基于LabVIEW和CC1101的无线温湿度监测系统设计

龚军辉，郭清华，胡　慧，田娟秀

(1.湖南工程学院 电气信息学院，湘潭 411101；2.湖南理工职业技术学院 太阳能工程系，湘潭 411101；3.湖南工程学院 计算机与通信学院，湘潭 411101)



基于LabVIEW和CC1101的无线温湿度监测系统设计

龚军辉1，郭清华2，胡慧1，田娟秀3

(1.湖南工程学院 电气信息学院，湘潭 411101；2.湖南理工职业技术学院 太阳能工程系，湘潭 411101；3.湖南工程学院 计算机与通信学院，湘潭 411101)

针对传统温湿度监测系统布线繁琐及存储数据困难等缺点，设计了一种基于LabVIEW和CC1101的无线温湿度监测系统.系统设计了以温湿度传感器AM2302及单片机AT89C52为主要芯片的数据采集处理模块采集环境温湿度数据,以射频收发器CC1101为主要芯片的无线传输模块传输数据；用LabVIEW作为上位机的数据处理和界面开发工具实现温湿度数据的接收、分离、显示、存储、报警等功能.实验结果表明，设计的系统能准确有效地监测环境温湿度，为温湿度的无线监测提供了一种稳定性高、性价比高的解决方案.

LabVIEW；温湿度监测；CC1101；无线传输

0　引　言

在煤矿生产、仓库管理、大棚作物成长及机房管理等领域中，常常需要实时监测环境的温湿度[1-4]，传统的温湿度监测系统常采用有线的数据传输模式，该模式下设备迁移的灵活性差、布线繁琐，且安装需要消耗大量的人力物力，因此，在实际应用中有较大的局限性.此外，温湿度监测系统除了基本的实时显示和报警等功能外，还需增加温湿度数据的存储功能，为方便日后的数据查询和分析.

本文针对传统有线温湿度监测系统的缺点，设计了一种基于LabVIEW和CC1101的无线温湿度监测系统.系统设计了以AM2302、AT89C52、CC1101和STM8等器件为主的温湿度数据采集处理模块及无线传输模块，实现温湿度数据采集和无线传输等功能，最后在上位机上采用LabVIEW设计了友好的人机界面并实现数据的显示及报警等功能.

1　系统方案设计

基于LabVIEW和CC1101的温湿度无线监测系统框架示意图如图1所示，主要包括三个部分：数据采集处理模块、无线传输模块及上位机.数据采集处理模块主要由温湿度传感器、单片机、电源组成，温湿度传感器采集环境温湿度数据，单片机接收到温湿度数据，并以固定的格式发送至无线传输模块；无线传输模块由无线发送子模块和无线接收子模块组成，子模块主要芯片皆为高频无线射频收发器CC1101实现温湿度数据的无线传输功能，并最终将数据传送至监测中心的上位机；系统监测中心的上位机上实现数据的显示、存储及报警等功能.

图1　系统框架示意图

2　数据采集处理模块设计

在现场终端的数据采集处理模块采用温湿度复合传感器AM2302，该传感器含有已校准的数字信号输出，单线制串行接口，具有稳定性高、能耗低、抗干扰能力强、性价比高等优点.AM2302的主要特性参数为：温度分辨率为0.1 ℃，准确度为±0.2 ℃；湿度分辨率为0.1%RH，精度为±2%RH；供电电压为3.5～5.5V.

本模块采用单片机AT89C52获取传感器AM2302采集的温湿度数据，AT89C52和AM2302连接示意图如图2所示，AT89C52的P2.0脚与AM2302的SDA脚连接，并以标准的单总线通信方式与传感器进行数据通信.

