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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拓展学习：
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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：

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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 A2
SHT1x 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;               
          }
       }
   }
}
复制代码

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：

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温度采集程序框图如下所示：

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湿度采集程序框图如下所示：

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气压采集程序框图如下所示：

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粉尘浓度采集程序框图如下所示：

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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

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