袁　衛(wèi)，王　艷，毛露露

(渭南師范學(xué)院數(shù)理學(xué)院，陜西 渭南 714099)

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氣象環(huán)境監(jiān)測(cè)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)*

袁衛(wèi)，王艷，毛露露

(渭南師范學(xué)院數(shù)理學(xué)院，陜西 渭南 714099)

針對(duì)小區(qū)域范圍氣象環(huán)境監(jiān)測(cè)問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種氣象環(huán)境檢測(cè)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)以MSP430單片機(jī)為控制核心，利用多種氣象環(huán)境傳感器采集相關(guān)信息參數(shù)，并通過(guò)NRF24L01無(wú)線收發(fā)模塊和GSM通信模塊實(shí)現(xiàn)了對(duì)所測(cè)氣象環(huán)境數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程無(wú)線傳輸。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了小區(qū)域氣象環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)無(wú)線監(jiān)測(cè)，測(cè)量精度高，穩(wěn)定性好。

氣象環(huán)境檢測(cè)；GSM；無(wú)線傳輸；單片機(jī)

氣象環(huán)境檢測(cè)與人類的生產(chǎn)生活密切相關(guān)，在農(nóng)業(yè)、工業(yè)、林業(yè)等諸多領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用[1]。大多區(qū)域?qū)τ跉庀蟓h(huán)境的檢測(cè)多依靠當(dāng)?shù)靥鞖忸A(yù)報(bào)，但其包含地域較廣，無(wú)法確定小區(qū)域范圍內(nèi)具體的氣象環(huán)境參數(shù)，雖然目前市面已出現(xiàn)了對(duì)于小區(qū)域范圍內(nèi)氣象環(huán)境檢測(cè)的儀器，但大多采用有線的監(jiān)測(cè)方式，很大程度上限制了數(shù)據(jù)采集的場(chǎng)合[2]。針對(duì)此問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種氣象環(huán)境檢測(cè)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，一定程度上解決了小區(qū)域范圍內(nèi)氣象環(huán)境快捷準(zhǔn)確檢測(cè)的問(wèn)題，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)小區(qū)域范圍內(nèi)氣象環(huán)境檢測(cè)的實(shí)際要求，系統(tǒng)以MSP430F149為控制核心，采用激光PM2.5等多種傳感器對(duì)氣象環(huán)境信息進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后通過(guò)單片機(jī)對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行分析處理，一路直接通過(guò)液晶實(shí)時(shí)顯示；另一路通過(guò)無(wú)線傳輸模塊將監(jiān)測(cè)信息傳送至主機(jī)工作站；同時(shí)，系統(tǒng)也可利用GSM通信模塊將監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)以短消息的形式發(fā)送至手機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)氣象環(huán)境參數(shù)隨時(shí)隨地的監(jiān)測(cè)，不受時(shí)間及地域的限制[3-5]。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1單片機(jī)控制核心

系統(tǒng)控制核心采用美國(guó)TI公司推出的MSP430F149超低功耗單片機(jī)。它具有靈活的5個(gè)低功耗模式可供選擇，片上資源豐富，數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)大，系統(tǒng)可直接應(yīng)用內(nèi)部的8路快速12位A/D、2個(gè)16位定時(shí)器、2個(gè)通用串行同步/異步通信信號(hào)接口等模塊，減少了外圍電路的設(shè)計(jì)，提高整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，可滿足系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行氣象環(huán)境數(shù)據(jù)采集的要求[6]。

2.2傳感器模塊

2.2.1激光PM2.5傳感器

系統(tǒng)選用SDS011型號(hào)的激光PM2.5傳感器對(duì)空氣PM2.5參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。激光PM2.5傳感器主要是采用激光散射的原理。當(dāng)傳感器上電時(shí)，激光照射到通過(guò)檢測(cè)位置的顆粒物時(shí)會(huì)產(chǎn)生微弱的光散射，在特定方向上的光散射波形與顆粒直徑有一定關(guān)系，利用不同粒徑的波形分類統(tǒng)計(jì)及換算公式便可以得到不同粒徑的實(shí)時(shí)顆粒物的數(shù)量濃度，并可按照標(biāo)定方法得到跟官方單位統(tǒng)一的質(zhì)量濃度?？蓹z測(cè)到空氣中0.3 μm～10 μm(微米)懸浮顆粒物的濃度，數(shù)字化輸出，響應(yīng)快速，數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠。

