TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol.12, No.5, May 2014, pp . 3805 ~ 38 1 0   DOI: http://dx.doi.org/10.11591/telkomni ka.v12i5.5114          3805     Re cei v ed  No vem ber 1 1 , 2013; Re vi sed  De cem ber 3 0 ,  2013; Accep t ed Jan uary 1 2 , 2014   Intelligent Network Temperature and Humidity  Measuring System Based on USB Interface      Huan g Zhigu o* 1 , Huang Zhixin 2 , Cui Xi he 3 , Han She ngli 4   1,3, 4 Center of Industria l T e chnolo g y , C h e ngd e Petrole u m C o lle ge   High e r Educ ati on Meg a  Ce nter, Chen gd e Ci t y , Heb e i Provi n ce, Chi na, Ph ./F ax: + 86031 4 - 237 464 7   2 Pera Corp orat ion Ltd.   Buil din g  Cn 08, No.1 Bal i zhu a n gdo ngl i, Cha o y ang D i strict, Beijin g, Chi na, Ph ./Fax: + 86010 5 216 76 80   *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : 2784 12 27@ q q .com 1 , cuixi h e 123 @16 3 .com 3       A b st r a ct     Multi di gital  output rel a tive  humidity an d te mp eratur e  sensors-SHT 71 w e re set netw o rk  m o nitoring points in the system , which can m eas ure  at any m o ment, tim i ng, real-time tem per ature and  relativ e  h u m id ity per  po int  of the  envir on men t  by-turn.  T e mperatur e-hu mid i ty val ue, dew -poi nt  val ue, da t e   and ti me per p o int w e re displ a yed by lattic e  grap hi cs LCM  (Liq uid Crystal  Displ ay Mod u l e ) HY-128 64K.  At  the same time, they w e re saved in no nvo l ati l e F R AM (F erroel ectric Ran d o m Access Me mory) F M 31 25 6,  which can ass u re dat a do  not lose after t he power  of the system  fail.  Acqui red data c an be  uploaded  directly to PC i n  the USB-HO ST  mod e  or be  copie d  in di rect ly to PC far aw ay from testin g  field by flas h d i sk  in the  USB-DE VICE mo de. T he a ppl icati on  softw are not o n ly ca n draw  temper ature, h u midity  and  de w - poi nt curve an d calcul ate  ma ximu m,  mi ni mum, aver ag e, but also ca n ma k e  further statistical an aly s is,   report forms  pri n ting a nd set-u p  basic   me asur e para m eters o f  the system.    Ke y w ords :  te mp eratur e-hu mi dity, USB int e rface, netw o rk, F R AM        Copy right  ©  2014 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .       1. Introduc tion  T e mp er a t ur e - h u m id ity meas u r e m en t was  us ed  e x ten s ively in in du strial  and  ag ricultural  prod uctio n , daily life and resea r ch-d evelopme n t.  For example, h eavy humidity causes to  go   mouldy and  go bad in grain, medici n e s, cig a rette  and tea wa reho use. If tempe r ature and  humidity in  cotton wa re ho use  are un sui t able, sp onta neou com b u s tion  will ta ke  place in it. T he  perfo rman ce  of the preci s e in strum e n t  and semi condu cting d e vice is re du ced b e cau s e  of  sup e rh eating.  So temperat ure - humi d ity in much  e n vironmental fiel ds ne ed s to be measured a nd  controlled stri ctly.  The tradition al Tem p e r atu r e-humidity  meas urement  ado pted th e  metho d  of  measuri n g   the temp erat ure  and  h u m i dity sep a rat e ly, whi c can n o t well  get ri d of th e inte rfere n ce of   temperature  whe n  mea s u r ing humidity. In addition,  the intercha n geability of the sen s o r  is b ad,  the circuit is compli cated,  and it need s long -t ime  and compli ca ted calib ratio n  [1, 2]. At the  pre s ent time,  the dome s tic research in t e mpe r at ure a nd humi d ity measurement  is in