基于ZigBee和LabVIEW的多点无线温湿度采集系统设计

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本期主题·工业无线网络技术
ＣＨＩＮＡ ＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＡＴＩＯＮ叶，阅坂舞豫表
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控界面。本文选用虚拟仪器开发平台ＬａｂＶＩＥＷ实现 上位数据的显示和监控界面设计，在该平台下，添加 ＬａｂＶＩＥＷ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｉ／Ｏ函数模板本身提供的Ｓｅｒｉａｌ 子ＶＩ，通过数据流连接，可以实现ＬａｂＶＩＥＷ界面和无 线收发模块的实时通信。系统结构图如图ｌ所示。
在网络中有两种通信模式可供选择：信标使 能通信（ｂｅａｃｏｎ－ｅｎａｂｌｅｄ）和信标不使能通信（ｎｏｎ ｂｅａｃｏｎ—ｅｎａｂｌｅｄ）。此处采用信标不使能通信模式。
在信标不使能的通信网络中，ＰＡＮ网络协调器不 发送信标帧，各个设备使用非分时槽的ＣＳＭＡ·ＣＡ 机制访问信道。该机制的通信过程如下：每当设备需 要发送数据或者发送ＭＡＣ命令时，它首先等候一段 随机长的时间，然后开始检测信道状态；如果信道空 闲，该设备立即开始发送数据；如果信道忙，设备需要 重复上面的等待一段随机时间和检测信道状态的过 程，直到能够发送数据。在设备接收到数据帧或命令 帧而需要回应确认帧的时候，确认帧应紧跟接收帧发 送，而不使用ＣＳＭＡ－ＣＡ机制竞争信道。
时器、上电复位电路、掉电检测电路，以及２１个可编程 Ｉ／Ｏ引脚。
ＳＨＴｌｌ芯片有４个端口：ＧＮＤ为接地端；ＤＡＴＡ为 双向串行数据线：ＳＣＫ为串行时钟输入：ＶＤＤ电源端 为０．４－５．５ Ｖ。
ＳＨＴｌ １芯片通过ＤＡＴ双向串行数据线、ＳＣＫ串行 时钟输入端与ＣＣ２４３０的输入口相连。ＳｌｉＴｌ １３片有５ 条用户命令，如表ｌ所示。ＣＣ２４３０通过这５条命令可很 容易地实现对数据的采集。
选择Ｃｈｉｐｃｏｎ公司的ＣＣ２４３０做为节点的主芯 片。ＣＣ２４３０芯片是Ｃｈｉｐｃｏｎ公司提供的全球首款支 持ＺｉｇＢｅｅ协议的ＳＯＣ解决方案。在单个芯片ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ整合了 ＺｉｇＢｅｅ射频（ＲＦ）前端、内存和微控制器，拥有１个 ８位８０５１ＭＣＵ，８ｋＢ的ＲＡＭ，３２ｋＢ、６４ｋＢ或１２８ｋＢ的 Ｆｌａｓｈ，还包含模拟数字转换器、几个定时器、ＡＥＳｌ２８ 协处理器、看门狗定时器、３２ｋＨｚ晶振的休眠模式定
在ＺｉｇＢｅｅ无线通信中，节点在工作时，各种不同的 任务在不同的层上执行，通过层的服务，完成所要执 行的任务。各项服务通过服务原语来实现，服务原语 通过提供特定的服务来传输必需的信息。在ＺｉｇＢｅｅ 网络中存在３种数据传输方式：设备发送数据给协调 器，协调器发送数据给设备，对等设备之间的数据传 输。在星型拓扑网络中由于数据只在协调器和终端设 备之间交换，因此只存在前两种数据传输方式。
表１ ＳＨＴｌ １传感器命令列表
命令
编码
测量温度
０００儿
测量湿度
００１０１
读寄存器状态 ００１１１
写寄存器状态 ００１１０
