基于無線射頻通信技術(shù)的氣象數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

1、基于無線射頻通信技術(shù)的氣象數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于無線射頻通信技術(shù)的氣象數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)1.引言自然環(huán)境時刻影響著人們的日常生活，而隨著氣候和環(huán)境問題的日益嚴峻，人們對于溫度、濕度、P2.5等根本氣象環(huán)境要素愈加關(guān)注，更希望可以實時獲知一定范圍內(nèi)詳細位置的要素信息?，F(xiàn)今人們對于氣象環(huán)境信息的理解多來源于公共天氣預(yù)報，很難自己時刻理解詳細位置的相關(guān)信息，而對于根本氣象數(shù)據(jù)的采集系統(tǒng)往往較為復(fù)雜，本錢較高，不便于我們在日常生活中應(yīng)用。所以，設(shè)計一種合適普通人使用的簡易高效氣象數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)就變得非常有意義。本文提出了一種簡易的基于無線射頻通信技術(shù)的氣象數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)以單片機SP430F149為控制核心，采

2、用nRF905實現(xiàn)無線射頻通信，主要目的是擴大信息監(jiān)測范圍，并進步整個系統(tǒng)的實用性與高效性。同時，在傳感器的選擇上，首先是最根本的溫度、濕度、氣壓傳感器，然后針對現(xiàn)實情況，重點選擇了粉塵傳感器、噪聲傳感器用來監(jiān)測倍受關(guān)注的霧霾天氣與噪聲污染。2.系統(tǒng)整體設(shè)計該系統(tǒng)的整體構(gòu)造框圖如圖1所示，為實現(xiàn)利用無線射頻通信進展信息采集，系統(tǒng)包含采集端、顯示端兩個局部。采集端置于檢測位置，通過相關(guān)傳感器進展數(shù)據(jù)采集，傳感器包括溫度傳感器、氣壓傳感器、濕度傳感器、粉塵傳感器以及噪聲傳感器，并且可以根據(jù)需要進展擴展。傳感器的輸出信息由SP430F149進展處理，處理后的數(shù)據(jù)信息通過nRF905模塊的發(fā)射端進展信

3、息發(fā)送輸出。顯示端先由nRF905模塊接收端接收來自發(fā)射端的無線傳輸信號，再把信息傳給SP430F149單片機進展處理，之后測量結(jié)果在液晶LD12864上進展顯示。圖1系統(tǒng)總體構(gòu)造框圖3.系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1無線通信模塊設(shè)計本系統(tǒng)主要是本文由論文聯(lián)盟搜集整理利用無線射頻通信技術(shù)進展采集數(shù)據(jù)傳輸，選用的是無線射頻通信模塊nRF905。nRF905是Nrdi公司推出的一款單片射頻芯片，具有三個工作頻段433、868、915Hz1，本系統(tǒng)采用433Hz頻段。nRF905采用的是VLSIShkBrust技術(shù)，使得nRF905可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸，如此就不需使用昂貴的單片機進展數(shù)據(jù)處理/時鐘覆蓋2，同時

4、速率可以由自己設(shè)定。在ShkBrust工作形式下，芯片可以自動產(chǎn)生前導(dǎo)碼和R3，所以通信具有較高的準確性。nRF905模塊采用SPI接口通信，而本設(shè)計中nRF905與單片機的通信采用模擬SPI接口代替硬件接口，這樣既簡化了電路構(gòu)造又降低了系統(tǒng)本錢。nRF905具有很低的電流消耗，在發(fā)射功率為-10dB時，具有11A的發(fā)射電流和12.5A的接收電流4，在PERDN形式下很容易實現(xiàn)節(jié)電。nRF905的整體性能降低了U本錢，實現(xiàn)了系統(tǒng)低功耗的特點，無線傳輸?shù)馁|(zhì)量與間隔 也能滿足實際需求。本系統(tǒng)的nRF905管腳圖及與單片機的連接如圖2所示。圖2nRF905管腳及單片機連接圖3.2微處理器模塊設(shè)計本系

5、統(tǒng)中的微處理器模塊主要由SP430F149單片機、DS1302時鐘、LD12864液晶組成。該模塊控制著整個系統(tǒng)的運行，并且實現(xiàn)時間與測試數(shù)據(jù)的同時顯示。SP430F169單片機是TI公司開發(fā)的16位總線的帶FLASH的單片機，具有很高的性價比和集成度。該單片機內(nèi)置有12位的AD轉(zhuǎn)換器，在本系統(tǒng)設(shè)計中方便地把傳感器采集的模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。SP430F169單片機最突出的優(yōu)勢在于它的超低功耗，尤其合適在使用電池供電下的場合工作5。本系統(tǒng)中最終的供電來源于電池，且用于自然環(huán)境中的長期使用，所以超低功耗是選擇該單片機的重要因素。同時，該系統(tǒng)選用時鐘DS1302模塊實現(xiàn)計時，選用LD12864液