focal ti me,  su ch as  Na njing Unive r sity of Aeronautics  and  Astronauti c s, Beijing Intelligen ce Tu owei   Tech nolo g ica l  Re sea r ch In stitute, Heb e i  Normal  University of Sci e nce  and T e chnolo g y, Electric   and Inform ation Engin eeri ng Institute o f  Hunan  Univ ersity, HL J A ugu st First Land Recl ama t ion   University et c. But the  abo ve-mentio ned  mea s u r em e n t wa s finish ed by  di scret e  sen s o r , whi c h   wa s low  mea s ureme n t pre c isi on, sin g le -point me a s u r i ng not to be  suitabl e to large green hou se   environ ment and  ad opts RS232 se rial   comm uni cati on what ha low dat a tran smissio n  ba u d not to meet p r esent tren d in developm e n t of comput e r  interfa c e. In  foreign  cou n try, the research   in the field  is  more  matu re  and h a s hig h   degree  of a c cura cy, su ch  a s  Ame r ican  DeltaTRAK a n d   QUAT RO NIX co mpa n y, G e rma n y Te sto  Co mpa n y, Au stria,  Finla n d , Ja pan,  etc.  But they  are   so  expen sive that the majorit y  users in ou r country  can  not afford the m To the  ab ove  dom esti c a n d  inte rnatio na l cu rrent   situa t ion, the  syst em a dopt s lat e -mo del  temperature - humidity integration di gital  output  sen s or-S HT1 1  to comp ose net work mea s u r i n g   points, whi c h has high   mea s ureme n accura cy,  goo d l ong-te rm  sta b ility and fa st re spo n se tim e Data a c q u ire d  by multi SHT11  not onl y can b e  upl oade d directl y  to PC throu gh USB inte rfa c e   but also can  be keep in  n onvolatile F R AM-FM3 1256 , which can n o t lose  even  if the system  is  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 5, May 2014:  3805 – 38 10   3806 power-fail. M o re i m po rtan t, commu nication b e twe e n  the  micro c omp u ter an d the P C   h a repla c e d  trad itional  RS23 2 serial  inte rface  by do u b le-m ode  US B interfa c (USB-HOST  and  USB-DEVICE ), which ca n be implem ent ed not only dire ctly but also indire ct ly throug h flash di sk.   So the syste m  has  small i n terface, plug   and play and  better universal pe rform a n c e.       2. The Gross  Structu r e of the Sy stem  The  system i s  ma de  up of  the PC  and  the mi cro c o m puter. T he mi cro c o m pute r   rega rd AT89C52 as t he co re, whi c h is made up  of data acqui sition network, LCD mod u le , data memory  module  and  USB com m u n icatio n mod u le to finish  acq u isitio n, d i splay, mem o ry and u p loa d ing  temperature   and h u midity  data. It not o n ly can  a c qui re  d a ta o r   sto p  at any time  by the  key,  but  also  can  do t h rou gh  whi c h  the co rre sp o nding a ppl i c a t ion software  of the system  set acqui sition  initial time, st op time  and   time interval.  In ad dition,  it has a c ou st o-opti c  al arm  functio n  wh en   temperature  and humi d ity of the enviro n ment is ov e r  pre - setting range. The P C  is mad e  u p  o f   data processing an d pa ra meter  setting , which c an  dra w  curve,  list displayin g , mathemati c   analysi s , statistical an alysi s  rep o rt printi ng and  set up paramete r s of the micro c ompute r  su ch  as  start  and  stop  time, time int e rval, up pe r a nd lo we limit value  to alarm  etc.   T he gross stru cture of   the system i s  as sho w n in  Figure 1.                              