基于PTR2000的无线气象信息采集系统设计

摘要：本文介绍了一种基于PTR2000的无线气象信息采集系统的硬件和软件设计，该系统可以实现温度、湿度、气压等气象数据的采集和传输。气象数据采集系统由单片机ATmega16、温度传感器DS18B20、湿度传感器HS1101和气压传感器MPX4105构成，实现温度、湿度、气压等基本气象参数的测量。采集的气象数据通过无线收发模块PTR2000上传给上位机进行存储和相应处理。数据采集端由太阳能电源系统供电，可以满足长期测量需要。

引言

　　随着经济社会的发展，工农业生产对气象信息的需求日益加大。农业农情灌溉气象环境指标监测、森林火险气象指标监测、各种突发性灾害性天气的快速响应和现场监控均需要对气象信息进行实时采集和分析。本系统采用DS18B20、HS1101等高精度传感器，低功耗单片机ATmega16，数字无线收发芯片NRF401;数据采集端配备光伏电源系统供电。通过数据采集、传送与处理实现周围环境温度、湿度、气压等气象要素的全天候监测;系统工作方式灵活，通过128×64液晶显示器可实现现场所测数据的显示，也可以采用无线通信的方式将数据传送至计算机进行存储和处理。

1 系统工作原理^[1-3]

　　气象信息监测系统由下位机数据采集和上位机数据管理两部分构成。下位机数据采集系统主要由三部分构成，如图1所示。其中，数据采集模块由传感器DS18B20、HS1101、 MPX4105和单片机ATmega16组成，PTR2000数据收发模块由数字无线收发芯片NRF401构成，电源系统采用光伏电源系统构成。上位机数据管理系统如图2所示，其中，PTR2000数据收发模块由数字无线收发芯片NRF401构成，经MAX232电平转换直接与计算机相连，计算机实现数据的接收和处理。

　　上位机定时发出检测指令，下位机通过无线收发模块接收到检测指令后，开始检测气象数据。检测结束后，通过无线收发模块把采集的数据发给上位机。上位机实现采集数据的储存、图形化。下位机数据采集系统可以实现现场气象数据的显示。现场显示时，无线数传模块被关闭，下位机数据采集端独立运行，不依赖于上位机发出的检测指令，依次显示采集到的气象数据。

2 信息采集系统硬件电路设计

　　数据采集模块以ATmega16为核心，完成气象信息的采集、转换和传输。系统中主要利用ATmega16的片内ADC、定时/计数器、I/O口输入输出控制、可编程串行USART等资源实现数据采集。

2.1 温度测量电路

　　利用数字温度传感器DS18B20进行温度采集，温度测量电路如图3所示。 DS18B20的数据总线接ATmega16的P0.0口。ATmega16不支持单总线协议，采用软件方法模拟单总线协议，完成对DSl8B20芯片的访问。

2.2 湿度测量电路^[2]

　　湿度测量采用HS1101传感器，测量电路如图4所示。该电路把电容参数的变化转换为与之成反比的电压频率的变化，振荡电路输出方波信号的频率为如式(1)所示。

f=1/C_x^*(R₁+2*R₂ )*ln2 (1)

2.3 气压测量电路^[3-4]

　　系统选用MPX4105作为气压传感器。MPX4105可产生与气压呈线性关系的模拟输出电压，气压测量电路如图5所示。输出电压Vout和大气压P的关系如式(2)所示。

V_out=V_cc*(0.01P-0.09) (2)

2.4 液晶显示电路

　　选用LCD128×64液晶显示器显示温度、气压和湿度气象信息，显示电路如图6所示。通过按键设置现场显示气象数据或是通过无线传输数据到上位机。

2.5 无线数据传输电路^[5-7]

　　系统采用无线传输模块PTR2000传输气象数据。本模块工作频率为国际通用的数传频段，设置CS可以选择模块两个频道中的一个作为通信频道。PTR2000模块直接与单片机的串口连接，通过MAX232进行电平转换与计算机相连，构成无线通信系统，完成气象数据的无线传输。与ATmega16连接的数据发送端电路如图7所示。

2.6 太阳能供电系统电路

　　下位机采用太阳能供电系统供电，供电系统主要由太阳能电池板、充电控制电路和蓄电池三个部分，太阳能电池供电控制电路如图8所示。