NodeJS: Как написать правильно функцию возвращающую Json объект?

Может, так (но это не точно):

setInterval(function(){
  getData().then( data => {
    console.log(data);
  });
}, 3000);

async function getData() {
  var [h, t] = await new Promise( resolve => {
    sensor.read(11, 6, function(err, temperature, humidity) {
            resolve( [humidity.toFixed(1), temperature.toFixed(1)] );
    });
  });

  var cpu = await new Promise( resolve => {
    os.cpuUsage(function(v){
        resolve(v*100);
    });
  });

  var cpu2 = await new Promise( resolve => {
    os.cpuFree(function(v){
        resolve(v*100);
    });
  });

  var totalmem = os.totalmem();
  var freemem = os.freemem();

  var ret = {
    freemem: freemem,
    totalmem: totalmem,
    temp: t,
    hum: h,
    cpu: cpu,
    cpu2: cpu2,
  };
  return JSON.stringify(ret);
}

Доброго времени суток!

У тебя в коде есть ряд ошибок, которые происходят именно из-за не понимания, того как работает асинхронность в Node JS. Посмотри вот этот курс Ильи Кантора по NodeJS (смотри 20-21 видео) там всё подробно рассказано про асинхронность.

И сам сможешь написать рабочий код.

P.S. После того как поймёшь всё и вся про callback. Изучи генераторы, promise и async function.
P.P.S Если вообще никак не получится разобраться. То говори, решим вопрос =) А пока попробуй сам разобраться.