在国民经济和现代化快速发展的今天,人们对生产生活环境的意识显著提高。温度和湿度与人们的日常生活环境密切相关。温度和湿度的监测和控制在诸如农业、工业、航天等许多领域都有着非常重要的意义。传统的温度和湿度的测量方法是利用温度计和湿度计等检测装置通过手动方式进行测量。它只能被用于检测,不能对温度的变化进行报警。这种手工测量方法费时、费力、效率低、误差大。

本文介绍了基于Lab VIEW的无线传感器网络系统。传感器检测到的信号通过硬件连接被传送到计算机。采用图形化的编程语言,通过计算机对被测温度和湿度信号进行分析和显示,实现实时监测和自动报警,从而使得温湿度测量更加准确、方便、直观、成本低廉。

热电偶结构简单,使用方便,测温范围广,测量结果精确稳定,在许多领域都得到了广泛应用。热电偶测量温度的基本原理是热电效应。在两种不同材料的金属导体A和B组成的闭合回路中,当两个结点的温度不同时,回路中将产生电动势, 这种物理现象称为热电效应[1]。热电偶结构如图1所示。不同经书材料的自由电子密度不同,当两种不同材料的金属导体接触时,自由电子将发生扩散,在接触点将建立起一个电场,该电场又反过来阻碍自由电子的继续扩散,当达到动态平衡时, 便在接触点建立起一个稳定的热电势。

图中, eAB(T) 表示金属导体A,B在结点温度为T时的热电势,k代表玻尔兹曼常数(k=1.38*10-23 (J/K)),e表示电荷(e=1.6*10-19 (c)),NA, NB表示金属导体A,B的自由电子密度,T表示接触点的温度,则接触点的热电势为

当eA(T,T0)表示金属导体A在两端温度为T,T0时形成的电势, σA表示温差系数,T,T0表示两个接触点的温度,则热电偶的热电势为

回路中总的热电势为

即,

因此结论如下,(1)如果热电偶两个热电极的材料相同,即使两接触点的温度不同,回路中总的热电势必然等于零。(2)如果热电偶两个热电极的材料不同,而两个结点的温度相同,回路中总的热电势仍然等于零。因此,热电偶两个热电极的材料必须不同。

如图2所示,将图1中温度为T0的结点断开,接入第三种导体C,如果第三种导体的温度均为T0,则回路中总的热电势为,

如果金属导体A,B接触点的温度为T,另一个结点的温度为T0,并且T> T0,则回路中总的热电势为,

根据式子(5),

将式子(7) 带入式子(6),

根据以上推到,结论如下,导体A,B组成的热电偶,插入第三种导体时,当中间导体两端温度相同,则其对回路中总的热电势没有影响,这就是中间道题定律。

回路中总的热电势等于EAB( T ,TN)和EAB(TN,T0)的代数和, TN表示中间温度,则有如下公式成立,

上述公式一般用于系统温度及电信号的转换。

无线传感器网络是由三部分组成:节点,网关和系统。利用传感器对环境物理量进行检测,测量结点分布于监测范围内,与传感器相连接,监测周围环境。网关接收信号的无线传输,然后传递给计算机[2],通过软件编程来实现数据的采集、 处理、分析和显示。路由器是一种特殊的测量节点,它用于扩展无线传感网络的距离,增强可靠性。

无线传感器网络以太网网关可以连接到基于Windows和基于Lab VIEW的实时控制器,基于Windows的PC或嵌入式PC控制器。首先在Windows操作系统上安装Lab VIEW,便很容易将无线数据记录功能添加到Windows系统。在计算机上运行Lab- VIEW,就可以将传感器网络连接到计算机,并将收集到的实测数据进行分析和处理。系统结构图如图3所示。

本系统上位机采用Lab VIEW编程实现。Lab VIEW是美国国家仪器公司开发的图形化程序,是专为虚拟仪器软件应用开发的。它的编程语言功能强大,其最大的优点是直观,易于学习,编程效率高。Lab VIEW应用程序即虚拟仪器(VI),是由前面板,框图和图标/连接器(图标/连接器) 组成。前面板的人机交互界面,框图类似源代码,前面板接受来自框图的指令。在前面板上,控制模板模拟输入设备(如开关旋钮等) 和仪器的输出显示,并用程序框图[5]显示获得的数据,人机交互性好。

本系统在实验室内完成硬件搭建和软件的运行,对该温湿度监控系统以及对方案的可行性进行了测试,证实该系统实现了设计目标。

图4给出了系统的运行结果。在前面板上,按下“启动” 按钮后,系统便开始运行,显示节点实时数据曲线,并加以记录。用户可以将设定的温度和湿度极限值输入进去,当数据超过极限时,报警指示灯亮。关闭面板上的开关,整个系统停止运行。使用本系统,可以方便直观地对温度和湿度信号进行自动监测。

本文介绍了基于热电偶的温湿度监测系统,将传感器所测得的数据通过数据采集卡传输到计算机,利用虚拟仪器软件Lab VIEW进行编程,为用户提供了一个操作界面和显示界面, 对环境温湿度数据进行采集、传输和显示。用户也可以根据自己的需要通过虚拟仪器调整系统的功能。目前,本系统已完成了硬软件的联合调试,未来将进一步增强系统软件功能。