龔軍輝，郭清華，胡　慧，田娟秀

(1.湖南工程學(xué)院 電氣信息學(xué)院，湘潭 411101；2.湖南理工職業(yè)技術(shù)學(xué)院 太陽能工程系，湘潭 411101；3.湖南工程學(xué)院 計算機(jī)與通信學(xué)院，湘潭 411101)

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基于LabVIEW和CC1101的無線溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

龔軍輝1，郭清華2，胡慧1，田娟秀3

(1.湖南工程學(xué)院 電氣信息學(xué)院，湘潭 411101；2.湖南理工職業(yè)技術(shù)學(xué)院 太陽能工程系，湘潭 411101；3.湖南工程學(xué)院 計算機(jī)與通信學(xué)院，湘潭 411101)

針對傳統(tǒng)溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)布線繁瑣及存儲數(shù)據(jù)困難等缺點，設(shè)計了一種基于LabVIEW和CC1101的無線溫濕度監(jiān)測系統(tǒng).系統(tǒng)設(shè)計了以溫濕度傳感器AM2302及單片機(jī)AT89C52為主要芯片的數(shù)據(jù)采集處理模塊采集環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù),以射頻收發(fā)器CC1101為主要芯片的無線傳輸模塊傳輸數(shù)據(jù)；用LabVIEW作為上位機(jī)的數(shù)據(jù)處理和界面開發(fā)工具實現(xiàn)溫濕度數(shù)據(jù)的接收、分離、顯示、存儲、報警等功能.實驗結(jié)果表明，設(shè)計的系統(tǒng)能準(zhǔn)確有效地監(jiān)測環(huán)境溫濕度，為溫濕度的無線監(jiān)測提供了一種穩(wěn)定性高、性價比高的解決方案.

LabVIEW；溫濕度監(jiān)測；CC1101；無線傳輸

0　引　言

在煤礦生產(chǎn)、倉庫管理、大棚作物成長及機(jī)房管理等領(lǐng)域中，常常需要實時監(jiān)測環(huán)境的溫濕度[1-4]，傳統(tǒng)的溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)常采用有線的數(shù)據(jù)傳輸模式，該模式下設(shè)備遷移的靈活性差、布線繁瑣，且安裝需要消耗大量的人力物力，因此，在實際應(yīng)用中有較大的局限性.此外，溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)除了基本的實時顯示和報警等功能外，還需增加溫濕度數(shù)據(jù)的存儲功能，為方便日后的數(shù)據(jù)查詢和分析.

本文針對傳統(tǒng)有線溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)的缺點，設(shè)計了一種基于LabVIEW和CC1101的無線溫濕度監(jiān)測系統(tǒng).系統(tǒng)設(shè)計了以AM2302、AT89C52、CC1101和STM8等器件為主的溫濕度數(shù)據(jù)采集處理模塊及無線傳輸模塊，實現(xiàn)溫濕度數(shù)據(jù)采集和無線傳輸?shù)裙δ?，最后在上位機(jī)上采用LabVIEW設(shè)計了友好的人機(jī)界面并實現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示及報警等功能.

1　系統(tǒng)方案設(shè)計

基于LabVIEW和CC1101的溫濕度無線監(jiān)測系統(tǒng)框架示意圖如圖1所示，主要包括三個部分：數(shù)據(jù)采集處理模塊、無線傳輸模塊及上位機(jī).數(shù)據(jù)采集處理模塊主要由溫濕度傳感器、單片機(jī)、電源組成，溫濕度傳感器采集環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)，單片機(jī)接收到溫濕度數(shù)據(jù)，并以固定的格式發(fā)送至無線傳輸模塊；無線傳輸模塊由無線發(fā)送子模塊和無線接收子模塊組成，子模塊主要芯片皆為高頻無線射頻收發(fā)器CC1101實現(xiàn)溫濕度數(shù)據(jù)的無線傳輸功能，并最終將數(shù)據(jù)傳送至監(jiān)測中心的上位機(jī)；系統(tǒng)監(jiān)測中心的上位機(jī)上實現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示、存儲及報警等功能.

圖1　系統(tǒng)框架示意圖

2　數(shù)據(jù)采集處理模塊設(shè)計

在現(xiàn)場終端的數(shù)據(jù)采集處理模塊采用溫濕度復(fù)合傳感器AM2302，該傳感器含有已校準(zhǔn)的數(shù)字信號輸出，單線制串行接口，具有穩(wěn)定性高、能耗低、抗干擾能力強(qiáng)、性價比高等優(yōu)點.AM2302的主要特性參數(shù)為：溫度分辨率為0.1 ℃，準(zhǔn)確度為±0.2 ℃；濕度分辨率為0.1%RH，精度為±2%RH；供電電壓為3.5～5.5V.

