一種獨立供電系統的野外遠程小型氣象站設計*

蔡植善，洪斯星 ，蔡嘉燦，曾永西

(1.泉州師范學院物理與信息工程學院，福建 泉州 362000;2.泉州豐澤華譽電子器件研究所，福建 泉州 362000)

加強防災減災體系建設，加快建立環境和地質監測預警體系，是國家在“十二五規劃”中的一項重要內容［1］。沿海和山區縣的野外環境，由于受地形地貌、地質條件、氣候條件等綜合因素的影響，發生地質災害具有點多、面廣、危害性大、突發性強等共同特點。特別是每年的6 月～9 月間，是暴雨和臺風的多發季節，頻繁發生滑坡、崩塌等地質災害，嚴重威脅人民的生命財產安全，造成巨大經濟損失和人員傷亡。地質災害的發生與當地的氣象條件、特別是實時雨量和歷史雨量有密切的關系［2－4］。因此，對氣象元素的數據采集，是地質災害監測與預警的一項重要組成部分。

在條件惡劣的山區、野外、海島等不適宜有人值守的地區，不僅市電不易到達，而且有線傳輸既不方便也不經濟。采用互補性很強的風能發電和太陽能發電作為獨立型的供電系統就成為很好的選擇。本系統是山體滑坡地質災害監測系統的子系統。

1 系統硬件設計

小型氣象站系統硬件由MCU 最小系統、5 元素氣象參數傳感器(雨量、風力、風向、溫度和濕度)電路、時鐘模塊、外擴閃存(16 K)模塊、故障自診斷電路、按鍵、GPRS 數據傳輸模塊、12864LCD 液晶顯示電路、風光互補供電系統組成，如圖1所示。

圖1 系統硬件組成框圖

考慮到本氣象站是山體滑坡地質災害監測系統的子系統，氣象參數采集后還需與其它監測參數匯集和融合，匯集時的數據傳輸采用ZigBee 短程無線網絡，免去有線數據傳輸的布線與施工;而且，氣象參數的測量以及故障自診斷也都需要對多個模擬量進行測量，所以選用美國TI 公司的CC2530 芯片，可以較好的滿足要求。由于CC2530 芯片的I/O 口數量有限，所需測量量及外圍模塊較多，所以增加了I/O 接口電路。選用帶漢字庫的LCD12864 作為本地顯示界面，顯示內容豐富;設計了8個按鍵，便于現場調試和操作。

1.1 主控MCU 的選擇

對MCU 的選擇參考以下幾個因素:①野外環境監測往往是監測區域內多點數據采集，這些數據需要匯集到基站，再由GPRS/GSM 網絡實現遠程傳輸。越來越多的匯集途徑采用的是無線傳輸，而近年來出現的ZigBee 技術可以很好的把多點傳感器進行無線組網。②功耗 如果采用電池供電，功耗問題往往是首先考慮的因素。本系統雖然采用風光互補系統供電，但由于要求系統每天24 h、長達多年的工作，MCU本身的低功耗對風力發電機、太陽能電池板、蓄電池的功率容量要求就更低。③是否為片上系統級(SoC)芯片。因為片上系統芯片的功能都較強，片內一般帶有若干個通道的A/D、D/A、豐富的外設接口、可編程的I/O 端口，內嵌硬件仿真調試電路，足夠大的ROM和RAM，外圍電路簡單，這些都為系統開發帶來了方便，也使系統電路更可靠。④I/O 端口的數量是否滿足使用要求。根據這些要求，TI 公司的CC2530 是個較好的選擇。CC2530 內嵌工業標準增強型8051MCU、自帶8 路12 bit A/D 轉換器、21個可編程GPIO、2個USART、自帶電池監視器和溫度傳感器、強大的5 通道DMA，特別是芯片嵌入的2.4-GHz IEEE802.15.4 的無線收發電路，大大方便了短距離無線收發、組網的硬件和軟件設計并有效的降低開發成本。CC2530 的最小系統可參考TI 公司的數據手冊(參考資料［5］)。小型氣象站的MCU(CC2530)以ZigBee 無線組網的方式加入山體滑坡地質災害監測系統的網絡，可以與其他測量參數進行匯聚、融合。CC2530 使用TI 公司推薦的巴比倫單極子不平衡天線，使用高頻0402 封裝的分立電感和電容實現。由于無線收發的頻率是2.4 GHz 的射頻，所以PCB 天線的布設成為關鍵，同時也是難點。因為不同的用戶對最小系統進行PCB 設計時，排版不盡相同，材料參數也不盡相同，所以除按TI 公司提供的說明、要求布設外，布好的PCB 天線通常要利用軟件如Ansys 公司的HFSS V12 進一步仿真［6］，得到較理想的仿真效果后再交由電路板生產廠家制版。如果PCB 天線沒設計好，那么傳輸距離會大大縮短，甚至無法通信。如果沒有布設天線的經驗，最好采用成品模塊。

