目前，无线国内气象站对地面气象数据的气象采集大多采用传统的有线方式，其布线成本高，站项维护不方便，目篇尤其对于山区等一些复杂的无线地形来说，这种缺点更为明显。气象传统的站项无线通信方式有很多，无线电、目篇微波、无线红外线、气象蓝牙、站项射频等，目篇在某些只需简单的无线无线连接的应用领域对数据速率的要求并不很高，设备的气象功耗是更需要考虑的问题。ZigBee网络是站项低功耗、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。

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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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。

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：

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：

将SHT11温湿度传感器的VCC、GND、SCK、DATA分别接至ArduinoUno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ArduinoUno控制板上的3.3V、GND、SCL和SDA。若ArduinoUno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ArduinoUno控制板上的+5V，LED-GND接至GND，LED接至数字引脚DS-GND接至GND，Vo接至模拟输入AVcc接至5V。

ArduinoUno控制器与XBee模块、BMP085和SHT11的硬件连接，如下图所示：

在基于Arduino与LabVIEW的个人小型气象站中，ArduinoUno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，ArduinoUno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：

_Command0x10//采集命令字definepressure_Command0x30//D0采集命令字definedataPinA3#defineclockPinA2SHT1xsht1x(dataPin,clockPin);BMP085bmp;bytecomdata[3]=;//定义数组数据，存放串口接收数据floattemp_c;floathumidity;intdustPin=0;intdustVal=0;intPressureVal=0;intledPower=2;intdelayTime=280;intdelayTime2=40;floatoffTime=9680;voidreceive_data(void);//接受串口数据voidtest_do_data(void);//测试串口数据是否正确，并更新数据voidsetup(){(9600);pinMode(2,INPUT);pinMode(3,INPUT);pinMode(ledPower,OUTPUT);pinMode(4,OUTPUT);analogReference(INTERNAL);();}voidloop(){while(()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}}voidreceive_data(void){inti;for(i=0;i3;i++){comdata[i]=();//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);}}voidtest_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]){casetemp_Command:temp_c=();(temp_c,2);break;casehumidity_Command:humidity=();(humidity,2);break;casepressure_Command:PressureVal=();(PressureVal,2);break;casedust_Command:digitalWrite(ledPower,LOW);//powerontheLEDdelayMicroseconds(delayTime);dustVal=analogRead(dustPin);//readthedustvalueviapin5onthesensordelayMicroseconds(delayTime2);digitalWrite(ledPower,HIGH);//turntheLEDoffdelayMicroseconds(offTime);(dustVal);break;}}}}

LabVIEW上位机部分需要完成以下功能：

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。

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。

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：

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ArduinoUno控制器发送不同的命令码，并获取ArduinoUno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：

湿度采集子程序的前面板和程序框图，如下图所示：

气压采集子程序的前面板和程序框图，如下图所示：

​粉尘浓度采集子程序的前面板和程序框图，如下图所示：

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：

​温度采集程序框图如下所示：

​湿度采集程序框图如下所示：

​气压采集程序框图如下所示：

​粉尘浓度采集程序框图如下所示：

​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。

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