软启动
１１１１０
说明 温度测量 湿度测量
“读”状态寄存器 。写。状态寄存器 重启芯片，清除状态记录器的错误记录 ｌｌｍｓ后进入下一个命令
为了提高抗干扰性能，采用滑动平均滤波算法，即 只采样一次，将这一次采样值和过去的若干次采样值 一起求平均，得到的有效采样值即可投入使用。本系 统中采用两个环形队列，每次中断采样一次温湿度的 值，分别放入环形队列中，每存入＿个新数据便自动冲 去一个旧数据。环形队列的地址为３０Ｈ－－－３ＦＨ共１６个 单元，温湿度数据各占８个单元。
５基于ＬａｂＶＩＥＷ的串口控制程序的设计
上位机程序采用图形化编程语言ＬａｂＶＩＥＷ编写， ＬａｂＶＩＥＷ提供了５个串口通信节点，分别实现串口初
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万方数据
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ＣＨＩＮＡ ＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＡＴＩＯＮ中圃恹露｛夏是
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始设置、串口写、串口读、检测串口输入缓存中的字节 数、串口中断。在进行ＰＣ机和无线采集模块串行通信 前，首先要配置好串口，即串口初始化，使计算机串口 的各种参数设置与无线收发模块的串口参数保持一 致，这样才能够正确的通信。
臣硝 Ｉ天线ｈＨ
｝．．．．．．．．．．．．．．．．．．一
ＬｃＤ显示Ｋ＝＿） ／１ ＣＣ２４３０
ＰＣ机 卜、
＼厂—］／ Ｌ矗ｂＶＩＥＶ矿
ｌ按键输入卜呻
ＲＳ２３２
图３温湿度数据采集主节点设计框图
４无线通信的实现
本文所建立的是基于ＺｉｇＢｅｅ技术的星型网络拓 扑结构。ＺｉｇＢｅｅ技术是一种近距离、低复杂度、低功 耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，相对 于现有的各种无线通信技术，ＺｉｇＢｅｅ技术将是最低功 耗和成本的技术。ＺｉｇＢｅｅ协议套件由高层应用规范、 应用会聚层、网络层、数据链路层和物理层组成。
Ｉ善耄矣嚣言慧，班飞
摘要：针对大空间环境的温湿度采集Ｉ＇＝－１题，提出基于 无线传感网络技术的多点温湿度采集系统。 ｖＸＣＣ２４３０为主控芯片，采用ＺｉｇＢｅｅ协议，通 过星型网络实现主从节点之间数据的采集和 传输，利用串口通信技术与上位通信，通过 ＬａｂＶＩＥＷ实现无线系统的数据处理与显示。
关键词：数据采集ＺｉｇＢｅｅ ＬａｂＶＩＥＷ串口通信
图１系统结构图
３系统的硬件设计 ３．１温湿度传感器的选择
温湿度数据的采集由ＳＨＴｌｌ芯片完成。该芯片 是瑞士Ｓｅｎｓｉｒｉｏｎ公司生产的具有１２Ｃ总线接口的单片 全校准数字式相对湿度和温度传感器，具有数字式 输出、免调试、免标定、免外围电路及全互换的特点。 由于将传感器与电路部分结合在一起，因此，该传感 器具有比其它类型的湿度传感器优越得多的性能。 且Ａ／Ｄ转换同时完成，并具有１００％的互换性，全量 程标定，以二线数字输出。ＳＨＴｌｌ的湿度测量范围为 ０＂－＇１００％ＲＨ，温度测量范围为－４０。Ｃ－－．＋１２３．８℃，湿度 测量精度为±３．０％ＲＨ，温度测量精度为±０．４＂Ｃ，响 应时间＜４ｓ，通过１２Ｃ总线与任何类型的微处理器、微 控制器系统连接。 ３．２温湿度数据采集ＺｉｇＢｅｅ从节点的设计