2.1. Data  Ac quisition Ne tw o r k   The sy stem u s e s  multi temperatu r e - hu m i dity  integration digital out put sen s o r-S HT11 to   do multiple -p oint mea s u r e m ent by-tu r n,  whi c h i n tegrate tempe r at ure  and  hum idity respon se  element, sig nal amplifie r, A/D convert e r,  OTP RO M (One Ti m e  Prog ramm able Read  Only   Memory ), I2C bus et c. peri pheral ci rcuit. It outputs  directly digital si gnal of the re lative humidity  and te mpe r at ure  after calibration.  It strengthe ns si g nal inte nsity  and  anti-inte rferen ce  and  l ong- time stability,  whi c h re solve s  availably de ficien cy of traditional temp eratu r e an d humidity sen s o r .   In additio n , it  can  al so  mea s ure  de w-p o i n t accu ra tely,  whi c h   will n o t  introd uce e r ror be ca use  of  the temperature differen c e  of temperatu r e and h u midi ty [3, 4].    From Figu re  2 (relative humidity digital  output pe rforma nce cu rve), we can  see it  appe ars n o n - linea rity. Th e sy stem  ad opted m e tho d  of  softwa r e to  com p e n sate  it to  gain  accurate data .  The formula  to amend hu midity value is as follo ws:                           In the above formul a,  RH SO  is rel a tive humidity measu r in g value of the se nso r , whi c h is  as follows (th e  humidity ca n sele ct from  14 or  12 bit, the temperat ure can sel e ct from 12 or  8   bit):    12 bit  RH SO 1 C = -4  2 C = 0.0405  3 C = -2. 8 ×1 0-6   8 bit  RH SO   1 C = - 4   2 C = 0.6480  3 C = -7. 2 ×10 - 4     Figure 1. The  Gro ss Stru ct ure  Blo ck  Dia g ram of the S y stem AT89C52   USB  FRAM   LCD  PC  Parameters   i R e po r t  p r in ting   Data an alysi s   C u r v e  dr aw ing   …  Se n s or  n  Se n s or  3  Se n s or  2  Se n s or  1  …  RH RH RH linear SO SO C SO C C RH 3 2 1 Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Intelligent Net w ork Tem p e r ature an d Hu m i dity Measu r ing System  Based o n … (Hua ng Zhig u o 3807 The  above  fo rmula  is u s e d  to  cal c ulate   humidity valu e in  the  ca se   of  25 Ԩ , but  the real  measuri ng te mperature i s  cha nge d with in the spe c ific ran ge, so t e mpe r at ure coefficient of the  humidity sen s or  sho u ld b e  con s ide r e d , which  can b e  comp en sat ed acco rdin g  to the following  formula:           In the above formul a,  T is an  actual temp erature value.  Its  c o effic i ent is  as  follows   12 bit  RH SO 1 t = 0. 0 1   2 t = 0.000 08   8 bit  RH SO   1 t = 0.01   2 t = 0.0012 8     The tempe r at ure line a rity of the SHT71 is very good, so tempe r atu r e digital outp u t can   be co nversed  actual value  by the followi ng formul a:      In the ab ove  formula, S O T is tem p e r a t ure o u tput v a lue of th sen s o r . The   sup p ly  voltage of the system is 5V Whe n  the re solution of the temperature  sen s o r  is 14  bit,  01 . 0 , 40 2 1 d d Whe n  the re solution of the temperature  sen s o r  is 12  bit,  04 . 0 , 40 2 1 d d The  de w-p o in t value of  the  environ ment  can  be  calcul ated a c co rdin g to  relative  h u midity  and tempe r at ure by the followin g  formul a:                  2.2. LCM (Li quid Cr y s tal Displa y  Mod u le)  LCM a dopts l o w con s ume d  power  HY-1286 4K mod u le, whi c h ca n displ a y temperatu r e,   humidity, de w point, no time and dat e of every m onitorin g  poi n t  together, so  that it can m a ke   use r s m onitor more conven iently the environm en t. The  LCM ado pts  LED blue b a ck lighting  wha t   is  controlled   by key, which can m a ke  use r read te mperature  an d humi d ity value u nde r di m- beam o c casi on.      0     500   1000   1500   2000   2500   3000  100% 80% 60% 40% 20% 0% Relati ve humi d ity  Digital outp u t Figure 2. The  Relative Hu midity Digital  Output Perfo r mance Cu rve  of the SHT71  linear RH true RH SO t t T RH ) ( ) 25 ( 2 1 T SO d d TC 2 1  2 10 log 3 . 