图2　温湿度采集模块连接示意图

根据AM2302数据通讯方式，设计的程序流程主要包括：串口初始化、温湿度数据采集、串口数据发送、串口数据接收等.单片机上电后，为发送数据做准备，需要对串口波特率等进行初始化.准备就绪后，AT89C52首先向AM2302发送一个8ms低电平起始信号；传感器接收到起始信号后向AT89C52

发送一个80μs低电平和80μs高电平响应信号；随后AT89C52开始读取传感器SDA引脚输出的40bit温湿度数据；最后，AT89C52调用串口数据发送服务子程序将数据发送至无线发送模块.

3　无线传输模块设计

无线传输模块采用射频收发器CC1101和微控制器STM8为主要芯片设计而成，设计的模块可通过设置工作于数据发送和数据接收两种模式.芯片CC1101是Chipcon公司以0.18μm的CMOS工艺制成的一款高性能射频收发器，具有低成本、低功耗、体积小、灵敏度高的优点.该射频收发器集成了一个高度可配置的调制解调器，支持不同的调制格式，其数据传输率最高可达500kbps，可在1.8V及3.6V的低电压下工作,工作频段一般选择在387～464MHz之间.芯片STM8是ST意法半导体公司针对工业应用和消费电子开发而推出8位的框架结构微控制器，其CPU内核有6个内部寄存器，通过这些寄存器可高效地进行数据处理，在模块中的主要作用是控制CC1101的工作模式并传输数据.

由STM8和CC1101芯片构成的无线传输模块电路图如图3所示，STM8的PA3、PC5、PC6、PC7脚分别与CC1101同步串行通信SPI口的CS、SCLK、MOSI、MOSO连接，其中CS是芯片选择脚，当该脚为低电平时，SPI接口可以通信，否则不能通信；MOSI、MOSO为数据的输入、输出引脚；SCLK为同步时钟脚，在时钟的上升沿或下降沿时数据被写入或读出；STM8的PC4脚与GD02脚相连，若信道中有数据，GD02脚电平跳变；通过STM8对CC1101的SPI

图3　无线传输模块电路图

口和GD02测试接口的配置，可实现不同射频参数和其他辅助功能的无线数据传输.

由CC1101的工作原理，无线传输模块的软件设计包括：STM8初始化、启动SPI接口、配置CC1101寄存器、CC1101进入收发状态、收发数据、收发结束等流程.(1)当模块处于数据发送模式时，STM8从UART_RX口接收到需发送的数据，并通过SPI口将数据输入CC1101.CC1101接收到的数据后，经过纠错、调制、放大等处理传输到差分信号引脚RF_P和RF_N上将数据发送.(2)当模块处于数据接收模式时，CC1101从差分信号引脚接收到信号，并对信号进行降噪、放大、变频、AD转换等处理得到数字信号，再通过SPI口发送至STM8，STM8接收到数据后的UART_TX口将数据发送出.由此设计的这种无线传输模块，在无需外加功放电路的情况下，通讯距离可达到200m以上.

4　基于LabVIEW的人机界面设计

上位机从无线接收模块接收到数据后，需要实现数据的分离、显示、报警、存储等功能.LabVIEW利用计算机强大的图形环境，采用可视化的图形编程语言和平台，在计算机上软件化和虚拟化地实现一些本需要硬件实现的技术[5]，具有使用灵活、界面清晰、工作效率高的优点，能够满足本系统的设计要求.本文采用LabVIEW设计的无线温湿度监测系统界面如图4所示，主要有串口参数输入，报警温湿度范围设置、温湿度显示、温湿度变化曲线显示、数据存储等部分.端口设置可选择数据通信的串口号，串口波特率等.为方便实现不同的温湿度监测，采用数字输入框预设温湿度报警上下限，可设置的湿度范围为0～100RH，温度范围-40～80 ℃.界面中温湿度计显示温湿度；波形图表显示温湿度数据的动态变化过程；温湿度过高和过低时，温湿度指示灯由绿变红并发出报警声.

设计的LabVIEW程序流程如图5所示，程序开始后，需要完成配置串口、打开串口、读取串口、存储数据、显示数据、报警检测等流程.在LabVIEW仪器I/O串口函数面板下，提供了所有串口操作所需要的函数，调用VISA串口配置、VISA打开、VISA读取函数可以非常方便地完成串口数据相应操作.

