基于Labwindows/CVI的无线多路温湿度测控系统研究

王 瑜

(西安航空学院 机械工程学院，陕西 西安 710077)

基于Labwindows/CVI的无线多路温湿度测控系统研究

王 瑜

(西安航空学院 机械工程学院，陕西 西安 710077)

温湿度是人们生产生活中重要的物理量，多路温湿度的远程测控应用十分广泛。无线多路温湿度测控系统利用Labwindows/CVI 2012开发平台，以C8051F350单片机为数据采集控制芯片，通过ESP8266无线WiFi模块将3个DHT11温湿度传感器采集的3路数据送往上位机，上位机对3路温湿度数据进行处理，并通过6路继电器模块对负载进行控制。系统具有对3路温湿度进行检测、无线传输、控制、存储等功能。

Labwindows/CVI；无线；温湿度；测控系统

0 引言

在人们的日常生产生活中，需要对温湿度进行测控的场合很多，如粮仓、储存水果的冷库、温室等。随着科技和物联网技术的快速发展，对温湿度测控系统的自动化程度和数据传输距离的要求不断提高。各种数据测控系统，特别是无线数据测控系统应运而生，其中，无线温湿度测控系统就是一种非常具有代表性的无线测控系统，在工农业生产和科研实践中具有很高的使用价值[1]。

本文结合ESP8266 WiFi模块的无线多路温湿度测控系统，设计了一种以C8051F350为数据采集控制芯片，基于Labwindows/CVI的开发平台。

Cygnal公司生产的高速、高性能混合信号处理单片机C8051F350，除了具有标准8052单片机的数字控制部件之外，片内还集成了数据采集和控制系统中常用的模拟部件和其它数字外设及功能部件，包括模拟多路选择器、可编程增益放大器、ADC、DAC、电压比较器、电压基准等[2]，系统的成本低，并且减少了硬件电路的设计。本系统选用ESP8266芯片，是一款专门针对无线连接的需求而开发，既能独立运行，也可作为slave搭载于其他Host运行。ESP8266性能稳定、体积小、支持完善简洁高效的AT指令，提供AP、STA和AP+STA共存三种模式[3]。本文将ESP8266模块设置为Station模式，结合Labwindows/CVI 2012和C8051F350单片机，将DHT11温湿度传感器采集的3路温湿度数据，通过ESP8266模块和局域网中的计算机通信，并利用计算机中安装的上位机软件控制三台风扇和三台加湿器工作，实现了多路温湿度的无线远程测控。

1 系统的结构及工作原理

无线多路温湿度测控系统由控制器模块C8051F350、稳压电源模块、ESP8266无线WiFi模块、3路温湿度传感器模块DHT11、6路继电器模块、上位机、三台风扇模块和三台加湿器模块组成。稳压电源模块给整个系统供电，3路温湿度传感器DHT11采集温湿度信号，将其转换为数字信号送入控制器模块C8051F350，ESP8266无线WiFi模块与局域网的路由器连接，安装有上位机软件的计算机作为服务器，控制器模块C8051F350按照上位机发送的命令，控制6路继电器模块，实现温湿度数据的远程无线传输和三台风扇、三台加湿器的远程无线控制。系统结构框图如图1所示。

2 系统硬件设计

2.1 3路温湿度检测电路

本系统采用3个温湿度传感器DHT11，分别采集3个地点的温湿度数据。DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，利用专用的数字模块采集技术和温湿度传感器技术，确保产品的可靠性和长期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并能与一个高性能8位单片机相连[4]。3路温湿度检测电路如图2所示。

本系统中，3路温湿度传感器DHT11的Dout引脚分别与C8051F350的IO口P00、P10和P11连接，将温湿度信号送入C8051F350单片机，3路DHT11的VCC引脚接电源，3路DHT11的NC引脚悬空，3路DHT11的GND引脚接地。

2.2 ESP8266无线WiFi模块及电源电路

ESP8266无线WiFi模块及电源电路如图3所示。

图3 ESP8266无线WiFi模块及电源电路

ESP8266系列芯片是乐鑫信息科技在2015年推出的WiFi芯片，该芯片是实现WiFi远程控制的一种选择。ESP8266支持softAP、station、softAP+station共存三种模式[5]。本文采用station模式，即把ESP8266模块当作一个客户机，进行TCP连接，从而实现温湿度数据、控制命令的发送和接收。本系统采用ASM1117芯片和电阻R4、R5及电容C1、C2、C3产生3.3V电源信号，3.3V电源接ESP8266模块的VCC引脚，ESP8266的CH_PD引脚通过1K电阻接VCC引脚，ESP8266的GND引脚接地，ESP8266的UTXD引脚接C8051F350的P05引脚，ESP8266的URXD引脚接C8051F350的P04引脚，ESP8266的GPIO2、RST和GPIO0悬空。