广雨 子节点向主节点发送数据的流程图如图４所示。
系统初始化ＲＦ初始化 ＤＭＡ初始化ＬＣＤ初始化
设置ＤＭＡ通道和数据 采集接口
数据分析处理
ＬＣＤ显示Ｈ数据帧写入ＦＩＦＯ
譬 一否
（兰苎 ）
图４子节点向主节点发送数据的流程图
主节点接收数据的过程，同样需要设置系统工作 频率为３２ＭＨｚ，并且要确保接收机工作在与发射机相 同的频道上，并设置ＤＭＡ通道。主节点的物理层接收 到来自子节点的数据时，通过物理层将收到的信息传 给ＭＡＣ层，这样就完成了数据的接收。数据接收到以 后，数据从接收机ＦＩＦＯ中取出再通过ＤＭＡ送到寄存 器中。
据管理终端的任务。ＺｉｇＢｅｅ主节点完成多个子节点采 集数据的无线收发任务。为了增加主节点的数据存储 和处理功能，选用带１２８ｋＢ Ｆｌａｓｈ的射频芯片，与ＰＣ
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机通过ＲＳ２３２通信。主节点的硬件框图如图３所示。
６结语
本文针对大空间中环境温度、湿度的测量，采用 了新型相对湿度和温度传感器ＳＨＴｌ ｌ实现对温度和
图５上位机运行界面
湿度的采集，实现了一种传输途径基于ＺｉｇＢｅｅ星型网 络、数据处理平台基于ＬａｂＶＩＥＷ的多点无线温湿度采 集系统，并在ＬａｂＶＩＥＷ平台上同时实现了露点的计算 和显示。系统成功实现－ｊ＇ＬａｂＶＩＥＷ对ＺｉｇＢｅｅ网络数 据的处理。通过实验调试，该采集系统达到了设计要 求，效果良好。鉴于无线传感网络技术具有功耗低、 数据传输可靠、网络容量大、兼容性、安全性、实现成 本低等诸多优点，因而被广泛应用于数字家庭领域、 工业领域、智能交通等若干领域。
ＣＣ２４３０将每一通道的信号分析处理之后通过 ＬＣＤ现场显示出来并通过天线发送到主节点。子节点 温度采集的硬件框图设计如图２所示。
温度信 湿度信
温湿度 传感器 ＳＨＴｌｌ
Ｉ ２Ｃ总线
／１
卜、
＼厂］／
ＣＣ２４３０
图２温湿厦采集从币点设计框图
３．３ ＺｉｇＢｅｅ主节点（协调器）的设计 ＺｉｇＢｅｅ主节点又称为协调器，在这里完成中心数
２系统的整体概述
该系统通过具有Ｉ ２ｃ总线接口的单片全校准数 字式新型相对湿度和温度传感器ＳＨＴＩ １实现对温度 和湿度的采集，将信号送至ＺｉｇＢｅｅ无线节点，采用 ＺｉｇＢｅｅ技术的星型网络拓扑结构，建立了一个主节 点，多个从节点的无线网络，从节点采集温湿度数据 每隔一定的时间轮流向主节点发送，主节点收到数据 之后通过串口将各节点的温湿度数据传给上位机监
所设计的界面需要反映各子节点中所采集的温度 和湿度曲线，而且在对温湿度测量的同时，空气的露 点值可根据相对湿度和温度值来计算：
ＩｇＥＷ＝Ｏ．６６０７７＋７．５×Ｔ／（２３７．３＋Ｔ）＋［１９（ＲＨ）－２］ Ｄｐ＝［（Ｏ．６６０７７一ｌｇＥＷ）ｘ２３７．３］／（１９ＥＷ一８．１６０７７） 具体实现通过在选项卡控件里设立３个选项 卡，分别放置３个波形图形控件，在每个图表里显示 当前各个子节点３个通道传来的数据及其曲线。在 ＬａｂＶＩＥＷ环境下，通过波形图表的属性可将曲线的显 示模式设为层叠式或分格式，前者便于曲线之间的对 比，后者易于观察各曲线自身的变化趋势。此外，将图 表的刷新模式设为示波器图表，横轴和纵轴的标尺变 化都设为自动调整标尺，这样使曲线的变化显示得更 加清楚。当程序开始运行后先打开接收数据按钮，然 后打开串口，就可以将采集来的数据显示出来。同时 可以从运行的界面看到数据的历史曲线，图表曲线最 右端为当前温度，即可以从曲线上看出又可以从数字 控件中看到确切的数据。运行时的界面如图５所示。当 点击各节点按钮时可分别查看其控制点的温湿度变化 情况。
