LabVIEW Arduino ZigBee 无线气象站（项目篇—3）

1、项目概述

目前，国内气象站对地面气象数据的采集大多采用传统的有线方式，其布线成本高，维护不方便，尤其对于山区等一些复杂的地形来说，这种缺点更为明显。传统的无线通信方式有很多，无线电、微波、红外线、蓝牙、射频等，在某些只需简单的无线连接的应用领域对数据速率的要求并不很高，设备的功耗是更需要考虑的问题。ZigBee 网络是低功耗、低成本、高可靠性的无线传感器网络，其在环境检测等领域中有着广阔的应用前景。

2、项目架构

本篇博文将要介绍一种基于 Arduino、LabVIEW 和 ZigBee 的个人小型无线自动气象站，可以实现自主采集温度、湿度、气压、粉尘浓度，并且将数据实时上传至 LabVIEW 上位机软件。气象站终端设备采用 Arduino 作为控制核心，上位机软件采用 LabVIEW，两者通过基于 ZigBee 技术的 XBee 模块实现无线通信。

个人小型气象站的总体框图如下图所示：

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3、传感器选型

3.1、温湿度传感器

SHT11 是瑞士 Sensirion 公司推出的一款数字温湿度传感器芯片，将传感元件和信号处理电路集成在一块微型电路板上，输出完全标定的数字信号，采用 CMOSens 专利技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器芯片内部包括一个电容性聚合体测湿敏感元件、一个用能隙材料制成的测温元件，并在同一芯片上与 14 位的 A/D 转换器以及串行接口电路实现无缝连接。因此，具有品质卓越、响应迅速、抗干扰能力强、性价比高等优点，广泛应用于暖通空调、汽车、消费电子、自动控制等领域。

每个传感器芯片都在极为精确的湿度腔室中进行标定，校准系数以程序形式储存在 OTP 内存中，用于内部的信号校准。两线制的串行接口与内部的电压调整，使外围系统集成变得快速而简单。微小的体积、极低的功耗，使 SHT11 成为各类应用的首选。

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3.2、压力传感器

气压是指作用在单位面积上的大气压力，它等于单位面积上到大气上界的垂直空气柱的重量，大气压力测量的基本单位是帕斯卡（Pa，即牛顿每平方米）。此处采用 BMP085 气压传感器实现气压的测量。

BMP085 是一款高精度、超低能耗的压力传感器，可以应用在移动设备中。它的性能卓越，绝对精度最低可以达到 0.03hPa，并且耗电极低，只有 3uA。BMP085 采用强大的 8-pin 陶瓷无引线芯片承载（LCC)超薄封装，可以通过 I2C 总线直接与各种微处理器相连。而且，BMP085 利用温度补偿来提高气压的测量精度，反应时间 7.5ms，待机电流 0.1uA，无需外部时钟电路，无铅，符合 RoHS 规范。BMP085 气压传感器模块如下图所示：

3.3、空气质量传感器

粉尘是指悬浮在空气中的固体微粒。按照国际标准化组织规定，粒径小于 75um 的固体悬浮物定义为粉尘。大气中粉尘的存在是保持地球温度的主要原因之一，大气中过多或过少的粉尘将对环境产生灾难性的影响。但在生活和工作中，过多的粉尘是人类健康的天敌，是诱发多种疾病的主要原因。

随着经济的发展，环境污染越发严重，随着生活水平的提高，人们的健康意识也越来越强，在小型气象站中增加粉尘传感器，用于监测空气中的粉尘等可吸入固体颗粒。

GP2Y1010AU0F 是夏普公司的光学空气质量传感器，可以测量空气中尘埃的含量。该装置中包含一个红外发光二极管和光电晶体管，且呈对角布置，允许其检测的反射光在空气中的灰尘，可以非常有效地检测比较微小的颗粒，如香烟烟雾，并且是常用的空气净化器系统。GP2Y1010AU0F 实物图效果如下图所示：

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4、硬件环境

将 SHT11 温湿度传感器的 VCC、GND、SCK、DATA 分别接至 Arduino Uno 控制板上的+5V、GND、模拟端口 A2 和 A3。

将 BMP085 气压传感器的 VCC、GND、SCL、SDA 分别接至 Arduino Uno 控制板上的 3.3V、GND、SCL 和 SDA。若 Arduino Uno 控制板上没有标注的 SCL 和 SDA 端口，则将 BMP085 的 SCL 和 SDA 分别接至模拟端口 A5 和 A4 上。

GP2Y1010AU0F 粉尘传感器 VLED 串联 150Ω电阻接至 Arduino Uno 控制板上的+5V，LED-GND 接至 GND，LED 接至数字引脚 D2，S-GND 接至 GND，Vo 接至模拟输入 A0，Vcc 接至 5V。

Arduino Uno 控制器与 XBee 模块、BMP085 和 SHT11 的硬件连接，如下图所示：

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5、Arduino 功能设计

在基于 Arduino 与 LabVIEW 的个人小型气象站中，Arduino Uno 控制器需要完成两个功能:接收和判断命令，采集和传输温湿度、气压、粉尘浓度的数据，Arduino Uno 控制器通过 XBee 模块接收上位机发来的命令，分析得到有效命令，读取温湿度、气压、粉尘浓度等数据，并上传给 LabVIEW 软件。

