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基于无线便携式微控制器的气象监测站

J.T. Devaraju a

K.R. Suhas 班加罗尔大学电子科学系，印度班加罗尔

H.K. Mohana 印度班加罗尔Yelahanka的Seshadripuram一级学院电子系

Vijaykumar A. Patil 印度班加罗尔Rajajinagar，Basaveshwara商业，艺术与科学学院电子系

文章信息

文章历史：2014年12月18日收到

于2015年7月31日收到修订后的表格

2015年8月10日接受

2015年8月24日在线提供

关键词：气象监测站，SHT11，BMP180，风速表，风向标，雨量计

摘要：由于天气监测及其预测已成为日常生活的重要组成部分它在农业，农业，渔业，航运和军事行动中的众多应用。使用传统或手动操作的天气监测来测量天气站需要熟练的操作人员才能进行操作并需要定期维护不可避免地增加了气象监测站的生命周期成本。解决这些问题问题，本文的作者试图设计和实现廉价使用PIC16F887微控制器的无线便携式气象监测站。该实施的天气监测站配备了传感器来测量天气相对湿度，大气压力，降雨量，太阳辐射，风等变量速度，风向，表面和环境温度。除了这些功能，设计的气象监测站还包括一些独特的功能，如Modbus通信协议，提供实时无缝通信通过有线（RS串行）和。来测量基站（PCnLaptop）的天气无线（Xbee Pro模块）接口。此外，在基站，接收的数据是记录并上传到在线数据服务器，以实现全球无处不在的访问天气测量。

2015 Elsevier Ltd.保留所有权利。

1.简介

在印度，天气监测可以追溯到吠陀时期的文献，提出了关于太阳周围的地球运动，云的形成和季节周期的广泛讨论。降雨[1]。 天气在正常情况下变化极大地影响了日常情绪[2]和活动农业，农业，渔业，娱乐等人航运和军事行动[3]但多年来，许多事件都对人类产生了重大影响摧毁了宝贵的财产并带走了许多生命洪水，风暴和飓风的形式。 再次，二十世纪后的天气状况更是如此最糟糕的是由于人口爆炸，过度迁移，defor estation，全球变暖和其他活动。 因此，在为了监测和跟踪天气变化，天气监测站在全球范围内使用[6]。典型的现代气象监测站使用多个气象传感器监测天气通过感应温度等天气变量来改变相对湿度，露点，大气压，风方向和风速。 这些气象传感器可能不仅限于机械而是衍生来自固态和微机电系统（MEMS）等先进技术[7,8]。 界面这些气象传感器对微控制器来说非常简单使用简单的电子电路来获得便宜无需准确的天气测量任何中断和维护[9-11]。 因此，整体而言天气监测站的生命周期成本可以最小化。在本文中，已经尝试设计和实施无线便携式天气监测站，测量相对湿度，大气压力，降雨，太阳辐射，风速，风向，地表气象接口和环境温度PIC16F887单片机的等级传感器。进一步，工业标准Modbus通信协议有已实施从气象监测站获取数据并传送到基站（PCnLaptop）通过Zigbee无线（XBee-Pro无线电模块）和串口接口（RS232nRS485）无缝连接。在基站，天气监测站获得的数据是记录并上传到在线MYSQL数据服务器，以提供无处不在的共享获取的天气数据。

2.相关工作

[9]的作者介绍了天气的实现由TEMT600光度传感器组成的电台，SCP1000压力传感器和SHT15温度暨湿度传感器连接到ATmega328微控制器使用SEN-08311 USB气象板和GSM模块。该站可以通过移动电话的短信服务进行控制。 [10]的作者已经实施低成本的分布式监测系统，用于收集温度，湿度和温度等环境参数风向使用TINI微控制器卡。 TCP / IP协议用于数据传输，并且已开发GUI以观察环境参数。作者[11]设计了低成本微控制器的原型基于系统的连续和自动监测使用廉价电子元件的作物条件和固态传感器。该系统旨在监控土壤湿度，土壤温度，气温和温度耕地中的冠层温度水平。作者[12]实施了采用TxDOT环境系统的智能交通系统（ITS）。 TxDOT环境系统包括道路等传感器水深，降雨量计，风速，风向，温度，流速以及路面温度和湿度传感器。来自这些传感器的值将使用低值发送到当地防洪机构频率无线电在严重时提醒驾驶者天气状况。 [13]的作者实施了一个用于监控森林的多层便携式无线系统火灾。当地的天气状况如相对湿度，风向，风速和温度使用Mica2传感器节点获取。提供网络摄像头以监控受森林影响的地区的实时视频火灾。采集的数据通过多跳技术传送到本地基站。 [14]的作者有实施现场动态无线传感器监控系统，以优化能源消耗和改善用户在大楼内享受舒适。该系统包括Zigbee设备可以获取诸如光照强度，温度，相对湿度和空气质量等参数建筑物。此外，Zigbee设备测量电池和电池通过电流建立电力消耗/电流表传感器连接到传感器节点。一个软件名为Building Monitoring System的工具接收传感器值并通过完善的数据更新其数据库无线传感器网络并执行控制，监控和报告操作。本文的其余部分安排如下第3节第4节描述了实现的系统和软件体系结构的框图。第5节概述了测试程序及其结果。第6节该论文结束。