2.3 6路继电器控制电路

本系统采用C8051F350控制6路继电器，从而控制三个地点的三台风扇和三台加湿器，调节系统的温度和湿度。6路继电器控制电路如图4所示。

图4 6路继电器控制电路

C8051F350的P12-P17共6个IO接口，分别通过200欧姆电阻与三极管基极连接，控制6个继电器的线圈，从而通过继电器的触头实现对三台风扇和三台加湿器的控制，使温度和湿度保持在设定值范围。

3 系统软件设计

3.1 上位机软件设计

Labwindows/CVI作为一种以ANSI C为核心的交互式虚拟仪器开发环境，在无损检测、电力仪表系统、温控系统、流程控制系统、故障诊断等领域中得到了广泛的应用[6]。本系统上位机利用Labwindows/CVI 2012软件平台开发，上位机界面如图5所示。

上位机界面主要由两个部分组成：TCP服务器-客户机部分和3路温湿度数据测控部分。在TCP服务器-客户机部分中的端口号控件中输入端口号，点击“连接”按钮，创建TCP服务器，如果TCP服务器创建成功，命令按钮“连接”变成灰色，与命令按钮“断开”形成互锁控制，TCP服务器指示灯控件变成红色，并在服务器IP和服务器名控件中显示创建TCP服务器的IP地址和用户名。当有客户机连接到TCP服务器时，客户机指示灯变成红色，并在客户机IP控件中显示连接TCP服务器的客户机的IP地址。

图5 上位机界面

3路温湿度数据测控部分主要完成设置3路温湿度数据的设定值、显示实际值、数据存储和对三台风扇和三台加湿器的控制。在各路温度的“设定值”控件中输入各路温度的设定值，点击“确定”按钮，完成设置3路温湿度数据设定值。点击“开始”按钮，在各路温度的“实际值”控件中显示当前各路DHT11温湿度传感器采集到的温度的实际值，在各路湿度的“实际值”控件中显示当前各路DHT11温湿度传感器采集到的湿度的实际值。当各路温度的实际值大于设定值时，通过继电器控制风扇运行，并使各路风扇指示灯控件变成绿色；当各路湿度的实际值小于设定值时，通过继电器控制加湿器运行，并使各路加湿器指示灯控件变成绿色。点击“停止”按钮，通过继电器控制三台风扇和三台加湿器停止运行，点击“存储”按钮，将3路温湿度数据的当前值保存到文档中，便于后续分析。上位机作为服务器的软件流程如图6所示。

图6 上位机作为服务器的软件流程图

首先获取服务器的端口号，注册服务器，如果服务器注册成功，获取服务器的IP地址和用户名。接着判断是否有客户机连接，如果有客户机连接到服务器，则获取客户机的IP地址，判断检测第几路温湿度数据，如果检测第1路(第2路或第3路)温湿度数据，则通过WiFi向客户机发送命令，并通过WiFi从客户机读取第1路(第2路或第3路)温湿度数据，判断是否第1路(第2路或第3路)湿度小于设定值或温度大于设定值，如果是，则通过WiFi向客户机发送继电器模块1或2(3或4、5或6)控制命令。

3.2 C8051F350控制器模块软件设计

结合Keil C软件平台设计，测控系统采用C8051F350单片机作为控制器模块。控制器模块软件主要由三部分组成：DHT11温湿度检测部分、ESP8266数据通信部分和6路继电器控制部分。DHT11器件采用简化的单总线通信，单总线即只有一根数据线，系统中的数据交换、控制均由单总线完成。C8051F350单片机发送一次开始信号后，DHT11从低功耗模式转换到高速模式，待C8051F350开始信号结束后，DHT11发送响应信号，送出40bit的数据，并触发一次采集[7]。C8051F350单片机作为客户机的软件流程如图7所示。