个人气象站 Arduino 控制器程序代码如下所示：

#include <Wire.h>#include <BMP085.h>#include <SHT1x.h>
#define temp_Command      0x10   //采集命令字#define humidity_Command  0x20   //A1采集命令字#define pressure_Command  0x30   //D0采集命令字#define dust_Command      0x40   //D1采集命令字
// Specify data and clock connections and instantiate SHT1x object#define dataPin  A3#define clockPin A2SHT1x sht1x(dataPin, clockPin);BMP085 bmp; 
byte comdata[3]={0};      //定义数组数据，存放串口接收数据float temp_c;float humidity;int dustPin=0;int dustVal=0;int PressureVal=0; int ledPower=2;int delayTime=280;int delayTime2=40;float offTime=9680; 
void receive_data(void);      //接受串口数据void test_do_data(void);         //测试串口数据是否正确，并更新数据
void setup(){  Serial.begin(9600);        pinMode(2, INPUT);  pinMode(3, INPUT);  pinMode(ledPower,OUTPUT);  pinMode(4, OUTPUT);  analogReference(INTERNAL);  bmp.begin();  }void loop(){  while (Serial.available() > 0)   //不断检测串口是否有数据   {        receive_data();            //接受串口数据        test_do_data();               //测试数据是否正确并更新标志位   }}void receive_data(void)       {   int i ;   for(i=0;i<3;i++)   {      comdata[i] =Serial.read();      //延时一会，让串口缓存准备好下一个字节，不延时可能会导致数据丢失，       delay(2);   }} void test_do_data(void){  if(comdata[0] == 0x55)            //0x55和0xAA均为判断是否为有效命令   {     if(comdata[1] == 0xFF)     {        switch(comdata[2])          {               case temp_Command:                   temp_c = sht1x.readTemperatureC();                Serial.print(temp_c, 2);                   break;            case humidity_Command:                    humidity = sht1x.readHumidity();                 Serial.print(humidity,2);                 break;            case pressure_Command:                    PressureVal=bmp.readPressure();                 Serial.print(PressureVal,2);                                     break;            case dust_Command:                    digitalWrite(ledPower,LOW); // power on the LED                 delayMicroseconds(delayTime);                 dustVal=analogRead(dustPin); // read the dust value via pin 5 on the sensor                 delayMicroseconds(delayTime2);                 digitalWrite(ledPower,HIGH); // turn the LED off                 delayMicroseconds(offTime);                 Serial.println(dustVal);                                              break;                         }       }   }}

6、LabVIEW 功能设计

LabVIEW 上位机部分需要完成以下功能：

1、向下位机 Arduino 控制器发送温度、湿度、气压数据的采集命令，Arduino 控制器通过串口接收上位机命令，完成相应的数据采集之后并将采集的数据回传，LabVIEW 软件将回传的数据显示在前面板上。

2、向下位机 Arduino 控制器发送粉尘浓度的采集命令，Arduino 控制器通过串口接收上位机命令，完成粉尘浓度的电压采集之后并将采集的电压数据转换为粉尘浓度，LabVIEW 软件接收 Arduino 返回的粉尘浓度并显示在前面板上，同时将粉尘浓度的变化显示在波形图上。

6.1、前面板设计

LabVIEW 前面板分为仪表盘显示和波形图显示两个部分，仪表盘部分用于显示当前的数据，包括温度、湿度、气压和粉尘浓度;波形图显示部分用于显示粉尘浓度的变化趋势。基于 Arduino 与 LabVIEW 的个人小型气象站的 LabVIEW 上位机前面板，如下图所示：

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6.2、程序框图设计

在 LabVIEW 上位机的程序设计中，温度、湿度、气压和粉尘浓度的采集需要向 Arduino Uno 控制器发送不同的命令码，并获取 Arduino Uno 控制器返回的测量数据，为了使得程序结构更加清晰明朗，此处将温度、湿度、气压和粉尘浓度采集分别编写成子 VI。

温度采集子程序的前面板和程序框图，如下图所示：

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​湿度采集子程序的前面板和程序框图，如下图所示：

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​气压采集子程序的前面板和程序框图，如下图所示：

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​粉尘浓度采集子程序的前面板和程序框图，如下图所示：

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​采用条件结构+移位寄存器的状态机来实现 LabVIEW 上位机主程序，将主程序划分为 5 个状态:0 状态为串口初始化，1 状态为温度测量，2 状态为湿度测量，3 状态为气压测量，4 状态为粉尘浓度测量，且初始状态为 0 状态（串口初始化）。

在 0 状态中，通过设置的串口号来初始化串口通信。在 1 状态中，读取温度数据并显示，在 2 状态中，读取湿度数据并显示，在 3 状态中，读取气压数据并显示，在 4 状态中，读取粉尘浓度数据并显示在波形图上。最后，关闭串口通信。

串口初始化程序框图如下所示：

​温度采集程序框图如下所示：

​湿度采集程序框图如下所示：

​气压采集程序框图如下所示：

粉尘浓度采集程序框图如下所示：

​本节介绍的基于 ZigBee 的个人小型气象站可以通过无线方式实现温湿度、气压和粉尘浓度的测量，如需要增加其他的测量参数，则需要添加相应的传感器即可。

另外，利用 ZigBee 的组网技术，在一定的区域内布置多个测量站点，可以实现区域性的气象参数的测量。

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