本模塊采用單片機(jī)AT89C52獲取傳感器AM2302采集的溫濕度數(shù)據(jù)，AT89C52和AM2302連接示意圖如圖2所示，AT89C52的P2.0腳與AM2302的SDA腳連接，并以標(biāo)準(zhǔn)的單總線通信方式與傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信.

圖2　溫濕度采集模塊連接示意圖

根據(jù)AM2302數(shù)據(jù)通訊方式，設(shè)計的程序流程主要包括：串口初始化、溫濕度數(shù)據(jù)采集、串口數(shù)據(jù)發(fā)送、串口數(shù)據(jù)接收等.單片機(jī)上電后，為發(fā)送數(shù)據(jù)做準(zhǔn)備，需要對串口波特率等進(jìn)行初始化.準(zhǔn)備就緒后，AT89C52首先向AM2302發(fā)送一個8ms低電平起始信號；傳感器接收到起始信號后向AT89C52

發(fā)送一個80μs低電平和80μs高電平響應(yīng)信號；隨后AT89C52開始讀取傳感器SDA引腳輸出的40bit溫濕度數(shù)據(jù)；最后，AT89C52調(diào)用串口數(shù)據(jù)發(fā)送服務(wù)子程序?qū)?shù)據(jù)發(fā)送至無線發(fā)送模塊.

3　無線傳輸模塊設(shè)計

無線傳輸模塊采用射頻收發(fā)器CC1101和微控制器STM8為主要芯片設(shè)計而成，設(shè)計的模塊可通過設(shè)置工作于數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)接收兩種模式.芯片CC1101是Chipcon公司以0.18μm的CMOS工藝制成的一款高性能射頻收發(fā)器，具有低成本、低功耗、體積小、靈敏度高的優(yōu)點.該射頻收發(fā)器集成了一個高度可配置的調(diào)制解調(diào)器，支持不同的調(diào)制格式，其數(shù)據(jù)傳輸率最高可達(dá)500kbps，可在1.8V及3.6V的低電壓下工作,工作頻段一般選擇在387～464MHz之間.芯片STM8是ST意法半導(dǎo)體公司針對工業(yè)應(yīng)用和消費電子開發(fā)而推出8位的框架結(jié)構(gòu)微控制器，其CPU內(nèi)核有6個內(nèi)部寄存器，通過這些寄存器可高效地進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，在模塊中的主要作用是控制CC1101的工作模式并傳輸數(shù)據(jù).

由STM8和CC1101芯片構(gòu)成的無線傳輸模塊電路圖如圖3所示，STM8的PA3、PC5、PC6、PC7腳分別與CC1101同步串行通信SPI口的CS、SCLK、MOSI、MOSO連接，其中CS是芯片選擇腳，當(dāng)該腳為低電平時，SPI接口可以通信，否則不能通信；MOSI、MOSO為數(shù)據(jù)的輸入、輸出引腳；SCLK為同步時鐘腳，在時鐘的上升沿或下降沿時數(shù)據(jù)被寫入或讀出；STM8的PC4腳與GD02腳相連，若信道中有數(shù)據(jù)，GD02腳電平跳變；通過STM8對CC1101的SPI

圖3　無線傳輸模塊電路圖

口和GD02測試接口的配置，可實現(xiàn)不同射頻參數(shù)和其他輔助功能的無線數(shù)據(jù)傳輸.

由CC1101的工作原理，無線傳輸模塊的軟件設(shè)計包括：STM8初始化、啟動SPI接口、配置CC1101寄存器、CC1101進(jìn)入收發(fā)狀態(tài)、收發(fā)數(shù)據(jù)、收發(fā)結(jié)束等流程.(1)當(dāng)模塊處于數(shù)據(jù)發(fā)送模式時，STM8從UART_RX口接收到需發(fā)送的數(shù)據(jù)，并通過SPI口將數(shù)據(jù)輸入CC1101.CC1101接收到的數(shù)據(jù)后，經(jīng)過糾錯、調(diào)制、放大等處理傳輸?shù)讲罘中盘栆_RF_P和RF_N上將數(shù)據(jù)發(fā)送.(2)當(dāng)模塊處于數(shù)據(jù)接收模式時，CC1101從差分信號引腳接收到信號，并對信號進(jìn)行降噪、放大、變頻、AD轉(zhuǎn)換等處理得到數(shù)字信號，再通過SPI口發(fā)送至STM8，STM8接收到數(shù)據(jù)后的UART_TX口將數(shù)據(jù)發(fā)送出.由此設(shè)計的這種無線傳輸模塊，在無需外加功放電路的情況下，通訊距離可達(dá)到200m以上.

