用有线方式实现，缺点是布线麻烦、成本高、功耗大[2]。对于无线方式的检测，由于采用国外技术，价格相对昂贵，所以温湿度检测除了不断提高性能与可靠性外，总体趋势是小型化、轻量化、测量处理一体化、非接触化、智能化。本文采用高精度温湿度传感器、超低功耗MSP430单片机、无线传感器技术和虚拟仪器技术，构成整个系统的数据采集和处理，数据无线传输，数据可视化界面操作和显示，实现微型化、无线化、界面化、低成本的温度、湿度数据检测系统设计。

1　系统总体设计

温湿度检测系统分为硬件和软件两部分。硬件部分的设计是以超低功耗单片机为核心，进行单片机最小系统、温湿度检测模块、电源管理模块和无线传输模块等电路的设计。软件部分的设计采用C语言编程实现检测系统的温湿度数据检测、数据转换处理和无线传输，并采用LabVIEW虚拟仪器软件实现计算机操作与显示功能。系统总体设计如图1所示。

图1　系统总体设计

2　检测系统下位机设计

在温湿度检测系统设计中，MSP430与时钟电路、复位电路、JTAG接口电路及电源接口电路构成MSP430最小系统。MSP430最小系统与高精度温湿度传感器SHT10连接，可组成温湿度数据的检测部分；与无线ZigBee收发器连接，可组成无线传感器网络的温湿度数据无线收发部分[3]。

2.1温湿度传感器接口电路的设计

高精度温湿传感器ST10接口电路如图2所示，其中SHT10供电电压为2.4～5.5 V，单片机输出电压为3.3 V，基本满足SHT10的电压要求。传感器加电后等待11 ms 来越过待机状态。在此期间发送任何指令无效。增加一个100 nF 的电容在电源正负引脚之间，可以用来去耦滤波，使输出的电压更加稳定，传感器的运行也会正常。

图2　SHT10数字温湿度传感器接口电路图

SCL引脚使单片机与SHT10之间同步通信。由于接口包含了完全静态逻辑，因而不存在最小SCL频率。

SDA引脚用于数据的读取。在数据传输期间，在SCL时钟高电平时，SDA必须保持稳定。为避免信号冲突，微处理器应驱动SDA在低电平，外部增加一个上拉电阻将信号拉至高电平。其中，SDA在SCL同步时钟下降沿之后改变状态，SDA的数据输入输出仅在SCL时钟上升沿有效。

2.2温度湿度数据检测的计算

在高精度温湿度传感器SHT10的数据传输中，由于内部自带校验存储器，因此在输出数据后需要程序对输出数值进行转换计算[4]。计算说明及公式如下：

传感器供电电压V=3.3 V时温度输出转换公式为

tr=0.01SOt-39.6

其中，tr为实际温度，℃，SOt为传感器输出温度的数字量数值。

相对湿度输出转换公式为

其中，RHlinear为25 ℃时相对湿度的线性值，SORH为传感器输出相对湿度对应的数字量数值。

2.3射频模块CC2520接口电路的设计

在一套典型的无线传输系统中，无线射频模块CC2520(以下简称CC2520)能与MSP430微控制器以及一些无源组件系统工作。CC2520为各种场合的应用提供了广泛的硬件支持，包括数据包处理、数据缓冲、突发传输、数据加密、数据认证、空闲信道评估、链接质量指示以及数据包计时信息等，从而降低了主控制器上的负载。数据帧是数据无线传送的重要部分，直接与ZigBee协议栈的应用层设置有关[5-6]。

系统中具体使用的数据帧格式如图3所示，1帧共32 B，可以通过帧尾+帧长度判断结束；MAC负载部分设定为10 B，写入实际需传送的数据，高字节优先写入；命令头用于装入各模块的命令；地址位为模块的长/短地址，后两位为网络地址；数据位为传送各个参数,变量与返回值；校验和位为从命令头到备用数据尾确定正确与否；帧尾位为1帧的结束。

图3　数据帧格式

在程序设计中，无线数据帧采用SHT10温湿度数据帧格式进行实际操作。

3　检测系统上位机设计

LabVIEW 软件又称为虚拟仪器(VI)，类似于真实的物理仪器进行操作和显示设计。LabVIEW 拥有全套的显示界面和后台程序设计模板和快捷按钮，用于数据采集、分析、显示和存储数据[7]。

3.1初始化程序框图的设计

由于显示程序设计选择标准有限状态机实现，因此在初始化中采用串口的初始化配置用以检验程序是否异常。如果串口初始化配置出现异常，端口由电脑具体管理设置选择，波特率为38 400 Bd，数据位有8 b，校验位1 b。要发送的数据为&ESH0000001800WD000000000000000*进行初始化检验，若返回的数据中前四位为&ESH，则初始化正确，执行测量程序，初始化程序设计流程图如图4所示。

图4　初始化程序设计流程图

3.2测量程序框图的设计

由于显示程序设计选择标准状态机实现，因此在测量程序中采用串口读写实现数据的输入和输出，并经过数据帧的有效位截取2 B，经过计算公式和数据显示，完成某一常量的显示，测量程序设计流程图如图5所示。

4　结　论

在系统设计过程中，通过对传感部分、处理部分、无线传输部分和计算机显示部分进行设计，基本实现温度、湿度传感器的精确测量，单片机MSP430的低功耗处理，ZigBee无线收发器的准确传输，以及计算机实时操作和显示测量数据。

图5　测量程序设计流程图

在各部分之间进行模块接口的硬件设计和软件程序设计，将传感器模块、超低功耗微控制器、无线射频模块和计算机之间的温度、湿度信息的传输和处理，最终通过虚拟仪器界面的显示和操作完成系统的整个功能。

[1] 孙传友.现代检测技术及仪表[M].北京：高等教育出版社，2006.

[2] 韩成浩,李柏峰,高晓红,等.智能小区温湿度检测系统设计[J].长春理工大学学报(自然科学版),2009，32(3):494-497.

[3] 洪利，章扬，李世宝.MSP430单片机原理与应用实例详解[M].北京：北京航空航天大学出版社，2010.

[4] 张中华,王泽勇,高晓蓉,等.基于SHT10的便携式数显温湿度检测仪的设计[J].现代电子技术,2009(17):137-139.

[5] 高守伟，吴灿阳.ZigBee技术实践教程:基于CC2430/31的无线传感器网络解决方案[M].北京：北京航空航天大学出版社，2009.

[6] 李文仲，段朝玉.ZigBee2007/PRO协议栈学习与实践[M].北京：北京航空航天大学出版社，2009.

[7] 董冬,司颉.基于LabVIEW的温湿度检测系统的设计[J].黑龙江科技信息,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.

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

TP368.1

A

1674-1404(2016)05-0383-03

祁建广,李宝营,李仁庆.基于ZigBee与LabVIEW的温湿度检测系统[J].大连工业大学学报,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.