237 / 5 . 7 66077 . 0 RH T T LogEW   16077 . 8 / 3 . 237 66077 . 0 LogEW LogEW D P Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 5, May 2014:  3805 – 38 10   3808 2.3. Data M e mor y  Module  Und e r a  lot of occa sion s (su c as  high  ri sk o c ca sion,  seal ed environm ent etc.),   comm uni cati on b e twe en t he PC an d th e micro c om p u ter  can  not  be exe c ute d   dire ctly and  real- time, so hist orical tempe r ature an d hu midi ty data need re co rdin g, and then they will be d one  cure-dra win g , analysi s   pro c e ssi ng, repo rt-p rint ing, et c. The  system  adopt s adva n c ed  nonvol atile   FRAM-FM31 256, which  has  10 yea r s rete ntion  t i me after p o w er-fail, unli m ited re ad/write  endu ran c e. So it assu re s histori c al d a ta memory  rel i ability. In ad dition, the memory integ r ate s   RTC (real -time cl ock), low-V D D reset circuit  (in s tead  of sep a rate  clo c chip -DS 1302 ) an d   watchdo tim e r circuit (in s tead of  X504 5   chi p ),  whi c make s th system h a s hig her i n tegratio and better  reli ability [5, 6].      2.4. USB Co mmunicatio n Module   USB interfa c e ha s g o t ex tensive  popul arizat ion and   appli c ation  with  a   great deal of  cha r a c teri stics such a s  its plu g  and  play, c onve n ience, apt ex pandi ng, hig h  sp eed. But ,  to  develop ers, rese archin g USB inte rface  is not a easy  thing, becau se it requi re s develope rs t o   comp re hen d deeply USB stand ard, firmwa re progr amme and d r iver com p ilin g, which re strain gene ral  hard w are e ngine er' s  devel op ment to US B  interfa c e p r odu cts [4]. B u t, in the sy stem,  universal  US B interfa c e  chip  CH375  is  use d . It only  need develo pers to  p r og ram  sigle c hip   and   PC ap plicatio n software, so it ha s ma n y  cha r a c teri stics  su ch  a s  a p t usin g, sho r t develo p me nt  perio ds. Mo re  important, it sup port s  US B-HOST m o d e  and USB-DEVICE mode.  The system has bro k e n   t h rou gh  traditi onal singl e USB  extern a l   device and   adopt s   doubl e USB plug seat mo de, whi c h en able it not  onl y can wo rk in  USB-DEVICE mode but a l so   be u s ed i n  USB-HOST m o de, so it  provi des  more  con v enien ce to d i fferent u s ers  and o c ca sion s.   The interfa c circuit of the CH375 a nd SCM is a s  sho w n in Figu re  3 [7-10].             SCM ju dge whi c USB pl ug  seat i s   wo rkin g by  high   or lo w level o f  the STAT US sig nal,   and the n  ma kes  su re  whi c h co mmuni ca tion mod e  the  system i s   wo rkin g in. If the  port P5 2 join ts  PC, the CH3 75 wo rks i n  d e vice mo de. If the port P5 1  joints USB d e vice (su c a s  flash disk), the  CH375  wo rks in h o st m o de. The  both  can ' t wo rk  a t  the sam e  time. Un der th e idle  situati on,  STATUS si g nal is l o w l e vel, SCM m a ke the CH375 works  in   the  ho st m ode. When  USB  appa ratu s in sert s P5 1, th e CH37 will  inform  aut o m atically SCM to de al wi th co rrespon ding   work.  