调用VISA读取函数时，读取到缓冲区的数据为40bit的字符串(16bit的温度数据，16bit的湿度数据，8bit的校验位)，因此，需先从读取的字符串中分离出温度和湿度数据，并转换成数字格式数据，才能正确地在波形图表及温湿度计上显示.为实现温湿度数据分离、显示及报警等功能，模块采用字符串选择函数分离温湿度数据；字符串数组转换函数进行数据格式转换，转换后的数据输出至温湿度计及波形图表；比较函数判断当前温湿度是否超出设定范围，若超出则报警，报警指示灯由绿变为红，并调用声音播放文件VI产生报警声,如图6所示.为存储温湿度数据便于日后查询与分析，设计的系统温湿度数据存储模块如图7所示.程序中采用获取日期/时间函数得到当前的日期时间，并根据日期新建文本文档用来存储数据，采用字符串连接函数将温湿度数据与日期时间等连接组成新字符，并将其写入文本文档中，写入频率为每分钟一次.

图6　温湿度数据分离、显示及报警模块

图7　温湿度数据存储模块

5　系统实验验证

实验中，采用人工加热加湿模拟环境温湿度变化来监测系统的有效性，界面显示结果如图8所示.其中，串口配置波特率为9600bps、数据位为8位，湿度报警的上下限分别设为0RH与60RH，温度度报警的上下限分别设为0 ℃与32 ℃.按开始按钮后，监测系统开始工作，温湿度计实时显示温湿度数据，波形图表显示温湿度数据的动态变化.对传感器AM2302加热加湿，温湿度计、波形图数据显示值增大，当温湿度超过设定的上限时，相应的指示灯由绿变红，并发出报警声音.温度下降到正常值范围内时，红色指示灯变绿，报警信号消失.系统能自动按日期建立数据文件，并每分钟向文件中写入时间和温湿度数据.打开历史数据文本文档，在历史数据显示框中可查询历史数据.按下停止程序按钮，温度监测系统停止工作.实验结果表明，系统能够稳定有效地采集和监测温湿度，并存储温湿度数据.

图8　LabVIEW无线温湿度检测系统报警示例

6　结　论

本文的温湿度监测系统采用AT89C52和AM2302为数据采集处理模块采集信号，采用CC1101为主的无线传输模块传输信号，最后用LabVIEW在上位机上建立了友好的人机界面并实现了对数据的接收、分离、报警、存储及显示功能.实验验证表明，本文设计的基于LabVIEW和CC1101的无线温湿度监测系统，能够准确地采集温湿度数据，并将其存储，且系统稳定性良好.该系统具有开发过程简洁、测量准确、运行稳定可靠，且性价比高的特点，能有效地运用到各种温湿度环境监测中.更进一步，在本文设计的基础上，选择不同的传感器，将能实现不同的无线监测系统，为无线监测系统的设计提供了一种性价比高、界面友好的解决方案.

[1]耿涛,刘军良,刘冬明.一种矿用数字式温度湿度检测系统的设计[J].煤矿机电,2013(5):42-44.

[2]衣翠平,柏逢明.基于ZigBee技术的CC2530粮库温湿度检测系统研究[J].长春理工大学学报(自然科学版),2011,34(4):53-57.

[3]王勇,毛帅,高雅亭.基于ARM的机房温湿度智能控制系统设计[J].重庆理工大学学报(自然科学版),2010,24(7):96-99.

[4]李亚.基于LabVIEW的温湿度检测系统设计[J].湖南工程学院学报(自然科学版),2012,22:24-26.

[5]陈国顺.精通LabVIEW程序设计[M].电子工业出版社,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

湖南省教育厅科研资助项目(12C0619)；湖南省自然科学基金资助项目(14jj6041);湖南省教育厅开放基金平台项目(14k029).

龚军辉 (1979-) ，男，讲师，博士研究生，研究方向：信号检测与分析，图像分析等.

TP271

A

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