從感測器中摘錄和監測資料對氣象組織至關重要。獨立的天氣資料記錄器用於記錄溫度、濕度、降雨量、葉片濕度、氣壓、日照等,但獨立資料記錄器僅限於收集地面站的資料。若是要監測天空中的溫度、濕度、氣壓、風速和風向等環境參數,這種地面站技術就派不上用場了,為了克服這個問題,有必要改變設計策略。

本文介紹的是使用射頻(RF)模組AX5042監測大氣參數環境氣象氣球的案例研究。氣象氣球通常被稱為無線電探空儀(Radiosonde)或GPS探空儀(GPSsonde),這種設計的目的是從感測器擷取資料並將其發送到位於地面的接收器。

氣象氣球可分成三部分,分別是UHF發射機(用於RF傳輸)、感測器單元和時間同步模組(GPS和RTC)。首先介紹無線電探空儀的框架圖。稍後探討硬體及其介面的內部細節。

20180917TA31P1 圖1 無線電探空儀(氣象氣球)框架圖。(來源:Kumar)

氣象氣球工作原理

RF晶片產生所需的傳輸頻率,透過它可以設置發送資料的傳輸時間間隔。可用任一款微控制器連接各種外掛晶片,如GPS、即時時脈(RTC)和感測器;從感測器擷取資料並透過RF通訊發送到遠端位置。若要實現正確的傳輸,則精準度為±1ppm的即時時脈DS3231可為首選。

但是,如何獲得時間和日期?可以選用GPS接收機Ublox從太空上的INSAT衛星獲取日期和時間。不僅可以從MAX7C GPS上獲取日期和時間,還能得到經緯度等資訊;再來將從GPS單元獲得的日期和時間載入微控制器。一般來說,無線電探空儀使用的頻率範圍為400MHz~600MHz。

演算法

演算法描述了實現氣象氣球的基本思想。

  1. 將GPS與衛星同步。

  2. 從GPS獲取時間資訊。

  3. 將此時間載入到即時時脈中。

  4. 使用RF模組鎖定頻率。

  5. 定期發送和接收感測器資料。

20180917TA31P2 圖2 軟體環境。(來源:Kumar B)

硬體簡介

以下介紹底層硬體。

安森美半導體(ON Semiconductor)提供了評估套件DVK-BASE-2-GEVK,以及必要的附加模組。AXsem積體電路(IC)使用AX-RadioLAB GUI和AX-MicroLab程式碼產生器、AXSDB調變器和AXCode:Blocks IDE。

在此,使用AT89C2051微控制器來製作原型。微控制器使用SPI介面與RF模組進行通訊。首先,RF模組必須以特定的頻率載入,為此,必須程式設計PLL。

硬體和軟體設計

在keil μVision IDE環境用嵌入式C編寫了應用程式碼。圖3顯示了微控制器、RF模組和HYT 271濕度感測器之間的連接。

濕度感測器和微控制器間的I2C匯流排要接上拉電阻(連3.3V工作電源)。建議使用2.2K電阻以獲得更好回應。

20180917TA31P3 圖3 射頻模組和微控制器連接。(來源:Kumar B)

必須對RF模組進行程式設計以生成所需的頻率。微控制器使用SPI介面寫入和讀取資料。

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