2.2.2氣體傳感器

系統(tǒng)采用MQ135氣體傳感器對(duì)環(huán)境中的多種有害氣體含量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。該傳感器的氣敏元件由微型Al2O3陶瓷管、SnO2敏感層，測(cè)量電極和加熱器構(gòu)成?？蓪?shí)現(xiàn)對(duì)氨氣、芳族化合物、硫化物、煙霧等有害氣體濃度的準(zhǔn)確探測(cè)。該傳感器是雙路信號(hào)輸出，且?guī)в行盘?hào)輸出指示燈，TTL電平輸出可與單片機(jī)I/O連接，模擬量的輸出隨著濃度的增大而增大，濃度越高電壓越高。該傳感器模塊電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2　氣體傳感器模塊電路設(shè)計(jì)

2.2.3溫濕度傳感器

系統(tǒng)中采用的數(shù)字溫濕度傳感器型號(hào)為DHT22，該傳感器包括一個(gè)NTC測(cè)溫元件和一個(gè)電容式感濕元件，與單片機(jī)連接，具有響應(yīng)快速、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，成為各類應(yīng)用場(chǎng)合的最佳選則[7]。實(shí)際設(shè)計(jì)中，當(dāng)連接線小于20 m時(shí)，需選用5 kΩ的上拉電阻，當(dāng)連接線大于20 m時(shí)，可根據(jù)實(shí)際情況選用合適的上拉電阻。

2.3GSM通信模塊和無(wú)線傳輸模塊

2.3.1GSM通信模塊

GSM通信模塊采用Siemens公司的TC35型GSM模塊。該模塊自帶通信接口，能夠直接與單片機(jī)實(shí)現(xiàn)通信。系統(tǒng)在正常工作狀態(tài)下，MSP430單片機(jī)將采集到的氣象環(huán)境信息經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，再經(jīng)串口與GSM模塊連接，將數(shù)據(jù)結(jié)果通過(guò)AT指令對(duì)TC35進(jìn)行控制，并且設(shè)置工作模式，然后通過(guò)發(fā)送短消息的形式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程無(wú)線傳輸[8]。

2.3.2無(wú)線傳輸模塊

無(wú)線傳輸設(shè)計(jì)中選用了兩個(gè)NRF24L01無(wú)線傳輸模塊，該模塊集成度高，無(wú)線通信速度快，并且NRF24L01還可提供直接模式和突發(fā)模式兩種通信模式，通過(guò)單片機(jī)的I/O接口與單片機(jī)進(jìn)行連接。如圖3所示為該無(wú)線傳輸模塊與單片機(jī)I/O接口連接電路，其軟件設(shè)計(jì)是通過(guò)模擬SPI接口通信來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

圖3　NRF24L01與單片機(jī)連接電路

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件采用C#軟件設(shè)計(jì)，主要完成硬件系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的采集、處理及其它模塊的控制，系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果主要由上位機(jī)可視化顯示界面和接收短消息的形式獲得[10]。軟件部分設(shè)計(jì)分為信號(hào)采集傳送部分和信號(hào)接收部分進(jìn)行處理。

信號(hào)采集傳送部分主要包括各傳感器的功能檢測(cè)子程序、LCD液晶顯示子程序、NR24L01發(fā)送子程序，信號(hào)采集傳送流程圖如圖4所示。

圖4　信號(hào)采集傳送流程圖

數(shù)據(jù)接收部分主要包括NR24L01接收子程序、GSM模塊程序、按鍵控制子程序、主機(jī)工作站上位機(jī)可視化顯示界面設(shè)計(jì)模塊，此部分主要是通過(guò)調(diào)用NR24L01接收子程序?qū)崿F(xiàn)氣象環(huán)境數(shù)據(jù)的無(wú)線接收，然后調(diào)用GSM模塊程序?qū)崿F(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以短消息的形式發(fā)送，同時(shí)通過(guò)RS232串口，來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，從而在可視化界面上顯示。信號(hào)接收顯示流程圖如圖5所示。