6、晶進展數(shù)據(jù)顯示。DS1302由美國DALLAS推出，具有功耗低、性能高的特點，數(shù)據(jù)通信采用SPI接口，既可提供精準的時間，又可實現(xiàn)自動調(diào)整。LD12864液晶作為顯示終端也具有高效、低本錢的特點。3.3傳感器模塊局部為實現(xiàn)多項氣象數(shù)據(jù)的采集，本系統(tǒng)采用了多種傳感器。傳感器的選擇按照高效能、實用性高、本錢及功耗低的原那么。本文僅簡單介紹最符合原那么的幾種傳感器：DS18B20、DHT21、BP085、DS501A、噪聲傳感器。除了本文介紹的幾種傳感器，該系統(tǒng)還可以按照實際需求添加相應(yīng)的傳感器。DS18B20是最常用的溫度傳感器，具有體積孝本錢低、抗干擾、精度高的特點，測溫范圍為-55+125。使

7、用時采用單線接口方式，使用一條線實現(xiàn)雙向通信，無論是硬件還是軟件設(shè)計都非常方便。DHT21是一款準數(shù)字輸出的電容式溫濕度傳感器，本系統(tǒng)中采用它進展?jié)穸鹊臏y量。DHT21可以測量20%-95%的濕度范圍，同樣是單線串行輸出，與單片機只需一條線連接，節(jié)省I口，而且DHT21具有極高的可靠性與長期穩(wěn)定性，非常合適自然環(huán)境中濕度的測量。BP085是一款常用大氣壓力傳感器，具有精度高、功耗低的特點，有溫度補償功能，測量范圍為300-1100hPa，在低功耗形式下精度為0.06hPa。BP085內(nèi)部含有AD，數(shù)字輸出，可以通過II總線與單片機相通信，使用較為簡單。圖3各傳感器使用電路圖DS501A是基于光

8、散射原理，使用獨特檢測方法的粉塵檢測傳感器，用于檢測1或2.5以上的微塵。該傳感器采用計數(shù)法檢測粉塵濃度，雖不能準確地檢測出P2.5的值，但也可以近似地反映出空氣質(zhì)量，滿足普通人們對于空氣質(zhì)量的監(jiān)控需求。DS501A輸出的是P脈寬調(diào)制，通過檢測低脈沖率來確定空氣中的灰塵濃度。本設(shè)計中為測量噪聲強度，采用一種含高精度麥克風傳感器的模塊設(shè)計，該模塊可測量聲音強度，模擬信號輸出，模塊中含有用L386設(shè)計的放大電路，增益可調(diào)。輸出的模擬信號由單片機中內(nèi)含AD進展數(shù)模轉(zhuǎn)換。各傳感器的詳細電路圖如圖3所示。下轉(zhuǎn)封三上接第153頁4.軟件設(shè)計本系統(tǒng)軟件設(shè)計采取模塊化程序設(shè)計，主要分為nRF905發(fā)送接收程序

9、、各傳感器測試程序、數(shù)據(jù)處理顯示程序。4.1nRF905發(fā)送接收程序圖4接收發(fā)送詳細流程圖nRF905的使用主要分為發(fā)送和接收兩局部程序6，首先都要對RF配置存放器進展設(shè)置，發(fā)送和接收兩局部對RF配置存放器的設(shè)置必須統(tǒng)一，統(tǒng)一設(shè)置頻段為433Hz，地址寬度、接收地址、輸出功率、R校驗允許、R形式等也都設(shè)置一樣。由于本系統(tǒng)中有好幾個傳感器，所以有效數(shù)據(jù)長度取10字節(jié)。由于模擬SPI通信，所以還需要I口模擬SPI時序進展讀寫操作。圖4所示是接收發(fā)送數(shù)據(jù)時詳細流程圖。4.2傳感器信息采集及數(shù)據(jù)處理在本系統(tǒng)中采用多種傳感器，每種傳感器的采集程序在本文中不作詳述。本系統(tǒng)中，單片機對各傳感器進展循環(huán)掃描控

10、制，采集傳感器輸出的原始信號，如噪聲傳感器輸出的模擬信號要用單片機自帶的12位AD進展模數(shù)轉(zhuǎn)換。最后把所有數(shù)字信號按順序編碼存取起來，把形成的整體數(shù)字信號通過nRF905發(fā)送。nRF905接收到數(shù)據(jù)后，單片機對接收數(shù)據(jù)中屬于每個傳感器的數(shù)據(jù)分別進展處理，轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的真實測量數(shù)據(jù)，最后，單片機把這些數(shù)據(jù)在液晶上進展顯示。詳細過程如圖5所示：圖5傳感器信息采集及數(shù)據(jù)處理詳細過程5.測試結(jié)果本系統(tǒng)采用無線射頻通信技術(shù)進展氣象數(shù)據(jù)采集，利用nRF905實現(xiàn)無線射頻通信。通過測試，本系統(tǒng)可以實現(xiàn)200范圍內(nèi)的無線采集通信，可以測量溫度、濕度、大氣壓、空氣灰塵濃度、噪聲強度等信息，測量誤差在允許范圍內(nèi)。同時，由于整個系統(tǒng)都遵照低功耗的原那么，所以系