基于LabVIEW的ZigBee多区域无线温湿度采集系统

陈可飞，方赛银，李 明

(1.西南林业大学 机械与交通学院，云南 昆明 650224；2.安徽工程大学 高端装备先进感知与智能控制教育部重点实验室，安徽 芜湖 241000；3.安徽工程大学 电气工程学院，安徽 芜湖 241000)

随着社会生产技术不断发展，温湿度数据的监测和控制在很多领域都成为很重要的参数指标，在物联网技术、通信技术及无线数据传输技术快速发展的今天，对于温湿度的监测与控制趋于远程化和无线化采集和监测。目前用于无线传感网络协议主要有无线局域网(Wireless Fidelity，WiFi)、超宽带通信(Ultra WideBand，UWB)、蓝牙(Bluetooth)、红外线数据通信(Infraed Data Association，IrDA)及ZigBee技术等[1]。包含IEEE802.15.4标准[2]的ZigBee技术具有低复杂度、低功耗和低成本等特点，主要适合于自动控制和远程控制领域，可嵌入各种设备中，并支持地理定位等功能[3]。如史艳红[4]等基于ZigBee和LabVIEW的多地无线温湿度监测系统设计，实现小范围多区域无线温湿度的监测；付焕森[5]等基于PLC和组态技术现代农业温室控制系统设计，对农业大棚温湿度进行控制；刘志强[6]等基于ZigBee的温室环境温湿度采集系统的设计；王钦[7]等基于ZigBee的仓库温湿度采集系统的设计，利用ZigBee实现对仓库环境温湿度的监测；刘增环[8]等基于虚拟仪器技术的果园生态环境监测系统，彭燕[9]等基于Zigbee技术的果园生态环境监测系统，利用ZigBee与虚拟仪器实现对果园环境的监测；刘卉[10]等基于无线传感器网络的农田土壤温湿度监测系统的设计与开发，利用无线传感器网络实现对农田土壤温湿度的监测与采集。因此，物联网技术对于大跨度多区域环境数据的监测有着广泛地应用。

本文提出了基于LabVIEW与ZigBee技术的分区域无线温湿度监测系统的设计方案，实现一个大跨度的分区域温湿度数据实时采集、存储、报警和显示。放置于环境区域里的ZigBee终端将温湿度传感器采集的数据发送给远程控制室的ZigBee协调器，协调器又将数据通过串口通信传输至监控PC端，在PC机上利用LabVIEW设计的监控界面，实现一个远程温湿度监测、存储和报警。实验表明：系统可以实现温湿度多区域参数设置、数据监测和存储，以及超限报警等功能，对于大棚种植中温湿度的监控提供一种借鉴和参考。

1 整体结构设计

温湿度监测系统总体结构如图1所示。

图1 结构示意图

系统主要应用于大跨度多区域的小农户大棚种植环境，对这类环境的温湿度数据进行监测和采集。整个系统主要由两部分组成：上位部分和下位部分，其中上位部分是PC机(LabVIEW监控界面)；下位部分是协调器、多个终端以及传感器组成。通过温湿度传感器DHT11实现对温度和湿度的采集，将数据传输给各个ZigBee终端节点，采用ZigBee技术的星型网络拓扑结构，建立了一个协调器节点，多个终端节点的无线网络，终端节点采集温湿度数据每隔一定的时间轮流向协调器节点发送，协调器节点收到数据之后通过串口将各个终端节点的温湿度数据传给上位机监控界面。在虚拟仪器LabVIEW开发平台设计的监控界面上实现数据的显示和监控，整体实现了对大跨度分区域温湿度数据实时传输和监控界面上实时显示。

2 系统硬件设计

硬件节点的设计选用CC2530作为核心处理器，CC2530是TI公司在2.4 GHz频段推出的支持IEEE802.15.4/ZigBee协议上的系统(Systemon a Chip，SoC)芯片。其内部集成了高性能射频(Radio Frequency，RF) 收发器、工业标准增强型8051 MCU内核、256 KB Flash ROM (Read.OnlyMemory)和 8 KB RAM(Random Access Memory)[11]。该芯片不仅提供了JTAG接口用于程序的下载与调试，还包含了大量的 I/O 接口，RS232 串口和 USB接口方便上位机读取串口数据，主要负责传感器数据采集、数据简单处理、数据无线传输以及继电器控制等功能[12]。该芯片同时具有低功耗、能建立强大的网络节点等优势[13]。该ZigBee板，其核心板主要包括 CC2530 单片机、天线接口和晶振等；温湿度传感器采用DHT11型号传感器，有较高的稳定性，为单线串行接口，对数据的采集更为方便；无线传感器由 3个模块构成，分别是传感模块、处理模块和通信模块。

2.1 节点设计

在ZigBee通信栈协议中，有3种类型拓扑结构(即网状、树状、星状结构)。在本文的无线通信网络设计中，采用星形拓扑结构进行组网，在该结构中，一个功能强大的全功能器件作为网络协调者位于网络的中心[14]，整个传感器网络的中心枢纽是协调器节点，协调器在进行网络建立的同时还可以和终端节点进行数据之间传输，终端节点的主要任务是温湿度数据的采集，并将数据发送给协调器节点。