3.硬件实现

无线便携式微控制器的框图基于气象监测站的情况如图1所示。实施的电台由温度和温度组成湿度传感器，风速和风向传感器，雨量计传感器，太阳辐射传感器，压力传感器，表面和环境温度传感器以及TLV2543串行ADC，PIC16F887微控制器和控制开关。 XBee-Pro模块提供无线功能通信，MAX-232和MAX-485模块提供串行通信。

3.1相对湿度和温度传感器（SHT11）

相对湿度（RH）定义为相对湿度在任何给定温度下空气中的水蒸气量达到空气可以达到的最大水蒸气量保持。通常，RH以百分比表示（％）。类似地，大气温度定义为不同地球水平的温度测量以摄氏度（℃）表示的气氛。SHT11传感器用于测量两者的相对值湿度和大气温度。 SHT11纳入率电容传感器元件来测量相对值湿度和带隙传感器测量温度。这些传感器内部连接到串行接口通过高精度14位模数转换器（ADC）。根据主机微控制器的要求，SHT11传达相对湿度（SORH）和通过串行接口使用的温度（SOT）读数I2C协议[15]。 SHT11的接口原理图PIC16F887的传感器如图2所示。将读数SORH转换为真正的相对湿度，并使用Eqs将SOT转换为真实温度。 （1）（2）分别使用 Eqs。引用（1）和（2）SHT1x数据表[15]。等式中的系数C1，C2，C3。（1）和方程式中的d1，d2。 （2）选自表1和2分别基于SORH的转换比特长度和施加到传感器的电压（VDD）。

相对湿度=C1 C2*SORH C3*SORH²% (1)

温度=d1 d2*SOT (2)

图1.基于无线便携式微控制器的气象监测站的方框图

图2. SHT11与PIC16F887微控制器的接口原理图

3.2风向和风速传感器（风向标和风速计传感器）

风是空气中可感知的自然运动特定方向的电流形式。风方向和速度是定义风的运动所必需的两个因素。风向定义为沿顺时针方向测量的角度在真正的北方向和风的方向之间运动。风向通常以度数表示。同样，风速定义为速度哪个空气粒子在大气中移动每小时公里（kmph）。风向标传感器由传统的叶片或a组成指针系统和它的轴连接在一起自由旋转电位器。随着风的变化，它的方向迫使风向标改变其方向转动改变电阻和输出电压电位器与风向标相结合。因此，通过测量风向标的输出电压的变化来实现估计风的方向。在这个设计中，戴维斯仪器-6410风速计传感器（图3）已经过用于测量产生的风向0-5 V表示0-360°旋转角度[16]。的输出风向标传感器连接到内部10位ADC（RA0）PIC16F887单片机通过两级使用TLV2472构建的缓冲放大器（图4）。该ADC（RA0）的读数转换为风向使用Eq。（3）。

风向=360*RA0/1023度

为了测量风速，Davis Instuments-6410已采用风速计传感器（图3）。该风速计由自由旋转的垂直主轴组成安装在摩擦较小的滚珠轴承上，其中三个等距水平臂连接。对于每一个手臂，半球形杯子安装着子午线垂直。当风速计传感器是置于气流中，建立差压在杯子的凹面和凸面之间导致垂直主轴上的旋转扭矩。磁性与垂直主轴耦合的开关产生与旋转频率成比例的输出脉冲风速计。磁簧开关内部耦合风速计为风产生0Hz脉冲速度分别为0-60kmph [16]。输出脉冲风速计的输入被送到外部中断引脚（RB0 / INT）PIC16F887单片机通过PC817光隔离器（图5）。为了估计风速，时间段从而风速计输出脉冲的频率是通过配置Timer1来计算内部时钟来计算连续外部中断之间的脉冲（N）这是由于风速计磁簧引起的开关脉冲。之后，Timer1计数（N）转换为风速度使用Eq。（4）。