Whe n  the P52 j o ints with  USB po rt of the PC,  5V voltage of  the PC m a kes the  STAT US   become lo w level, and the n  SCM monit o rs th e STATUS sign al to swit ch the CH37 5 to device   mode [11, 12] The dou ble mode USB interface ma kes the sy ste m  more univ e rsal, more  convenie n and meetin g much o c ca sio n Y5 12 M H z C5 2 15 P C5 1 15 P C5 5 0. 4 7 u F C5 4 0. 1u F C5 3 10 0 u F VC C VC C 1 1 2 2 3 3 4 4 P5 1 HO S T 1 1 2 2 3 3 4 4 P5 2 DEV I C E D- D+ R5 1 1K R5 2 1K ST A T U S R5 3 3. 3K C5 6 10 0uF L5 V CC 1: D E V I C E 0: H O S T D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 A8 A1 5 RD WR IN T 0 R5 4 1K D5 VC C RS T D0 15 D1 16 D2 17 D3 18 D4 19 D5 20 D6 21 D7 22 A0 8 RD # 4 WR # 3 CS # 27 IN T # 1 RS T 25 RST # 26 VC C 28 V3 9 TXD 5 GN D 12 GN D 23 UD - 11 UD + 10 RST I 2 XI 13 XO 14 AC T# 24 RX D 6 U5 CH 3 7 5 S Figure 3 Th e Interface Ci rcuit Di ag ram  betwee n  CH375 an d SCM   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Intelligent Net w ork Tem p e r ature an d Hu m i dity Measu r ing System  Based o n … (Hua ng Zhig u o 3809 2.5. The App lication Softw a r e  an d Dri v er  in the PC  The PC appli c ation softwa r e and d r iver adopt visual  programmin g  langua ge - Visual   Basic to p r o g ram. T he d r iver fini she s  USB comm unication Pro t ocol inte rfa c e program  with   system software.  The appl ication softwa r is  m ade u p  of data pro c essing a nd p a ram e ter  setting   module,  whi c h can  reali z e  the follo wing  functio n s: te mperature,  h u midity and   dew-poi nt curve  dra w ing,  sho w ing m a ximu m, minimum  and me an i n  any time i n terval, to transfe r Mi cro s oft  Office Excel  to display  data in list, statistica l an alysis a nd report p r inting . In addition, the  softwa r ca n  set m any p a ram e ters of  the  system   (su c h  a s   start and  stop  time, time inte rval,   startup  mod e ,  memory mo de, wa rnin g thre shol of t e mpe r ature a nd humi d ity value et c.). Th gro ss  stru ctu r e of the software in te rface is as  sho w n Fi gure 4.             3. The Exper i mental Res u lt and Its Analy s is    Thro ugh te sted in green h ouse, the system is co nfirmed that it has very hig h   accuracy   and mea s u r in g effect. Temperatu r e an d humidity curv es in the Fig u re 5 were d r awn a c cordin to actual a c q u iring d a ta in  the green ho use. Mea s u r i ng time interval of these data is 5 second.  Tempe r atu r error d oes  n o t exceed  ± 0.4 and hu mi dity erro r doe s not exce ed  ±3.0% throu gh  comp ari ng  a nd a nalyzi n g  with  the  sta ndard tem p e r ature  sy stem  and  hyg r om eter.  Nonvol a t ile   memory  ca n  store mo re  than 1 600 0  gro up  dat a.  Wh en the   system i s   u s ed  und er the   environ ment whi c tem perature and hu midity  cha n g e  slo w ly, it ca n mea s u r e fo r ab out 22 0 d a ys  contin uou sly by gatherin g once at in tervals of every 2 0  minutes.                                   