基于PTR2000的無線氣象信息采集系統設計

摘要：本文介紹了一種基于PTR2000的無線氣象信息采集系統的硬件和軟件設計，該系統可以實現溫度、濕度、氣壓等氣象數據的采集和傳輸。氣象數據采集系統由單片機ATmega16、溫度傳感器DS18B20、濕度傳感器HS1101和氣壓傳感器MPX4105構成，實現溫度、濕度、氣壓等基本氣象參數的測量。采集的氣象數據通過無線收發模塊PTR2000上傳給上位機進行存儲和相應處理。數據采集端由太陽能電源系統供電，可以滿足長期測量需要。

引言

　　隨著經濟社會的發展，工農業生產對氣象信息的需求日益加大。農業農情灌溉氣象環境指標監測、森林火險氣象指標監測、各種突發性災害性天氣的快速響應和現場監控均需要對氣象信息進行實時采集和分析。本系統采用DS18B20、HS1101等高精度傳感器，低功耗單片機ATmega16，數字無線收發芯片NRF401;數據采集端配備光伏電源系統供電。通過數據采集、傳送與處理實現周圍環境溫度、濕度、氣壓等氣象要素的全天候監測;系統工作方式靈活，通過128×64液晶顯示器可實現現場所測數據的顯示，也可以采用無線通信的方式將數據傳送至計算機進行存儲和處理。

1 系統工作原理^[1-3]

　　氣象信息監測系統由下位機數據采集和上位機數據管理兩部分構成。下位機數據采集系統主要由三部分構成，如圖1所示。其中，數據采集模塊由傳感器DS18B20、HS1101、 MPX4105和單片機ATmega16組成，PTR2000數據收發模塊由數字無線收發芯片NRF401構成，電源系統采用光伏電源系統構成。上位機數據管理系統如圖2所示，其中，PTR2000數據收發模塊由數字無線收發芯片NRF401構成，經MAX232電平轉換直接與計算機相連，計算機實現數據的接收和處理。

　　上位機定時發出檢測指令，下位機通過無線收發模塊接收到檢測指令后，開始檢測氣象數據。檢測結束后，通過無線收發模塊把采集的數據發給上位機。上位機實現采集數據的儲存、圖形化。下位機數據采集系統可以實現現場氣象數據的顯示。現場顯示時，無線數傳模塊被關閉，下位機數據采集端獨立運行，不依賴于上位機發出的檢測指令，依次顯示采集到的氣象數據。

2 信息采集系統硬件電路設計

　　數據采集模塊以ATmega16為核心，完成氣象信息的采集、轉換和傳輸。系統中主要利用ATmega16的片內ADC、定時/計數器、I/O口輸入輸出控制、可編程串行USART等資源實現數據采集。

2.1 溫度測量電路

　　利用數字溫度傳感器DS18B20進行溫度采集，溫度測量電路如圖3所示。 DS18B20的數據總線接ATmega16的P0.0口。ATmega16不支持單總線協議，采用軟件方法模擬單總線協議，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。該電路把電容參數的變化轉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]

　　系統選用MPX4105作為氣壓傳感器。MPX4105可產生與氣壓呈線性關系的模擬輸出電壓，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。通過按鍵設置現場顯示氣象數據或是通過無線傳輸數據到上位機。

2.5 無線數據傳輸電路^[5-7]

　　系統采用無線傳輸模塊PTR2000傳輸氣象數據。本模塊工作頻率為國際通用的數傳頻段，設置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進行電平轉換與計算機相連，構成無線通信系統，完成氣象數據的無線傳輸。與ATmega16連接的數據發送端電路如圖7所示。

2.6 太陽能供電系統電路

　　下位機采用太陽能供電系統供電，供電系統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。