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項目概述

目前，國內(nèi)氣象站對地面氣象數(shù)據(jù)的采集大多采用傳統(tǒng)的有線方式，其布線成本高，維護不方便，尤其對于山區(qū)等一些復(fù)雜的地形來說，這種缺點更為明顯。傳統(tǒng)的無線通信方式有很多，無線電、微波、紅外線、藍牙、射頻等，在某些只需簡單的無線連接的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?shù)據(jù)速率的要求并不很高，設(shè)備的功耗是更需要考慮的問題。ZigBee網(wǎng)絡(luò)是低功耗、低成本、高可靠性的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，其在環(huán)境檢測等領(lǐng)域中有著廣闊的應(yīng)用前景。

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項目架構(gòu)

本篇博文將要介紹一種基于Arduino、LabVIEW和ZigBee的個人小型無線自動氣象站，可以實現(xiàn)自主采集溫度、濕度、氣壓、粉塵濃度，并且將數(shù)據(jù)實時上傳至LabVIEW上位機軟件。氣象站終端設(shè)備采用Arduino作為控制核心，上位機軟件采用LabVIEW，兩者通過基于ZigBee技術(shù)的XBee模塊實現(xiàn)無線通信。

個人小型氣象站的總體框圖如下圖所示：

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傳感器選型

3.1、溫濕度傳感器

SHT11是瑞士Sensirion公司推出的一款數(shù)字溫濕度傳感器芯片，將傳感元件和信號處理電路集成在一塊微型電路板上，輸出完全標(biāo)定的數(shù)字信號，采用CMOSens專利技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性。傳感器芯片內(nèi)部包括一個電容性聚合體測濕敏感元件、一個用能隙材料制成的測溫元件，并在同一芯片上與14位的A/D轉(zhuǎn)換器以及串行接口電路實現(xiàn)無縫連接。因此，具有品質(zhì)卓越、響應(yīng)迅速、抗干擾能力強、性價比高等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于暖通空調(diào)、汽車、消費電子、自動控制等領(lǐng)域。

每個傳感器芯片都在極為精確的濕度腔室中進行標(biāo)定，校準系數(shù)以程序形式儲存在OTP內(nèi)存中，用于內(nèi)部的信號校準。兩線制的串行接口與內(nèi)部的電壓調(diào)整，使外圍系統(tǒng)集成變得快速而簡單。微小的體積、極低的功耗，使SHT11成為各類應(yīng)用的首選。

拓展學(xué)習(xí)：

LabVIEW控制Arduino采集熱電偶溫度數(shù)值（進階篇—2）

LabVIEW控制Arduino采集多路DS18B20溫度數(shù)值（進階篇—3）

LabVIEW控制Arduino采集DHT11溫濕度數(shù)值（進階篇—4）

3.2、壓力傳感器

氣壓是指作用在單位面積上的大氣壓力，它等于單位面積上到大氣上界的垂直空氣柱的重量，大氣壓力測量的基本單位是帕斯卡（Pa，即牛頓每平方米）。此處采用BMP085氣壓傳感器實現(xiàn)氣壓的測量。

BMP085是一款高精度、超低能耗的壓力傳感器，可以應(yīng)用在移動設(shè)備中。它的性能卓越，絕對精度最低可以達到0.03hPa，并且耗電極低，只有3uA。BMP085采用強大的8-pin陶瓷無引線芯片承載（LCC)超薄封裝，可以通過I2C總線直接與各種微處理器相連。而且，BMP085利用溫度補償來提高氣壓的測量精度，反應(yīng)時間7.5ms，待機電流0.1uA，無需外部時鐘電路，無鉛，符合RoHS規(guī)范。BMP085氣壓傳感器模塊如下圖所示：

3.3、空氣質(zhì)量傳感器

粉塵是指懸浮在空氣中的固體微粒。按照國際標(biāo)準化組織規(guī)定，粒徑小于75um的固體懸浮物定義為粉塵。大氣中粉塵的存在是保持地球溫度的主要原因之一，大氣中過多或過少的粉塵將對環(huán)境產(chǎn)生災(zāi)難性的影響。但在生活和工作中，過多的粉塵是人類健康的天敵，是誘發(fā)多種疾病的主要原因。

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，環(huán)境污染越發(fā)嚴重，隨著生活水平的提高，人們的健康意識也越來越強，在小型氣象站中增加粉塵傳感器，用于監(jiān)測空氣中的粉塵等可吸入固體顆粒。

GP2Y1010AU0F是夏普公司的光學(xué)空氣質(zhì)量傳感器，可以測量空氣中塵埃的含量。該裝置中包含一個紅外發(fā)光二極管和光電晶體管，且呈對角布置，允許其檢測的反射光在空氣中的灰塵，可以非常有效地檢測比較微小的顆粒，如香煙煙霧，并且是常用的空氣凈化器系統(tǒng)。GP2Y1010AU0F實物圖效果如下圖所示：

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硬件環(huán)境

將SHT11溫濕度傳感器的VCC、GND、SCK、DATA分別接至Arduino Uno控制板上的+5V、GND、模擬端口A2和A3。

將BMP085氣壓傳感器的VCC、GND、SCL、SDA分別接至Arduino Uno控制板上的3.3V、GND、SCL和SDA。若Arduino Uno控制板上沒有標(biāo)注的SCL和SDA端口，則將BMP085的SCL和SDA分別接至模擬端口A5和A4上。

