王文軍 聶何婷 江西水利職業(yè)學(xué)院 辛建官 江西工業(yè)貿(mào)易職業(yè)技術(shù)學(xué)院

1.引言

隨著如小水庫、泵站、農(nóng)田大棚生產(chǎn)、果園種植生產(chǎn)對(duì)氣象數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、分析的需求及環(huán)境問題日益突出,促進(jìn)了人們對(duì)小區(qū)域內(nèi)精確的氣象數(shù)據(jù)需求增長，隨著國內(nèi)科研水平的提高，傳感器設(shè)計(jì)的進(jìn)步，Arduino控制器的模塊化應(yīng)用，無線傳輸網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，虛擬儀器技術(shù)的應(yīng)用，為構(gòu)建高性價(jià)比的便攜式氣象數(shù)據(jù)采集設(shè)備提供了一條捷徑。本設(shè)計(jì)就是基于Arduino的智能控制、ZigBee無線傳輸、上位機(jī)采用LabVIEW開發(fā)的便攜式氣象站。

Arduino、LabVIEW及ZigBee無線傳輸技術(shù)的結(jié)合可以減少有線傳輸氣象數(shù)據(jù)的不足，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)視控制，采集傳感器感知的數(shù)據(jù)，利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)、單片機(jī)技術(shù)、軟件技術(shù)使氣象數(shù)據(jù)的采集與存儲(chǔ)得以實(shí)現(xiàn)?？山档蜌庀笳镜闹圃旌途S護(hù)成本，有利于氣象各要素應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐。

2.氣象站整體設(shè)計(jì)

氣象站主要由Arduino數(shù)據(jù)采集模塊、基本氣象要素傳感器模塊、ZigBee無線傳輸系統(tǒng)、上位機(jī)軟件、顯示模塊組成，實(shí)現(xiàn)氣象數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理和存儲(chǔ)的功能。氣象站整體設(shè)計(jì)方框圖如圖所示：

氣象站整體設(shè)計(jì)方框圖

2.1 氣象數(shù)據(jù)傳感器

結(jié)合對(duì)氣象要素的需求以及核心智能控制器的I/O接口資源，便攜式氣象站的基本氣象要素選取了溫度、濕度、氣壓、粉塵、風(fēng)速、風(fēng)向六個(gè)參數(shù)。為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，利用傳感器模塊來實(shí)現(xiàn)氣象數(shù)據(jù)的采集，傳感器型號(hào)、特點(diǎn)等如表所示：

傳感器名稱 型號(hào) 接口 特點(diǎn)溫濕度傳感器 STH10 兩線制串行接口 將測(cè)溫、濕度感測(cè)、信號(hào)變換、A/D轉(zhuǎn)換加熱功能集成一體氣壓傳感器 BMP180 I2C總線結(jié)構(gòu) 利用溫度補(bǔ)償提高精度，總線控制，接口方便簡(jiǎn)潔風(fēng)速傳感器 RS-FSJT 電壓型輸出 電壓輸出與風(fēng)速呈現(xiàn)直線關(guān)系風(fēng)向傳感器 RS-FXJT 電壓型輸出 電壓輸出與風(fēng)向角度呈現(xiàn)正比關(guān)系粉塵傳感器 GP2Y1010AU0F 電壓型輸出 電壓輸出與粉塵濃呈現(xiàn)直線關(guān)系

傳感器中溫濕度、氣壓傳感器采用數(shù)字總線傳輸，在Arduino中有相應(yīng)的庫函數(shù)，使用方便，不易出錯(cuò)。另外風(fēng)速、風(fēng)向傳感器有多種輸出模式，設(shè)計(jì)中為了使軟件編程簡(jiǎn)潔均選用模擬量電壓輸出型，依據(jù)電壓型輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換公式換算，通過LabVIEW開發(fā)的上位機(jī)軟件實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)。

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊的任務(wù)是讀取基本氣象要素?cái)?shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算、處理、記錄存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信和傳輸，并與上位機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行交互[4]。數(shù)據(jù)采集模塊采用Arduino Nano智能控制模塊，它是一款基于AVR單片機(jī)開放原始碼的軟硬件平臺(tái)，其集成開發(fā)庫中有豐富傳感器庫函數(shù)，易于開發(fā)，可以通過開源平臺(tái)獲取各種資源而不受專利的困擾[5]。它有14位的數(shù)字I/O口，8路模擬輸入口，每一路具有10位的分辨率，滿足便攜式氣象站數(shù)據(jù)采集要求，其中氣壓傳感器I2C通信占用了Arduino Nano模塊的模擬口A4（SDA）、A5（SCL）作為總線通信；溫濕度傳感器，引腳分別為VCC、GND、SCK、DATA，二線數(shù)字串行接口SCK和DATA占用A2、A3口；剩下的其它模擬口與粉塵、風(fēng)速、風(fēng)向傳感器連接。

2.3 通訊模塊

無線通信有許多方式，各有優(yōu)缺點(diǎn)。在氣象數(shù)據(jù)通信中，數(shù)據(jù)采集量小，要求設(shè)備低功耗、通信距離較短、低成本，利用ZigBee通信模塊的性價(jià)比較高。ZigBee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議，它的特點(diǎn)符合氣象數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?。ZigBee通信模塊采用型號(hào)DL-22的無線串口模塊工作模式為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式和廣播模式，模塊配對(duì)使用，可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)或多個(gè)串口通信，有效完成兩個(gè)遠(yuǎn)距離的設(shè)備通信。該模塊發(fā)射頻率2.4G，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)發(fā)送速率最高為3300Bps，傳輸距離最遠(yuǎn)為1000m，電流小于50mA，滿足氣象數(shù)據(jù)收發(fā)要求。

