不脱发的程序猿 发表于 2022-6-25 00:19:35

LabVIEW Arduino ZigBee无线气象站（项目篇—3）

本帖最后由 不脱发的程序猿 于 2022-7-5 23:45 编辑

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：
https://img-blog.csdnimg.cn/2610215016794d7aa2b56824a9afa81f.png​资源下载请参见：LabVIEWArduinoZigBee无线气象站【实战项目】-单片机文档类资源
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。
https://img-blog.csdnimg.cn/5254ac393d3c4be99a02b79147314011.png​拓展学习：
LabVIEW控制Arduino采集热电偶温度数值（进阶篇—2）_不脱发的程序猿的博客
LabVIEW控制Arduino采集多路DS18B20温度数值（进阶篇—3）_不脱发的程序猿的博客
LabVIEW控制Arduino采集DHT11温湿度数值（进阶篇—4）_不脱发的程序猿的博客
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：
https://img-blog.csdnimg.cn/d0cdbfbf112a49c6b802ce8a92e844dd.png​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：
https://img-blog.csdnimg.cn/b307dae1cba2478db069354e910a4500.png​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：
https://img-blog.csdnimg.cn/7c7bb5ab6dbf4a19b19e6017b3deb547.png​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_Command0x20   //A1采集命令字
#define pressure_Command0x30   //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 dataPinA3
#define clockPin A2
SHT1x sht1x(dataPin, clockPin);
BMP085 bmp;

byte comdata={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 =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 == 0x55)            //0x55和0xAA均为判断是否为有效命令
   {
   if(comdata == 0xFF)
   {
      switch(comdata)
          {   
            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：
https://img-blog.csdnimg.cn/eef8d7f3f4714129b43238f5ccc0fd57.png​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：
https://img-blog.csdnimg.cn/236784d69ee546e797d283a54691a183.png​https://img-blog.csdnimg.cn/c3b8b190fcc5481193777dc2ef814e8e.png​湿度采集子程序的前面板和程序框图，如下图所示：
https://img-blog.csdnimg.cn/5d142ebe04234f34a309f26a21dd6db2.png​https://img-blog.csdnimg.cn/3b0c2ffedd864232810dc3f6d6d562e6.png​
气压采集子程序的前面板和程序框图，如下图所示：
https://img-blog.csdnimg.cn/7fa4be3dc6b94565bb644d4c67a9e6a8.png​https://img-blog.csdnimg.cn/812af30269dc413f992b00e7060760fa.png​粉尘浓度采集子程序的前面板和程序框图，如下图所示：
https://img-blog.csdnimg.cn/f10c6d72e20143e3bcc72bf5371f3bc2.png​https://img-blog.csdnimg.cn/a0964b5ee80f4611b1dac6faaf04b097.png​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：
https://img-blog.csdnimg.cn/552e0c27efb1450996fc827902f061d5.png​温度采集程序框图如下所示：
https://img-blog.csdnimg.cn/a2e3bb01ca4d41e3addb289ddbbeef81.png​湿度采集程序框图如下所示：
https://img-blog.csdnimg.cn/9f9cbe7b02e643f0a97fd742076f6a79.png​气压采集程序框图如下所示：
https://img-blog.csdnimg.cn/30852cc1c1fe4366b2b97ce69c000609.png​粉尘浓度采集程序框图如下所示：
https://img-blog.csdnimg.cn/380d5732b2564e8eab4c56fd1f652542.png​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。
资源下载请参见：LabVIEW Arduino ZigBee无线气象站【实战项目】-单片机文档类资源


ddccyy 发表于 2022-6-29 21:17:34

感谢分享！
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