图7 C8051F350单片机作为客户机的软件流程图

首先，使用AT+CWMODE=1命令设置ESP8266 WiFi模式为station，获取服务器的端口号及IP地址，使用AT+CWJAP=“路由器用户名”，“路由器密码”命令使ESP8266连接到局域网路由器。然后，使用AT+CIPSTART=“TCP”，“aa.aa.aa.aa”,cccc命令使ESP8266作为客户机连接到服务器[8]，如果连接成功，获取服务器的IP地址和用户名。C8051F350再通过ESP8266无线WiFi模块接收上位机的命令，如果收到“采集第1路(第2路或第3路)数据”命令，C8051F350通过DHT11采集第1路(第2路或第3路)温湿度数据，通过WiFi将第1路(第2路或第3路)温湿度数据发送到上位机，接着判断是否接收到上位机控制命令。如果接收到控制命令，C8051F350根据命令控制继电器模块1打开加湿器1，或控制继电器模块2打开风扇1，或C8051F350根据命令控制继电器模块3打开加湿器2，或控制继电器模块4打开风扇2，或C8051F350根据命令控制继电器模块5打开加湿器3，或控制继电器模块6打开风扇3。

4 结语

本文以C8051F350单片机为数据采集控制芯片，以Labwindows/CVI 2012作为上位机软件开发平台，设计了一种基于Labwindows/CVI的无线多路温湿度测控系统。通过ESP8266无线WiFi模块将C8051F350单片机采集到的3路温湿度数据送往上位机，充分发挥了C8051F350数据采集优势、ESP8266无线通信优势以及Labwindows/CVI库函数丰富优势。系统具有对3路温湿度数据的采集、无线传输、控制和存储等功能，而且温度和湿度可以根据需要设定，能够满足绝大多数场合对温湿度的需求。经实验证明，该系统稳定性强，湿度的控制范围：32-74%RH，温度的控制范围：18-31℃。湿度误差小于±5%RH，温度误差小于±2℃，非常适合在科学实验室、机房、高精度数控机床车间以及养殖、种植等场合应用。

[1] 刘承桥,张耀南,冯克庭,等.MSP430F149的无线温湿度环境实时监测系统[J].单片机与嵌入式系统应用,2015,15(5):61-64.

[2] 刘鹏程,楼然苗.基于单片机的液晶触摸屏的设计[J].数字技术与应用,2015,10(5):140-141.

[3] 孙静,徐奕,何潇.基于移动客户端的智能教室光温无线控制系统[J].电子技术与软件工程,2015,73(12):32-33.

[4] 王登宏,厉佳男,贺雪辉,等.基于Arduino的手机同步显示温湿度检测系统的设计与实现[J].工业控制计算机,2016,29(7):42-45.

[5] 曹振民,陈年生,马强,等.基于ESP8266的无线控制电路设计[J].工业控制计算机,2017,30(1):68-69.

[6] 胡锦超,赵祥模,王润民,等.基于LabWindows/CVI的光电三极管虚拟测试仪设计[J].计算机测量与控制，2016，24(5):287-290.

[7] 温湿度模块DHT11产品手册[EB/OL].(2016-03-30)[2017-04-20].http://pan.baidu.com/s/1cDhcAi.

[8] ESP8266 AT Command Examples[EB/OL].(2016-07-27)[2017-04-20].http://www.espressif.com/en/support/download/documents.

[责任编辑、校对：东 艳]

Multi-Channel Wireless Measurement and Control System of Temperature and Humidity Based on Labwindows/CVI

WANGYu

(School of Mechanical Engineering,Xi′an Aeronautical Institute,Xi′an 710077,China)

Temperature and humidity are important physical quantities in production and daily life.The multi-channel remote measurement and control of temperature and humidity are used extensively.Labwindows/CVI 2012 is used as the developing platform of the multi-channel wireless measurement and control system of temperature and humidity,and C8051F350 microcontroller is used as the data acquisition and control chip.Data collected from three temperature and humidity sensors DHT11 are sent to host computer through ESP8266 wireless WiFi module.The host computer can process the data of three temperature and humidity,and control load by six channel relay module.This system is mainly composed of the following five parts:host computer,C8051F350 controller module,and temperature and humidity sensors module,WiFi module and relay module.The system is designed with the functions such as data acquisition,wireless transmission,control and storage of three channel temperature and humidity.

Labwindows/CVI;wireless;temperature and humidity;measurement and control system

2017-04-07

王瑜(1981-)，女，江苏徐州人，讲师，主要从事机电一体化技术、嵌入式系统应用、图像处理等方面的研究。

TP273

A

1008-9233(2017)03-0050-06