4. Conclusio n   The sy stem  use s  adva n ced sin g le bu s sen s o r whi c h is reli able,  stable, fully calibrate and fully interch ang eabl e. It not only can acquire  a nd memo ry tempe r ature a nd humidity data  automatically long-time  bu t also c an do  write-protect  to these dat that is a c q u ired. In ad di tion,  Figure 4. The  Interface Structure and F unctio n  Block Diagram of P C   A p p l i c a t i o n   S o f t w a r e   D a ta pro cessing  D r aw ing  cu rv Statistical analysis I nqu ir y pro cessin g C r eat i ng re po rt Prin ting  report  Main  in terface  C o m m uni cat i o n c h eck   Param e ters settin War n i n g t h res hol d N ow time and   d a te Time in terv al   Stat and stop ti me  Mem o r y  mo de   Figure 5. The  Interface of  Cu rve  Drawi n g and Data Analysi s   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 5, May 2014:  3805 – 38 10   3810 these d a ta can not lo se a fter power-fail  beca u se  of the nonvol atile FRAM. Mo re importa nt, the  s y s t e m  n o t  on ly c a n  ac quir e  da ta  au toma tic a lly  according to  s t art time , s t op  time and time   interval set b y  users, which need not m onitorin g  artificially and is  suitabl e for many dang erous  occa sion, bu t also ca n cast off the PC to r eali z start and  sto p  as a po rta b le mea s u r in g   instru ment at any time,  whi c h ca n make  u s e r more conven ient. The double mod e  USB   interface m a kes  data tran smissi on  more  co nvenient  a nd fa st. It can  co py data  to  lab PC by fla s disk un der th e locale  with out PC. Th system  ha many charact e risti c s such  as hi gh p r e c i s ion,  good  stability, high dep end ability and uni versality etc.        Referen ces   [1]    Xu P i n g , T i an Yu, et al. Researc h  of  un iversal tem per ature a nd h u m idit y meas ur ement.  Chi n a   Instrume ntatio n . 2004; (1): 35 -37.   [2]    Z hang Z hon g p in g. T he research  of h u midit y  me asuri n g instrum ent  base d  o n  ME MS. Senso r   T e chnolog y. 2 003; (2): 11 3-1 16.   [3]    Meng  Ch en,  Li  Min, et  al.  Dig i t al T e mperatur a nd  Humi dit y  Sens or SHT 11 Bas ed  on  I2 C Bus  an d Its  Appl icatio n i n  t he S i ng le-ch i p   Microcomp u ter  S y stem.  In te rna t i o na l  El e c tron i c  Elem en ts . 200 4; (2): 5 0 - 52.   [4   H e  Li mi n .  T h e d e s ig n o f  app l i c a t io n sy stem o f  MCS-5 1  series  SCM.  Beiji ng: B e iH a ng U n iv ersit y   Press. 2005.   [5]    Du Z h o ngl ian g ,  Z hang  Xuhu i. Appl icatio n of  F M 3125 6 in M u lti-us er Multi-r a te W a tt-hour  Meter.  Power  Syste m  Eng i nee ri ng . 200 5; 21 (4).   [6]    Z hao  Xia o sh u n , Yu Hual i, et al. Desig n  of  doub le-mo d e  USB interfa c e of tempera t ure humi d it measuri ng a p p a ratus.  Journ a l  of Agricultura l  Mecha n i z a t i on  Rese arch . 20 0 7 ; (10): 171-1 7 3 [7]    Che n  Limi ng,  T i an Xue l o ng,  et al. USB in terf ace sol u tio n  for the athl e t e' s heart sou nd telem e tr sy s t e m Chi n e s e Medic a l Eq uip m ent Journ a l . 200 4; (2): 14-15.   [8]    F eng Yu an, Z h enli a n g  Di ng, h ong C h e n . Res earch  o n  the i n flue nce of e n v ironme n t temperatur e an d   its compens ati on in precis io n tem per ature me asurem ent  w i th  plat in um resist ance. 20 03; 82 ~ 8 6   [9]    Nanj in g Qin H eng E l ectro n i cs Co.Ltd.  USB bus  int e rface ch ip  CH37 5  C h i n e s e man ual.   http:// w c h.cn/d o w nl oa d/Defa u l t.asp?cl a ssid= 6. 2005.   [10]    LLi  Xin l o ng, Z hai Ho ngfa n , et al. USB chip  CH37 5 ’s a p p licati on i n  a po w e r measur ement s y st em   Contro l & Automation. 20 06;  22(9): 31 0-3 1 2 .   [11]    Xu  Ju n, Li   Xi n ,  Ai H ong,  et  al. A  Nove l W i reless T e mper ature M e ter B a sed  on  Quart z  T uning-fork   T e mperatureS ensor ISTM.  200 5; 374 9~ 37 52       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.