四川省科技厅重点项目（项目编号：０６Ｇ１３．１４０）
ｗｗｗ．ｃｎｌｍ．万ｃｒ＇方ｌ 数据
１引言
随着生产技术的提高，环境条件中的温度和湿 度指标是成为许多工作场合的重要参数，温度和湿 度的测量与控制直接影响到生产水平。如在电力系统 中，由于温度过高、过低引起的元件失效或由于湿度 过高而引起的触电事故时有发生；湿度和温度的合适 与否直接影响到农作物的正常生长发育和产量，所以 蔬菜大棚对温度和湿度的要求很严格；仓库储藏湿 度过大，温度过高，储藏的物品容易变质。简言之，不 管是工业、农业、军事及气象领域，还是人类生活的 环境，都需要对温度和湿度进行测量和控制。因而， 研制可靠且实用的温湿度测量装置显得非常重要。尤 其是要实现大环境中的温湿度测量和自动控制，采用 有线网络的方案难以实现。本文提出采用基于ＺｉｇＢｅｅ 技术的无线温湿度测量与传输的方案，在上位机中采 用ＬａｂＶＩＥＷ构成多点无线温湿度采集系统，实现对 网络采集的数据统一管理和分析。该系统具有快速展 开、稳定可靠、可维护性好等特点。
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基于Ｚｉｇ Ｂｅｅ和Ｌａ ｂＶＩ ＥＷ的 多点无线温湿度采集系统设计
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｍｕｌｔｉ—－ｎｏｄｅ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ Ｈｕｍｉｄｉｔｙ Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＺｉｇＢｅｅ ａｎｄ ＬａｂＶＩ ＥＷ
（１）ＶＩＳＡ Ｃｏｎｆｉｇｕｒｅ Ｓｅｒｉａｌ Ｐｏｒｔ．ｖｉ：利用该节点 可以设置串口波特率、数据位、停止位、奇偶校验、缓 存大小以及流量控制等参数。
（２）ＶＩＳＡ Ｗｒｉｔｅ：完成输入有计算机发往数据采 集板的采集命令。
（３）ＶＩＳＡ Ｒｅａｄ：用于从串口缓存中读出指定长 度的数据。
（４）ＶＩＳＡ Ｃｌｏｓｅ：关闭一个已经打开的串口，从 而释放ＬａｂＶＩＥＷ对这个串口资源的占用。
首先，系统初始化主要是将系统的工作频率设 为３２ＭＨｚ，使ＲＦＯ臣，正常工作。ＲＦ初始化是设置通讯
频率，ＤＭＡ初始化是清除ＤＭＡ标志位及各个通道。 然后设置各节点的ＤＭＡ通道，将采集到的数据传送 到发射机的ＦＩＦＯ中，等待发射出去。每次子节点向主 节点发送数据帧或ＭＡＣ层命令时，要等待一个任意 长的周期，在这个任意的退避时间之后，如果设备发 现信道空闲，就会发送数据帧和ＭＡＣ层命令：反之， 如果设备发现信道正忙，将等待任意长的周期后，再 次尝试接入信道。而对于确认帧，在发送时，不采用 ＣＳＭＡ－ＣＡ机制，即在接收到数据帧后，主节点直接发 送确认帧，而不管当前信道是否存在冲突，子节点根据 是否接收到正确的确认帧来判断数据是否发送成功。