圖5　信號(hào)接收流程圖

4　系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果

系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)下時(shí)，各種傳感器在單片機(jī)的控制下采集到當(dāng)前氣象環(huán)境數(shù)據(jù)，并通過(guò)無(wú)線發(fā)送模塊發(fā)送出數(shù)據(jù)，無(wú)線接收模塊再以串口通信的方式將數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)，進(jìn)行氣象環(huán)境參數(shù)的存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示。上位機(jī)可視化顯示界面如圖6所示，主要包括溫度、濕度、PM2.5、有害氣體等重要?dú)庀蟓h(huán)境參數(shù)的顯示，同時(shí)也有短消息發(fā)送情況的提醒，同時(shí)采集到的數(shù)據(jù)還保存在*.txt 文件中，為后續(xù)氣象環(huán)境數(shù)據(jù)的分析和處理提供了便利。

圖6　上位機(jī)顯示界面

5　結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)實(shí)地試驗(yàn)測(cè)試，該氣象環(huán)境檢測(cè)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在小區(qū)域范圍內(nèi)可針對(duì)不同的氣象環(huán)境檢測(cè)出準(zhǔn)確的氣象環(huán)境參數(shù)，同時(shí)可通過(guò)無(wú)線傳輸模塊和GSM通信模塊對(duì)所監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行隨時(shí)的遠(yuǎn)程傳輸，并以上位機(jī)可視化監(jiān)測(cè)界面和短消息的形式接收監(jiān)測(cè)結(jié)果。該系統(tǒng)測(cè)量精度高、穩(wěn)定性好，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸速度快，實(shí)現(xiàn)了氣象環(huán)境信息采集及遠(yuǎn)程無(wú)線傳輸?shù)哪康?，系統(tǒng)可滿足于農(nóng)業(yè)、林業(yè)或城市小區(qū)等領(lǐng)域中氣象環(huán)境監(jiān)測(cè)的需求。

[1]胡志坤，李建清，張中平，等.氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)[J].電子器件,2003,26(3):277-299.

[2]冒曉莉，楊博，張加宏.基于MSP430單片機(jī)的便攜式氣象儀設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2013,36(10):143-146.

[3]賈云峰，付成偉.一種無(wú)線傳輸?shù)臏囟炔杉到y(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2015,38(24):136-138.

[4]施云波，周磊，修德斌，等.基于GSM的溫濕度環(huán)境參數(shù)遠(yuǎn)程無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].傳感器與微系統(tǒng),2010,29(4):96-98.

[5]于超然.基于NRF24L01無(wú)線模塊的井下流量數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2014,37(15):41-44.

[6]周冬梅，王振國(guó).基于51系列單片機(jī)的無(wú)線環(huán)境監(jiān)測(cè)儀的設(shè)計(jì)與制作[J].自動(dòng)化與儀器儀表,2011(2):56-58.

[7]黨娜，張丕狀.便攜式數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn).[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2014,22(12):3940-3945.

[8]郭顏萍，崔天剛，邵寶民，等.氣象儀功能模塊自動(dòng)檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)[J].山東科技,2012,25(6):61-64.

Remote Data Acquisition System of the Meteorological Environment Monitoring

Yuan Wei, Wang Yan, Mao lulu

(WeinanNormalUniversity,Weinan,Shaanxi714099,China)

For small regional meteorological environmental monitoring, a remote data acquisition system is designed. The system takes MSP430 microcontroller as core, uses types of meteorological sensors to collect information of environmental parameters, the meteorological environmental data remote wireless transmission is implemented by NRF24L01 wireless transceiver module and GSM communication module. Experimental results show that the acquisition system enables real-time wireless monitoring for small regional meteorological environmental parameters and has high accuracy and good stability.

meteorological environment detection; GSM; wireless transmission; MCU

2016-04-07

國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(15TXK027)

袁衛(wèi)(1973- )，男，陜西渭南人，教授，博士，主要研究方向：紅外成像系統(tǒng)性能仿真與研究，嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用與開發(fā)。

1674- 4578(2016)04- 0017- 03

TP29

A