基于无线射频通信技术的气象数据采集系统

1/7基于无线射频通信技术的气象数据采集系统基于无线射频通信技术的气象数据采集系统1引言自然环境时刻影响着人们的日常生活，而随着气候和环境问题的日益严峻，人们对于温度、湿度、等基本气象环境要素愈加关注，更希望可以实时获知一定范围内具体位置的要素信息。现今人们对于气象环境信息的了解多来源于公共天气预报，很难自己时刻了解具体位置的相关信息，而对于基本气象数据的采集系统往往较为复杂，成本较高，不便于我们在日常生活中应用。所以，设计一种适合普通人使用的简易高效气象数据采集系统就变得十分有意义。本文提出了一种简易的基于无线射频通信技术的气象数据采集系统，该系统以单片机MSP430F149为控制核心，采用NRF905实现无线射频通信，主要目的是扩大信息监测范围，并提高整个系统的实用性与高效性。同时，在传感器的选择上，首先是最基本的温度、湿度、气压传感器，然后针对现实情况，重点选择了粉尘传感器、噪声传感器用来监测倍受关注的雾霾天气与噪声污染。2系统整体设计2/7该系统的整体结构框图如图1所示，为实现利用无线射频通信进行信息采集，系统包含采集端、显示端两个部分。采集端置于检测位置，通过相关传感器进行数据采集，传感器包括温度传感器、气压传感器、湿度传感器、粉尘传感器以及噪声传感器，并且可以根据需要进行扩展。传感器的输出信息由MSP430F149进行处理，处理后的数据信息通过NRF905模块的发射端进行信息发送输出。显示端先由NRF905模块接收端接收来自发射端的无线传输信号，再把信息传给MSP430F149单片机进行处理，之后测量结果在液晶LCD12864上进行显示。图1系统总体结构框图3系统硬件设计无线通信模块设计本系统主要是本文由论文联盟HTTP/收集整理利用无线射频通信技术进行采集数据传输，选用的是无线射频通信模块NRF905。NRF905是NORDIC公司推出的一款单片射频芯片，具有三个工作频段433、868、915MHZ1，本系统采用433MHZ频段。NRF905采用的是VLSISHOCKBRUST技术，使得NRF905能够实现数据的高速传输，如此就不需使用昂贵的单片机进行数据处理/时钟覆盖2，同时速率可以由自己设定。在SHOCKBRUST工作模式下，芯片可以自动产生前导码和CRC3，所以通信具有较高的准确性。3/7NRF905模块采用SPI接口通信，而本设计中NRF905与单片机的通信采用模拟SPI接口代替硬件接口，这样既简化了电路结构又降低了系统成本。NRF905具有很低的电流消耗，在发射功率为10DBM时，具有11MA的发射电流和的接收电流4，在POWERDOWN模式下很容易实现节电。NRF905的整体性能降低了MCU成本，实现了系统低功耗的特点，无线传输的质量与距离也能满足实际需求。本系统的NRF905管脚图及与单片机的连接如图2所示。图NRF905管脚及单片机连接图3微处理器模块设计本系统中的微处理器模块主要由MSP430F149单片机、DS1302时钟、LCD12864液晶组成。该模块控制着整个系统的运行，并且实现时间与测试数据的同时显示。MSP430F169单片机是TI公司开发的16位总线的带FLASH的单片机，具有很高的性价比和集成度。该单片机内置有12位的AD转换器，在本系统设计中方便地把传感器采集的模拟信号转化为数字信号。MSP430F169单片机最突出的优势在于它的超低功耗，尤其适合在使用电池供电下的场合工作5。本系统中最终的供电来源于电池，且用于自然环境中的长期使用，所以超低功耗是选择该单片机的重要因素。同时，该系统选用时钟DS1302模块实现计时，选用4/7LCD12864液晶进行数据显示。DS1302由美国DALLAS推出，具有功耗低、性能高的特点，数据通信采用SPI接口，既可提供精准的时间，又可实现自动调整。LCD12864液晶作为显示终端也具有高效、低成本的特点。3传感器模块部分为实现多项气象数据的采集，本系统采用了多种传感器。传感器的选择依照高效能、实用性高、成本及功耗低的原则。本文仅简单介绍最符合原则的几种传感器DS18B20、DHT21、BMP085、DSM501A、噪声传感器。除了本文介绍的几种传感器，该系统还可以按照实际需求添加相应的传感器。DS18B20是最常用的温度传感器，具有体积小、成本低、抗干扰、精度高的特点，测温范围为55125。使用时采用单线接口方式，使用一条线实现双向通信，无论是硬件还是软件设计都十分方便。DHT21是一款准数字输出的电容式温湿度传感器，本系统中采用它进行湿度的测量。DHT21可以测量2095的湿度范围，同样是单线串行输出，与单片机只需一条线连接，节省IO口，而且DHT21具有极高的可靠性与长期稳定性，十分适合自然环境中湿度的测量。BMP085是一款常用大气压力传感器，具有精度高、功耗低的特点，有温度补偿功能，测量范围为3005/71100HPA，在低功耗模式下精度为。BMP085内部含有AD，数字输出，可以通过IIC总线与单片机相通信，使用较为简单。图各传感器使用电路图DSM501A是基于光散射原理，使用独特检测方法的粉尘检测传感器，用于检测1M或M以上的微尘。该传感器采用计数法检测粉尘浓度，虽不能准确地检测出的值，但也可以近似地反映出空气质量，满足普通人们对于空气质量的监控需求。DSM501A输出的是PWM脉宽调制，通过检测低脉冲率来确定空气中的灰尘浓度。本设计中为测量噪声强度，采用一种含高精度麦克风传感器的模块设计，该模块可测量声音强度，模拟信号输出，模块中含有用LM386设计的放大电路，增益可调。输出的模拟信号由单片机中内含AD进行数模转换。各传感器的具体电路图如图3所示。4软件设计本系统软件设计采取模块化程序设计，主要分为NRF905发送接收程序、各传感器测试程序、数据处理显示程序。NRF905发送接收程序图接收发送具体流程图NRF905的使用主要分为发送和接收两部分程序6，6/7首先都要对RF配置寄存器进行设置，发送和接收两部分对RF配置寄存器的设置必须统一，统一设置频段为433MHZ，地址宽度、接收地址、输出功率、CRC校验允许、CRC模式等也都设置相同。由于本系统中有好几个传感器，所以有效数据长度取10字节。由于模拟SPI通信，所以还需要IO口模拟SPI时序进行读写操作。图4所示是接收发送数据时具体流程图。4传感器信息采集及数据处理在本系统中采用多种传感器，每种传感器的采集程序在本文中不作详述。本系统中，单片机对各传感器进行循环扫描控制，采集传感器输出的原始信号，如噪声传感器输出的模拟信号要用单片机自带的12位AD进行模数转换。最后把所有数字信号按顺序编码存取起来，把形成的整体数字信号通过NRF905发送。NRF905接收到数据后，单片机对接收数据中属于每个传感器的数据分别进行处理，转化为相应的真实测量数据，最后，单片机把这些数据在液晶上进行显示。具体过程如图5所示图传感器信息采集及数据处理具体过程5测试结果本系统采用无线射频通信技术进行气象数据采集，利用NRF905实现无线射频通信。通过测试，本系统可以实现200M范围内的无线采集通信，可以测量温度、湿度、大7/7气压、空气灰尘浓度、噪声强度等信息，测量误差在允许范围内。同时，由于整个系统都遵照低功耗的原则，所以