整个ZigBee网络实现的基本流程：协调器建立网路，网络建立成功后，终端节点发现网络并请求加入网络，入网成功后，节点相互之间就可以进行数据的传输和通信。

2.1.1 协调器节点和终端节点软件设计

整个网路的重要核心部分是协调器，其主要的任务是构建整个ZigBee无线通网络，给加入的终端节点分配网络地址，并协调各节点之间的关系，实现数据从上位到下位的发送和接收工作。给协调器硬件通电之后，协调器节点串口和网络初始化，开始进行 ZigBee 网络的建立，网络建立成功后，主程序进行事件的扫描和查询。事件包括串口通信事件和无线通信事件等，当检测到有终端节点加入网络时，同意加入网络并分配子节点的网络地址，周期性接收数据并将数据发送给上位机，上位机接收到数据后实时显示。协调器节点的工作流程如图2(a)所示。

终端节点的主要任务是数据采集和传输，在整个区域环境内有很多的终端节点ZigBee模块，其采集的温湿度数据发送给汇聚节点，汇聚节点再将数据发送给上位机进行处理。给终端硬件通电后，终端进行网络初始化，如果接收到加入网络的信息时，则加入网络并等待协调器分配终端节点的网络地址；相反，当没有收到加入网络信息，则终端节点向协调器发送加入网络申请信息，入网成功后，周期性的采集温湿度数据，处理打包后将数据发送给协调器建节点。终端节点的工作流程如图2(b)所示。

图2 工作流程图

2.1.2 协调器节点与终端节点数据传输通信

当终端节点与协调器节点成功组建通信网络之后，相互之间进行绑定连接，然后终端节点自动进入温湿度数据采集，并将温湿度传感器采集的数据通过无线网络通信发送给协调器节点。协调器节点接收到数据后，触发SYS-E-VENT_MSG事件，并对AF-INCOMING_MSG_CMD信息做处理[15]，将处理完的数据通过USB数据线串口通信发送给PC机(labVIEW监控界面)显示。协调器节点与终端节点数据传输通信流程如图3所示。

图3 终端节点和协调器节点数据传输通信流程

3 基于LabVIEW软件程序设计

系统监控界面采用模块化设计，人机界面主要包括五个部分的功能模块，分别为实现与下位部分通信的串口通信模块，各工作按钮、指示灯显示模块，温湿度数据读取、曲线显示、温湿度范围报警设置及其数据储存模块，温湿度历史数据清除模块，温湿度历史数据查询模块。监控界面实现对温湿度数据的监测，以及后台数据储存，整体程序框图如图4所示。

图4 LabVIEW整体程序框图

选取整个程序框图中的两个小部分(即串口通信参数设置；各终端节点的温湿度数值和曲线显示)加以阐述。

(1)串口参数设置模块

其中串口通信软件程序如图5所示，由于通信是采用USB接口进行通信，故选用LabVIEW自带的VISA函数进行通信编写，VISA实质上是一个I/O口软件库及其规范的总称，应用于仪器编程的标准I/0应用程序接口，是工业上通用的仪器驱动器标准API，采用面向对象编程，具有良好的兼容性、扩展性和独立性。该部分用于实现软件系统和外部硬件系统的相互通信；在对应的前面板中，串口通信的参数为波特率38 400，数据位8，停止位1，校验位None，其中需要特别注意端口的选择，一旦设置不合理将导致系统不工作并影响其他通道。

图5 串口参数设置软件程序

(2)各终端节点温湿度数值和曲线显示模块

各终端节点温湿度数值和曲线显示软件程序如图6所示，该程序部分主要实现温湿度的数值和趋势曲线的显示，以及温湿度上下限的参数设置，在对应的前面板中可以对温湿度的上下限进行设置并能实时显示温湿度的数值和曲线。

图6 各终端节点温湿度数值和曲线显示软件程序

由上述的程序框图设计出的监控平台，不仅实现了上位机部分与下位机部分之间的通信，同时在监控界面上能够实时地显示各终端的温湿度数值和趋势，并将采集的温湿度数据储存在上位机后台的Excel表格中。此外，还可以设置各终端节点温湿度的上下限。本程序框图中温湿度实时采集曲线显示只设计了三个终端节点，可以根据实际的情况设计多个终端节点，其原理和方法同理。

4 实验测试结果

为测试系统监控和数据传输的有效性和稳定性，在通海锦海农业科技花卉产业基地选取了部分温室花卉大棚进行实验测试。通过USB数据线将ZigBee协调器与PC机连接，计算机识别端口后，打开LabVIEW监控界面，串口号选择为COM5，设置相应波特率、数据位、停止位、校验位的参数；设置温湿度上下限参数；各终端节点程序烧录和通电，硬件电路正常工作；点击LabVIEW前面板上的运行按钮。监控界面显示信息如7所示。

实验结果表明：系统能够对温湿度进行实时监测，并在曲线图上显示温度、湿度趋势，当温湿度的采集值超过设定值区域时，报警灯会由绿色变成红色，数据可以实时存储在Excel表格中，如图8所示；点击显示界面“退出系统”即可退出整个系统，通过实验结果及其分析可知，本系统可以实现温湿度实时监测。

图7 温湿度监控界面测试

图8 数据存储显示图

5 结论

文中针对大跨度分区域大棚环境温湿度的监测，采用了DHT11温湿度传感器对温度和湿度进行采集，通过ZigBee搭建星型无线传感器网络实现数据的传输和采集、利用LabVIEW设计出的温湿度界面系统进行监控，实现了分区域温湿度的数值和曲线显示、超限报警、数据存储等功能。通过实验测试得出，该监测系统达到了预期的设计要求；同时，对于小农户大棚种植分区域环境温湿度的监测提供一种方法和思路，对于在今后实际的应用场景中，还是要依据实际的需求进行进一步的完善与修正。