1.2 傳感器接口電路設計

氣象元素傳感器包括雨量傳感器、溫濕度傳感器和風力風向傳感器，其中:雨量傳感器和風力傳感器的輸出都是脈沖頻率信號，溫濕度傳感器的輸出都是模擬電壓量，風向傳感器的輸出是8 路TTL 信號。故障自診斷功能需要對4 路模擬信號進行測量，加上時鐘電路(采用SPI 接口)、外擴閃存(采用I2C 接口)、GPRS模塊、液晶顯示器(采用SPI 接口)和按鍵，I/O 端口顯然不夠，所以設計了I/O 接口擴展電路，如圖2所示。其中，P1.3～P1.5 作為芯片的片選，P1.0～P1.2 作為芯片內地址線，結合軟件的掃描，即可實現對8個獨立式按鍵的掃描、風向的判斷和模擬量的輪流測量。需要注意的是，數字量的切換選用74HC151，為了使MCU 對信號的識別更可靠，最好在74HC151 的輸出端加一個74HC74 整形;而模擬量的切換，選用CD4051，并在CD4051 的輸出加電壓跟隨。

圖2 傳感器接口電路

1.3 氣象參數測試電路

由于氣象站的工作環境惡劣，特別是在雷雨天氣容易受強干擾信號影響，所以所有的氣象元素傳感器的信號都不能直接送入MCU 進行采集，要加入隔離電路。

1.3.1 雨量傳感器接口

本設計采用HA2012 雨量傳感器，分辨率0.2 mm/min。其工作原理是:承水口收集的雨水，經過漏斗注入計量翻斗—翻斗是用工程塑料注射成型的用中間隔板分成兩個等容積的三角斗室。它是一個機械雙穩態結構，當一個斗室接水時，另一個斗室處于等待狀態，當所接雨水容積達到預定值時(這個值就是分辨率)，由于重力作用使自己翻倒，處于等待狀態，另一個斗室處于接水工作狀態。當其接水量達到預定值時，又自己翻倒，處于等待狀態。在翻斗兩側壁上各裝有一個磁鋼，兩側磁鋼翻落處各有一個舌簧管。磁鋼隨翻斗翻動時從干式舌簧管旁掃描，使干式舌簧管通斷。翻斗每翻倒一次，兩個干式舌簧管便都接通一次送出一個開關信號(脈沖信號)，開關信號的極性相反。

雨量傳感器接口保護電路和整形電路如圖3所示。保護電路主要采用圖3 中D1～D4組成的網絡。正向脈沖由C1和C2吸收尖峰后，由D1、D2阻斷，負脈沖則由D3、D4鉗位，達到保護作用。TLP521 是一個光耦，在干簧管輸出負脈沖期間，1～2 間的二極管導通，信號由5 輸出，就起到隔離作用。光耦輸出也是脈沖信號，送入MCU 的I/O 口(P0.4)計數。

圖3 雨量傳感器接口

1.3.2 風速、風向傳感器接口

風速的測量選用HA2010 風速傳感器，其核心部件是霍尼韋爾傳感器。該傳感器采用傳統的三杯式結構，風杯選用碳纖維材料，機械強度高，啟動風速≤0.3 m/s，啟動性能好;工作電壓DC 5 V～12 V，最大功耗4 W。內帶精密信號處理單元可根據用戶需求輸出各種信號。本系統選擇脈沖信號輸出形式，其輸出阻抗≥1 kΩ，輸出信號頻率與風速成正比，即每個脈沖對應著0.2 m/s。風速輸出的脈沖信號頻率在0～200 Hz 之間，經R6接入光耦，C5電容可以吸收尖峰干擾風速傳感器與MCU 的連接如圖4(a)所示。