风速=(217/60)(Fosc/4/N)kmph

其中Fosc是微控制器的工作频率。 在PIC系列单片机内部Timer1递增每4个时钟脉冲一个。

表1 湿度转换系数

表2 温度转换系数

图3. Davis Instruments-6410风速计传感器

图4.风向标传感器与PIC16F887的接口示意图微控制器

图5.风速计传感器与PIC16F887的接口示意图微控制器

3.3雨量计传感器

雨是液体形式的液体水从大气水蒸气中凝结，然后沉淀，足以在重力作用下坠落。雨量计是一个传感器，可以测量给定的降雨量在特定的时间间隔内，其测量结果如何用毫米或英寸表示。雨量计传感器由收集漏斗两个组成腔室倾翻斗连接在一个跷跷板上，磁簧开关连接在一起（图6）。雨水进入收集漏斗并通过通过碎片过滤屏然后积累其中一个翻斗室放置在收集处位置。收集到指定体积的水后，翻斗开关到排水位置。同时，第二个翻斗将移动到收集位置并且前一个翻斗的雨水排出立即。这个过程继续和磁性簧片开关加上倾翻桶产生输出脉冲。在这个设计中，戴维斯仪器-7852雨水收集器用于测量降雨量，降雨量为每2毫米降雨量产生一个输出脉冲[17]。来自雨水收集器的输出脉冲被馈送到微控制器的Timer0（T0CI）的外部时钟输入通过PC817光隔离器（图7）。 Timer0配置为计数器，用于计算脉冲数（RFc）在TOCI引脚上转换为降雨量测量使用Eq。（5）。

雨量=0.2*RFc mm

图6. Davis Instruments-7852雨水收集器

图7.雨量计传感器与PIC16F887的接口示意图微控制器

3.4太阳总辐射表传感器

太阳辐射是瞬时发出的能量由太阳以电磁辐射的形式出现以瓦特/米为单位测量到达地球表面(W/m²)。 pyranometernsolar辐射传感器用于测量太阳辐射，其中包括宽光谱范围硅光电二极管换能器将入射太阳辐射转换成电流。光电二极管的输出连接到内部放大器进一步提高其输出信号强度。传感器和放大器都保持在空气密封的覆盖范围内，气流路径用于对流体的冷却，以最大限度地减少对物体的加热。传感器内部。此外，传感器包括用于的切断环余弦响应，水平指示器和鳍以帮助对齐传感器与太阳光线的方向。在这个设计中，戴维斯仪器-6450太阳总辐射表传感器（图8）是使用的能够测量0-1800 W/m²太阳辐射[18]。通过使用TLV2472构建的缓冲放大器将日射强度计的输出连接到TLV2543串行ADC的AIN1通道如图9所示。TLV2543是一款具有14路多路复用输入的串行ADC传输通道和转换12位读数使用I2C协议的微控制器。太阳辐射TLV2472的读出（RSR）转换为太阳辐射使用Eq。 （6）太阳辐射=RSR*1800/4095 W/m² (6)

3.5环境温度和表面温度

环境温度是环境温度和表面温度测量地球表面附近的空气温度。该电阻温度检测器（RTD）用于测量环境温度和表面温度（℃）（？C）。通常，RTD由温度传感组成元素由长金属线缠绕在陶瓷上或玻璃棒放在保护套内哪些导线连接以提供外部连接。在任何给定时间，RTD的电阻是成比例的因此，它周围的环境温度通过关联RTD电阻，可以估算周围的环境温度。在这种设计中，要测量的最高温度小于100℃，因此采用PT100传感器。PT100传感器提供电阻的线性变化100至138.50 X为0-100℃温度[19]。为了避免自加热，通过PT100的电流仅限于1毫安。因此，PT100传感器两端的电压温度每升高一次，增加0.385 mV。使用RTD放大RTD的低电平输出电压RTD放大器（图10）采用LM358双通道运算放大器构建。 RTD放大器旨在提供0-100°C温度下，输出电流为4-20 mA范围，反过来产生电压降串联电阻R5（125 X）为0.5-2.5 V.测量表面和环境温度，两个采用带RTD放大器的PT100传感器，输出的RTD放大器连接到AIN1和AIN2TLV2543串行ADC的通道分别为（图1）。来自AIN1（TST）和AIN2（TAT）通道的读数ADC转换为表面和环境温度使用Eqs。 （7）和（8）分别。表面温度=1000/3276*(TST-819) °C (7)

环境温度=1000/3276*(TAT-819)°C (8)

3.6 气压

大气压力定义为力通过重量施加在地球上的单位表面

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