4　基于LabVIEW的人機(jī)界面設(shè)計

上位機(jī)從無線接收模塊接收到數(shù)據(jù)后，需要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分離、顯示、報警、存儲等功能.LabVIEW利用計算機(jī)強(qiáng)大的圖形環(huán)境，采用可視化的圖形編程語言和平臺，在計算機(jī)上軟件化和虛擬化地實現(xiàn)一些本需要硬件實現(xiàn)的技術(shù)[5]，具有使用靈活、界面清晰、工作效率高的優(yōu)點，能夠滿足本系統(tǒng)的設(shè)計要求.本文采用LabVIEW設(shè)計的無線溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)界面如圖4所示，主要有串口參數(shù)輸入，報警溫濕度范圍設(shè)置、溫濕度顯示、溫濕度變化曲線顯示、數(shù)據(jù)存儲等部分.端口設(shè)置可選擇數(shù)據(jù)通信的串口號，串口波特率等.為方便實現(xiàn)不同的溫濕度監(jiān)測，采用數(shù)字輸入框預(yù)設(shè)溫濕度報警上下限，可設(shè)置的濕度范圍為0～100RH，溫度范圍-40～80 ℃.界面中溫濕度計顯示溫濕度；波形圖表顯示溫濕度數(shù)據(jù)的動態(tài)變化過程；溫濕度過高和過低時，溫濕度指示燈由綠變紅并發(fā)出報警聲.

設(shè)計的LabVIEW程序流程如圖5所示，程序開始后，需要完成配置串口、打開串口、讀取串口、存儲數(shù)據(jù)、顯示數(shù)據(jù)、報警檢測等流程.在LabVIEW儀器I/O串口函數(shù)面板下，提供了所有串口操作所需要的函數(shù)，調(diào)用VISA串口配置、VISA打開、VISA讀取函數(shù)可以非常方便地完成串口數(shù)據(jù)相應(yīng)操作.

調(diào)用VISA讀取函數(shù)時，讀取到緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)為40bit的字符串(16bit的溫度數(shù)據(jù)，16bit的濕度數(shù)據(jù)，8bit的校驗位)，因此，需先從讀取的字符串中分離出溫度和濕度數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)換成數(shù)字格式數(shù)據(jù)，才能正確地在波形圖表及溫濕度計上顯示.為實現(xiàn)溫濕度數(shù)據(jù)分離、顯示及報警等功能，模塊采用字符串選擇函數(shù)分離溫濕度數(shù)據(jù)；字符串?dāng)?shù)組轉(zhuǎn)換函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)輸出至溫濕度計及波形圖表；比較函數(shù)判斷當(dāng)前溫濕度是否超出設(shè)定范圍，若超出則報警，報警指示燈由綠變?yōu)榧t，并調(diào)用聲音播放文件VI產(chǎn)生報警聲,如圖6所示.為存儲溫濕度數(shù)據(jù)便于日后查詢與分析，設(shè)計的系統(tǒng)溫濕度數(shù)據(jù)存儲模塊如圖7所示.程序中采用獲取日期/時間函數(shù)得到當(dāng)前的日期時間，并根據(jù)日期新建文本文檔用來存儲數(shù)據(jù)，采用字符串連接函數(shù)將溫濕度數(shù)據(jù)與日期時間等連接組成新字符，并將其寫入文本文檔中，寫入頻率為每分鐘一次.

圖6　溫濕度數(shù)據(jù)分離、顯示及報警模塊

圖7　溫濕度數(shù)據(jù)存儲模塊

5　系統(tǒng)實驗驗證

實驗中，采用人工加熱加濕模擬環(huán)境溫濕度變化來監(jiān)測系統(tǒng)的有效性，界面顯示結(jié)果如圖8所示.其中，串口配置波特率為9600bps、數(shù)據(jù)位為8位，濕度報警的上下限分別設(shè)為0RH與60RH，溫度度報警的上下限分別設(shè)為0 ℃與32 ℃.按開始按鈕后，監(jiān)測系統(tǒng)開始工作，溫濕度計實時顯示溫濕度數(shù)據(jù)，波形圖表顯示溫濕度數(shù)據(jù)的動態(tài)變化.對傳感器AM2302加熱加濕，溫濕度計、波形圖數(shù)據(jù)顯示值增大，當(dāng)溫濕度超過設(shè)定的上限時，相應(yīng)的指示燈由綠變紅，并發(fā)出報警聲音.溫度下降到正常值范圍內(nèi)時，紅色指示燈變綠，報警信號消失.系統(tǒng)能自動按日期建立數(shù)據(jù)文件，并每分鐘向文件中寫入時間和溫濕度數(shù)據(jù).打開歷史數(shù)據(jù)文本文檔，在歷史數(shù)據(jù)顯示框中可查詢歷史數(shù)據(jù).按下停止程序按鈕，溫度監(jiān)測系統(tǒng)停止工作.實驗結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠穩(wěn)定有效地采集和監(jiān)測溫濕度，并存儲溫濕度數(shù)據(jù).

