基于PTR2000的無線氣象信息采集系統(tǒng)設(shè)計

摘要：本文介紹了一種基于PTR2000的無線氣象信息采集系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)溫度、濕度、氣壓等氣象數(shù)據(jù)的采集和傳輸。氣象數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由單片機ATmega16、溫度傳感器DS18B20、濕度傳感器HS1101和氣壓傳感器MPX4105構(gòu)成，實現(xiàn)溫度、濕度、氣壓等基本氣象參數(shù)的測量。采集的氣象數(shù)據(jù)通過無線收發(fā)模塊PTR2000上傳給上位機進行存儲和相應(yīng)處理。數(shù)據(jù)采集端由太陽能電源系統(tǒng)供電，可以滿足長期測量需要。

引言

　　隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對氣象信息的需求日益加大。農(nóng)業(yè)農(nóng)情灌溉氣象環(huán)境指標監(jiān)測、森林火險氣象指標監(jiān)測、各種突發(fā)性災(zāi)害性天氣的快速響應(yīng)和現(xiàn)場監(jiān)控均需要對氣象信息進行實時采集和分析。本系統(tǒng)采用DS18B20、HS1101等高精度傳感器，低功耗單片機ATmega16，數(shù)字無線收發(fā)芯片NRF401;數(shù)據(jù)采集端配備光伏電源系統(tǒng)供電。通過數(shù)據(jù)采集、傳送與處理實現(xiàn)周圍環(huán)境溫度、濕度、氣壓等氣象要素的全天候監(jiān)測;系統(tǒng)工作方式靈活，通過128×64液晶顯示器可實現(xiàn)現(xiàn)場所測數(shù)據(jù)的顯示，也可以采用無線通信的方式將數(shù)據(jù)傳送至計算機進行存儲和處理。

1 系統(tǒng)工作原理^[1-3]

　　氣象信息監(jiān)測系統(tǒng)由下位機數(shù)據(jù)采集和上位機數(shù)據(jù)管理兩部分構(gòu)成。下位機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由三部分構(gòu)成，如圖1所示。其中，數(shù)據(jù)采集模塊由傳感器DS18B20、HS1101、 MPX4105和單片機ATmega16組成，PTR2000數(shù)據(jù)收發(fā)模塊由數(shù)字無線收發(fā)芯片NRF401構(gòu)成，電源系統(tǒng)采用光伏電源系統(tǒng)構(gòu)成。上位機數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)如圖2所示，其中，PTR2000數(shù)據(jù)收發(fā)模塊由數(shù)字無線收發(fā)芯片NRF401構(gòu)成，經(jīng)MAX232電平轉(zhuǎn)換直接與計算機相連，計算機實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和處理。

　　上位機定時發(fā)出檢測指令，下位機通過無線收發(fā)模塊接收到檢測指令后，開始檢測氣象數(shù)據(jù)。檢測結(jié)束后，通過無線收發(fā)模塊把采集的數(shù)據(jù)發(fā)給上位機。上位機實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的儲存、圖形化。下位機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以實現(xiàn)現(xiàn)場氣象數(shù)據(jù)的顯示?，F(xiàn)場顯示時，無線數(shù)傳模塊被關(guān)閉，下位機數(shù)據(jù)采集端獨立運行，不依賴于上位機發(fā)出的檢測指令，依次顯示采集到的氣象數(shù)據(jù)。

2 信息采集系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

　　數(shù)據(jù)采集模塊以ATmega16為核心，完成氣象信息的采集、轉(zhuǎn)換和傳輸。系統(tǒng)中主要利用ATmega16的片內(nèi)ADC、定時/計數(shù)器、I/O口輸入輸出控制、可編程串行USART等資源實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。

2.1 溫度測量電路

　　利用數(shù)字溫度傳感器DS18B20進行溫度采集，溫度測量電路如圖3所示。 DS18B20的數(shù)據(jù)總線接ATmega16的P0.0口。ATmega16不支持單總線協(xié)議，采用軟件方法模擬單總線協(xié)議，完成對DSl8B20芯片的訪問。

2.2 濕度測量電路^[2]

　　濕度測量采用HS1101傳感器，測量電路如圖4所示。該電路把電容參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為與之成反比的電壓頻率的變化，振蕩電路輸出方波信號的頻率為如式(1)所示。

f=1/C_x^*(R₁+2*R₂ )*ln2 (1)

2.3 氣壓測量電路^[3-4]

　　系統(tǒng)選用MPX4105作為氣壓傳感器。MPX4105可產(chǎn)生與氣壓呈線性關(guān)系的模擬輸出電壓，氣壓測量電路如圖5所示。輸出電壓Vout和大氣壓P的關(guān)系如式(2)所示。

V_out=V_cc*(0.01P-0.09) (2)

2.4 液晶顯示電路

　　選用LCD128×64液晶顯示器顯示溫度、氣壓和濕度氣象信息，顯示電路如圖6所示。通過按鍵設(shè)置現(xiàn)場顯示氣象數(shù)據(jù)或是通過無線傳輸數(shù)據(jù)到上位機。

2.5 無線數(shù)據(jù)傳輸電路^[5-7]

　　系統(tǒng)采用無線傳輸模塊PTR2000傳輸氣象數(shù)據(jù)。本模塊工作頻率為國際通用的數(shù)傳頻段，設(shè)置CS可以選擇模塊兩個頻道中的一個作為通信頻道。PTR2000模塊直接與單片機的串口連接，通過MAX232進行電平轉(zhuǎn)換與計算機相連，構(gòu)成無線通信系統(tǒng)，完成氣象數(shù)據(jù)的無線傳輸。與ATmega16連接的數(shù)據(jù)發(fā)送端電路如圖7所示。

2.6 太陽能供電系統(tǒng)電路

　　下位機采用太陽能供電系統(tǒng)供電，供電系統(tǒng)主要由太陽能電池板、充電控制電路和蓄電池三個部分，太陽能電池供電控制電路如圖8所示。