GP2Y1010AU0F粉塵傳感器VLED串聯(lián)150Ω電阻接至Arduino Uno控制板上的+5V，LED-GND接至GND，LED接至數(shù)字引腳D2，S-GND接至GND，Vo接至模擬輸入A0，Vcc接至5V。

Arduino Uno控制器與XBee模塊、BMP085和SHT11的硬件連接，如下圖所示：

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Arduino功能設(shè)計

在基于Arduino與LabVIEW的個人小型氣象站中，Arduino Uno控制器需要完成兩個功能:接收和判斷命令，采集和傳輸溫濕度、氣壓、粉塵濃度的數(shù)據(jù)，Arduino Uno控制器通過XBee模塊接收上位機發(fā)來的命令，分析得到有效命令，讀取溫濕度、氣壓、粉塵濃度等數(shù)據(jù)，并上傳給LabVIEW軟件。

個人氣象站Arduino控制器程序代碼如下所示：

#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};      //定義數(shù)組數(shù)據(jù)，存放串口接收數(shù)據(jù)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);      //接受串口數(shù)據(jù)void test_do_data(void);         //測試串口數(shù)據(jù)是否正確，并更新數(shù)據(jù) 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)   //不斷檢測串口是否有數(shù)據(jù)   {        receive_data();            //接受串口數(shù)據(jù)        test_do_data();               //測試數(shù)據(jù)是否正確并更新標(biāo)志位   }}void receive_data(void)       {   int i ;   for(i=0;i<3;i++)   {      comdata[i] =Serial.read();      //延時一會，讓串口緩存準備好下一個字節(jié)，不延時可能會導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，       delay(2);   }} void test_do_data(void){  if(comdata[0] == 0x55)            //0x55和0xAA均為判斷是否為有效命令   {     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;                         }       }   }}

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LabVIEW功能設(shè)計

LabVIEW上位機部分需要完成以下功能：

1、向下位機Arduino控制器發(fā)送溫度、濕度、氣壓數(shù)據(jù)的采集命令，Arduino控制器通過串口接收上位機命令，完成相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集之后并將采集的數(shù)據(jù)回傳，LabVIEW軟件將回傳的數(shù)據(jù)顯示在前面板上。

2、向下位機Arduino控制器發(fā)送粉塵濃度的采集命令，Arduino控制器通過串口接收上位機命令，完成粉塵濃度的電壓采集之后并將采集的電壓數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為粉塵濃度，LabVIEW軟件接收Arduino返回的粉塵濃度并顯示在前面板上，同時將粉塵濃度的變化顯示在波形圖上。

6.1、前面板設(shè)計

LabVIEW前面板分為儀表盤顯示和波形圖顯示兩個部分，儀表盤部分用于顯示當(dāng)前的數(shù)據(jù)，包括溫度、濕度、氣壓和粉塵濃度;波形圖顯示部分用于顯示粉塵濃度的變化趨勢?；贏rduino與LabVIEW的個人小型氣象站的LabVIEW上位機前面板，如下圖所示：

6.2、程序框圖設(shè)計

在LabVIEW上位機的程序設(shè)計中，溫度、濕度、氣壓和粉塵濃度的采集需要向Arduino Uno控制器發(fā)送不同的命令碼，并獲取Arduino Uno控制器返回的測量數(shù)據(jù)，為了使得程序結(jié)構(gòu)更加清晰明朗，此處將溫度、濕度、氣壓和粉塵濃度采集分別編寫成子VI。

溫度采集子程序的前面板和程序框圖，如下圖所示：

濕度采集子程序的前面板和程序框圖，如下圖所示：

氣壓采集子程序的前面板和程序框圖，如下圖所示：

粉塵濃度采集子程序的前面板和程序框圖，如下圖所示：

采用條件結(jié)構(gòu)+移位寄存器的狀態(tài)機來實現(xiàn)LabVIEW上位機主程序，將主程序劃分為5個狀態(tài)：0狀態(tài)為串口初始化，1狀態(tài)為溫度測量，2狀態(tài)為濕度測量，3狀態(tài)為氣壓測量，4狀態(tài)為粉塵濃度測量，且初始狀態(tài)為0狀態(tài)（串口初始化）。

在0狀態(tài)中，通過設(shè)置的串口號來初始化串口通信。在1狀態(tài)中，讀取溫度數(shù)據(jù)并顯示，在2狀態(tài)中，讀取濕度數(shù)據(jù)并顯示，在3狀態(tài)中，讀取氣壓數(shù)據(jù)并顯示，在4狀態(tài)中，讀取粉塵濃度數(shù)據(jù)并顯示在波形圖上。最后，關(guān)閉串口通信。

串口初始化程序框圖如下所示：

溫度采集程序框圖如下所示：

濕度采集程序框圖如下所示：

氣壓采集程序框圖如下所示：

粉塵濃度采集程序框圖如下所示：

本節(jié)介紹的基于ZigBee的個人小型氣象站可以通過無線方式實現(xiàn)溫濕度、氣壓和粉塵濃度的測量，如需要增加其他的測量參數(shù)，則需要添加相應(yīng)的傳感器即可。

另外，利用ZigBee的組網(wǎng)技術(shù)，在一定的區(qū)域內(nèi)布置多個測量站點，可以實現(xiàn)區(qū)域性的氣象參數(shù)的測量。