气象环境监测远程数据采集系统*

袁　卫，王　艳，毛露露

(渭南师范学院数理学院，陕西 渭南 714099)



气象环境监测远程数据采集系统*

袁卫，王艳，毛露露

(渭南师范学院数理学院，陕西 渭南 714099)

针对小区域范围气象环境监测问题，设计了一种气象环境检测远程数据采集系统。该系统以MSP430单片机为控制核心，利用多种气象环境传感器采集相关信息参数，并通过NRF24L01无线收发模块和GSM通信模块实现了对所测气象环境数据的远程无线传输。实验结果表明，该采集系统实现了小区域气象环境参数的实时无线监测，测量精度高，稳定性好。

气象环境检测；GSM；无线传输；单片机

气象环境检测与人类的生产生活密切相关，在农业、工业、林业等诸多领域已得到广泛应用[1]。大多区域对于气象环境的检测多依靠当地天气预报，但其包含地域较广，无法确定小区域范围内具体的气象环境参数，虽然目前市面已出现了对于小区域范围内气象环境检测的仪器，但大多采用有线的监测方式，很大程度上限制了数据采集的场合[2]。针对此问题，设计了一种气象环境检测远程数据采集系统，一定程度上解决了小区域范围内气象环境快捷准确检测的问题，具有一定的实际应用价值。

1　系统总体设计

根据小区域范围内气象环境检测的实际要求，系统以MSP430F149为控制核心，采用激光PM2.5等多种传感器对气象环境信息进行数据采集，然后通过单片机对采集到的信号进行分析处理，一路直接通过液晶实时显示；另一路通过无线传输模块将监测信息传送至主机工作站；同时，系统也可利用GSM通信模块将监测到的数据以短消息的形式发送至手机，从而实现对气象环境参数随时随地的监测，不受时间及地域的限制[3-5]。系统总体设计框图如图1所示。

图1　系统总体设计框图

2　系统硬件设计

2.1单片机控制核心

系统控制核心采用美国TI公司推出的MSP430F149超低功耗单片机。它具有灵活的5个低功耗模式可供选择，片上资源丰富，数据处理能力强大，系统可直接应用内部的8路快速12位A/D、2个16位定时器、2个通用串行同步/异步通信信号接口等模块，减少了外围电路的设计，提高整个系统的稳定性，可满足系统长时间进行气象环境数据采集的要求[6]。

2.2传感器模块

2.2.1激光PM2.5传感器

系统选用SDS011型号的激光PM2.5传感器对空气PM2.5参数进行实时监测。激光PM2.5传感器主要是采用激光散射的原理。当传感器上电时，激光照射到通过检测位置的颗粒物时会产生微弱的光散射，在特定方向上的光散射波形与颗粒直径有一定关系，利用不同粒径的波形分类统计及换算公式便可以得到不同粒径的实时颗粒物的数量浓度，并可按照标定方法得到跟官方单位统一的质量浓度。可检测到空气中0.3 μm～10 μm(微米)悬浮颗粒物的浓度，数字化输出，响应快速，数据稳定可靠。

2.2.2气体传感器

系统采用MQ135气体传感器对环境中的多种有害气体含量进行实时监测。该传感器的气敏元件由微型Al2O3陶瓷管、SnO2敏感层，测量电极和加热器构成。可实现对氨气、芳族化合物、硫化物、烟雾等有害气体浓度的准确探测。该传感器是双路信号输出，且带有信号输出指示灯，TTL电平输出可与单片机I/O连接，模拟量的输出随着浓度的增大而增大，浓度越高电压越高。该传感器模块电路设计如图2所示。

图2　气体传感器模块电路设计

2.2.3温湿度传感器

系统中采用的数字温湿度传感器型号为DHT22，该传感器包括一个NTC测温元件和一个电容式感湿元件，与单片机连接，具有响应快速、抗干扰能力强、性价比高等优点，成为各类应用场合的最佳选则[7]。实际设计中，当连接线小于20 m时，需选用5 kΩ的上拉电阻，当连接线大于20 m时，可根据实际情况选用合适的上拉电阻。