圖8　LabVIEW無線溫濕度檢測系統(tǒng)報警示例

6　結(jié)　論

本文的溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)采用AT89C52和AM2302為數(shù)據(jù)采集處理模塊采集信號，采用CC1101為主的無線傳輸模塊傳輸信號，最后用LabVIEW在上位機(jī)上建立了友好的人機(jī)界面并實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)的接收、分離、報警、存儲及顯示功能.實驗驗證表明，本文設(shè)計的基于LabVIEW和CC1101的無線溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)，能夠準(zhǔn)確地采集溫濕度數(shù)據(jù)，并將其存儲，且系統(tǒng)穩(wěn)定性良好.該系統(tǒng)具有開發(fā)過程簡潔、測量準(zhǔn)確、運(yùn)行穩(wěn)定可靠，且性價比高的特點，能有效地運(yùn)用到各種溫濕度環(huán)境監(jiān)測中.更進(jìn)一步，在本文設(shè)計的基礎(chǔ)上，選擇不同的傳感器，將能實現(xiàn)不同的無線監(jiān)測系統(tǒng)，為無線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計提供了一種性價比高、界面友好的解決方案.

[1]耿濤,劉軍良,劉冬明.一種礦用數(shù)字式溫度濕度檢測系統(tǒng)的設(shè)計[J].煤礦機(jī)電,2013(5):42-44.

[2]衣翠平,柏逢明.基于ZigBee技術(shù)的CC2530糧庫溫濕度檢測系統(tǒng)研究[J].長春理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2011,34(4):53-57.

[3]王勇,毛帥,高雅亭.基于ARM的機(jī)房溫濕度智能控制系統(tǒng)設(shè)計[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2010,24(7):96-99.

[4]李亞.基于LabVIEW的溫濕度檢測系統(tǒng)設(shè)計[J].湖南工程學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版),2012,22:24-26.

[5]陳國順.精通LabVIEW程序設(shè)計[M].電子工業(yè)出版社,2012.

DesignofWirelessTemperatureandHumidityMonitoringSystemBasedonLabVIEWandCC1101

GONGJun-hui1,GUOQing-hua2,TIANJuan-xiu3

(1.CollegeofElect.andInformationEngineering,HunanInstituteofEngineering,Xiangtan411101,China;2.SolarEnergyEngineering,HunanVocationalInstituteofTechnology,Xiangtan411101,China;3.CollegeofComputerandCommunication,HunanInstituteofEngineering,Xiangtan411101,China)

Therearesomedisadvantagesinthetraditionaltemperatureandhumiditydetectionsystemsuchascumbersometowiringanddifficulttostoredata.Inordertosolvetheseproblems,awirelesstemperatureandhumiditymonitoringsystembasedonLabVIEWandCC1101isproposedinthepaper.AdigitaltemperatureandhumiditysensorAM2303andaMCUAT89C52areusedasthemainchipsofdataacquisitioningmoduleinthesystem.CC1101andSTM8areusedasthemainchipsofwirelessmoduletotransmitdata.LabVIEWisusedasdataprocessingandinterfacedevelopingtoolstoachievefunctionssuchasdatareception,separation,display,saveandalarm.Experimentresultsshowthatthesystemisabletocompletetheprecisionmeasurementoftemperatureandhumidity,andprovidesasolutionofhighstability,convenientuseandhighcostperformancefortemperatureandhumiditywirelessmonitoring.

LabVIEW；temperatureandhumiditymonitoring；CC1101；wirelesstransmission

2015-09-24

湖南省教育廳科研資助項目(12C0619)；湖南省自然科學(xué)基金資助項目(14jj6041);湖南省教育廳開放基金平臺項目(14k029).

龔軍輝 (1979-) ，男，講師，博士研究生，研究方向：信號檢測與分析，圖像分析等.

TP271

A

1671-119X(2016)01-0010-05