2.4 上位機(jī)軟件

一般而言，上位機(jī)軟件開發(fā)語言有VC、VB、工業(yè)組態(tài)、LabVIEW等多種，但是基于VC和VB語言開發(fā)的上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)較復(fù)雜不易掌握，并且開發(fā)時(shí)間長，工業(yè)組態(tài)在數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域應(yīng)用不廣泛，不利于前期開發(fā)及后期維護(hù)。因此，本設(shè)計(jì)采用易于掌握的LabVIEW。LabVIEW是由美國國家儀器公司開發(fā)的圖形化程序開發(fā)平臺(tái)，采用G語言編程，只要將不同的功能節(jié)點(diǎn)通過繪制導(dǎo)線連接就可以完成程序設(shè)計(jì)，是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。圖形化的程序框圖結(jié)構(gòu)決定了程序執(zhí)行方式，前面板即用戶界面的構(gòu)成簡(jiǎn)潔方便，可將數(shù)據(jù)采集器采集的數(shù)據(jù)在前面板上顯示。而Arduino與LabVIEW的串口通信是通過VISA的插件完成的。VISA采用面向?qū)ο缶幊?，具有很好的兼容性、擴(kuò)展性和獨(dú)立性，LabVIEW是利用VISA節(jié)點(diǎn)進(jìn)行串口通信編程[6]。LabVIEW與下位機(jī)Arduino Nano通信方便、可靠，Arduino Nano將采集的氣象傳感器信息通過無線通信傳至上位機(jī)軟件LabVIEW的VISA中處理，實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前氣象數(shù)據(jù)。

3.軟件部分設(shè)計(jì)

3.1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)采用Arduino集成開發(fā)環(huán)境，氣象數(shù)據(jù)傳感器中的溫濕度傳感器、氣壓傳感器有專門協(xié)議，Arduino開源平臺(tái)將協(xié)議二次編譯封裝，由程序直接調(diào)用。粉塵、風(fēng)速、風(fēng)向傳感器輸出電壓模擬量，在Arduino模塊中的模擬量輸入端直接輸入。在程序中寫入溫度、濕度、氣壓、粉塵、風(fēng)速、風(fēng)向等數(shù)據(jù)采集命令碼，執(zhí)行程序時(shí)通過無線串口，命令上位機(jī)軟件根據(jù)命令顯示相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

3.2 LabVIEW程序設(shè)計(jì)

LabVIEW開發(fā)的上位機(jī)需要向下位機(jī)Arduino控制器發(fā)送氣象數(shù)據(jù)的采集命令。Arduino接收到上位機(jī)命令后，完成數(shù)據(jù)采集、運(yùn)算、處理之后，將數(shù)據(jù)回傳到上位機(jī)LabVIEW中，并顯示在前面板上。

上位機(jī)程序需完成兩個(gè)設(shè)計(jì)，一是LabVIEW前面板設(shè)計(jì)。LabVIEW前面板設(shè)計(jì)的儀表盤部分用于顯示當(dāng)前的數(shù)據(jù)。二是LabVIEW程序框圖設(shè)計(jì)。氣象數(shù)據(jù)采集過程相似，可以將數(shù)據(jù)分別編寫成類似的子VI，程序結(jié)構(gòu)清晰明朗[7]。

數(shù)據(jù)采集分別是溫度、濕度、氣壓、粉塵、風(fēng)速、風(fēng)向，另外需設(shè)定串口初始化。故將主程序劃分為七個(gè)狀態(tài)，采用條件結(jié)構(gòu)加移位寄存器的狀態(tài)機(jī)來實(shí)現(xiàn)

3.3 顯示器選用

目前LabVIEW軟件只能運(yùn)行在windows系統(tǒng)和Mac OS系統(tǒng)下，本設(shè)計(jì)需要滿足小型便攜式要求，采用的顯示器必須安裝了windows系統(tǒng)、LabVIEW軟件和串口管理軟件，且具備microUSB接口，通過USB-TTL轉(zhuǎn)接板連接ZigBee通信模塊，實(shí)現(xiàn)電腦與Arduino的無線通信，上位機(jī)、下位機(jī)傳輸采集數(shù)據(jù)和命令。

4.試驗(yàn)與結(jié)果

總體設(shè)計(jì)完成后，需對(duì)各個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊單獨(dú)測(cè)試，保證各系統(tǒng)獨(dú)立工作正常，然后將各系統(tǒng)整合。在此過程中，下位機(jī)編程是一項(xiàng)特別重要的工作，在各系統(tǒng)單獨(dú)編程測(cè)試的基礎(chǔ)上整合文件代碼，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)聯(lián)調(diào)測(cè)試。測(cè)試結(jié)果，各采集模塊工作正常，數(shù)據(jù)采集按照數(shù)據(jù)每秒中采集一次，其中風(fēng)速、風(fēng)向的數(shù)據(jù)采集取單位時(shí)間平均值顯示。試驗(yàn)表明，取樣的氣象參數(shù)都能正確顯示在LabVIEW前面板上。測(cè)試了無線通信距離，在開闊地帶超過500m，無誤碼，掉線現(xiàn)象。

5.小結(jié)

利用Arduino Nano作為智能數(shù)據(jù)采集平臺(tái)，上位機(jī)采用圖形化編程的LabVIEW，結(jié)合低速率、低成本、易于組網(wǎng)的ZigBee無線通信模塊，設(shè)計(jì)的便攜式氣象站，達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)，具有攜帶方便，成本低廉，布置自由，測(cè)試準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，適合應(yīng)用在小范圍復(fù)雜地域的小水庫、農(nóng)場(chǎng)、果園等地區(qū)，在水利、農(nóng)業(yè)等行業(yè)可以發(fā)揮重要作用。