2.3GSM通信模块和无线传输模块

2.3.1GSM通信模块

GSM通信模块采用Siemens公司的TC35型GSM模块。该模块自带通信接口，能够直接与单片机实现通信。系统在正常工作状态下，MSP430单片机将采集到的气象环境信息经A/D转换将模拟量转换成数字量，再经串口与GSM模块连接，将数据结果通过AT指令对TC35进行控制，并且设置工作模式，然后通过发送短消息的形式实现数据的远程无线传输[8]。

2.3.2无线传输模块

无线传输设计中选用了两个NRF24L01无线传输模块，该模块集成度高，无线通信速度快，并且NRF24L01还可提供直接模式和突发模式两种通信模式，通过单片机的I/O接口与单片机进行连接。如图3所示为该无线传输模块与单片机I/O接口连接电路，其软件设计是通过模拟SPI接口通信来实现的。

图3　NRF24L01与单片机连接电路

3　系统软件设计

系统的软件采用C#软件设计，主要完成硬件系统对数据的采集、处理及其它模块的控制，系统检测结果主要由上位机可视化显示界面和接收短消息的形式获得[10]。软件部分设计分为信号采集传送部分和信号接收部分进行处理。

信号采集传送部分主要包括各传感器的功能检测子程序、LCD液晶显示子程序、NR24L01发送子程序，信号采集传送流程图如图4所示。

图4　信号采集传送流程图

数据接收部分主要包括NR24L01接收子程序、GSM模块程序、按键控制子程序、主机工作站上位机可视化显示界面设计模块，此部分主要是通过调用NR24L01接收子程序实现气象环境数据的无线接收，然后调用GSM模块程序实现监测数据以短消息的形式发送，同时通过RS232串口，来实现数据的传输，从而在可视化界面上显示。信号接收显示流程图如图5所示。

图5　信号接收流程图

4　系统运行结果

系统处于正常工作状态下时，各种传感器在单片机的控制下采集到当前气象环境数据，并通过无线发送模块发送出数据，无线接收模块再以串口通信的方式将数据传送到上位机，进行气象环境参数的存储及数据实时显示。上位机可视化显示界面如图6所示，主要包括温度、湿度、PM2.5、有害气体等重要气象环境参数的显示，同时也有短消息发送情况的提醒，同时采集到的数据还保存在*.txt 文件中，为后续气象环境数据的分析和处理提供了便利。

图6　上位机显示界面

5　结束语

经实地试验测试，该气象环境检测远程数据采集系统在小区域范围内可针对不同的气象环境检测出准确的气象环境参数，同时可通过无线传输模块和GSM通信模块对所监测数据进行随时的远程传输，并以上位机可视化监测界面和短消息的形式接收监测结果。该系统测量精度高、稳定性好，远程数据传输速度快，实现了气象环境信息采集及远程无线传输的目的，系统可满足于农业、林业或城市小区等领域中气象环境监测的需求。

[1]胡志坤，李建清，张中平，等.气象监测系统数据采集与传输的实现[J].电子器件,2003,26(3):277-299.

[2]冒晓莉，杨博，张加宏.基于MSP430单片机的便携式气象仪设计[J].现代电子技术,2013,36(10):143-146.

[3]贾云峰，付成伟.一种无线传输的温度采集系统的设计[J].现代电子技术,2015,38(24):136-138.

[4]施云波，周磊，修德斌，等.基于GSM的温湿度环境参数远程无线监测系统[J].传感器与微系统,2010,29(4):96-98.

[5]于超然.基于NRF24L01无线模块的井下流量数据传输设计[J].现代电子技术,2014,37(15):41-44.

[6]周冬梅，王振国.基于51系列单片机的无线环境监测仪的设计与制作[J].自动化与仪器仪表,2011(2):56-58.

[7]党娜，张丕状.便携式数据采集控制系统的设计和实现.[J].计算机测量与控制,2014,22(12):3940-3945.

[8]郭颜萍，崔天刚，邵宝民，等.气象仪功能模块自动检测仪的设计[J].山东科技,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

国家级大学生创新计划项目(15TXK027)

袁卫(1973- )，男，陕西渭南人，教授，博士，主要研究方向：红外成像系统性能仿真与研究，嵌入式系统应用与开发。

1674- 4578(2016)04- 0017- 03

TP29

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