圖4 風速/風向傳感器接口

風向的測量選用HA2011 風向傳感器，其核心部件是磁阻傳感器。該傳感器采用傳統的尾翼式低慣性風標結構，啟動風速≤0.3 m/s，啟動性能好;工作電壓DC 5 V～12 V，最大功耗4 W。TTL 信號輸出形式，其輸出阻抗≥1 kΩ。連接線共9 條，其中1 條公共接線，使用時接Vcc，另外8 條線對應著正北、東北、正東、東南、正南、西南、正西、西北。當風標隨著風向的變化而轉動，代表著各個風向的輸出線會有一條或同時兩條與公共線通過磁阻導通，把這8 條線經光耦接入I/O 接口(74HC151 的D0～D7)的輸入端如圖4(b)所示。圖中的開關相當于磁阻開關。

1.3.3 溫濕度接口

設計使用了HA2005A 溫濕度傳感器。該傳感器采用原裝進口瑞士主芯片，工作電壓DC 5 V～24 V，經調理電路轉化為0～2 V模擬輸出，響應速度小于1 s。其中測溫范圍為－30℃～+70℃，對應著0～2 V模擬輸出，線性變化;測濕范圍為0% RH～100% RH，對應著0～2 V模擬輸出，線性變化。這兩個量直接接入MCU 的A/D 轉換輸入端轉換。為了防止太陽對儀器的直接輻射和地面對儀器的反射輻射，保護儀器免受強風、雨、雪等的影響，溫濕度傳感器完全包圍在輕型百葉箱里面，儀器感應部分有適當的通風，能真實地感應外界空氣溫度和濕度的變化。溫濕度傳感器的輸出接入CD4051 的X0和X1。

1.4 故障自診斷電路設計

由于采用離網獨立供電系統，所以供電系統工作的穩定性和可靠性直接關系到氣象站的有效性。系統設計的故障診斷電路是為了及時發現風力發電機和太陽能電池板因為受惡劣天氣或設備本身的原因而產生的故障。風光互補發電系統設計時必須有備用電池，通常備用電池在風力發電機和太陽能電池板同時完全失效時可供電至少10 天(對本系統而言)，所以當風力發電機和太陽能電池板其中一個或者兩個同時產生故障無法輸出電能時，故障自診斷電路就可及時檢測出來并短信及時通知管理人員進行處理。

風力發電機的故障檢測手段是:①檢測風力發電控制器的風力部分的穩壓輸出。風力部分的穩壓輸出約12 V～14 V，經分壓后接入CD4051 的X2，再切入MCU 的A/D 轉換器檢測，并定義為連續10天無電壓時為故障。②檢測風力發電控制器的機芯溫度，當連續5 h 機芯工作溫度超過80℃時開始預報警，超過85℃停止運行(廠家提供的數據)。選用常用的測溫器件DS18B20，既方便安裝，又只需占用1 條I/O 口線，直接接入MCU 的P0.7 進行讀數。太陽能電池板的故障檢測手段是:在電池板上安裝一個光敏電阻監測光照量，同時檢測太陽能發電控制器上的太陽能部分的穩壓輸出。太陽能部分的穩壓輸出也是在12 V～14 V，經分壓后接入CD4051的X3，再切入MCU 的A/D 轉換器檢測，并定義為能檢測到一定光照強度后無電壓輸出或連續10 天無電壓時為故障(視使用地區日照歷史情況而定)。

1.5 GPRS 數據傳輸電路

GPRS(通用分組無線業務)是在現有的第二代移動通信GSM 系統的基礎上發展的一種基于分組交換傳輸數據的高效率方式，可無縫、直接的Internet 無線IP 連接。GPRS 能夠在一個發送實體和另一個或多個發送實體之間提供數據傳輸，這些實體可以是連接到另一個GPRS 網絡或者一個外部數據的網絡終端設備，這樣的優點尤其適用于間歇性、非周期性數據的傳輸;少量數據的頻繁傳輸;較大容量數據的不頻繁傳輸。因此以GPRS為基礎的無線數據應用為氣象站實現遠距離的數據傳輸和實時監控提供了一種新的技術手段［7］。

設計中GPRS模塊采用SIMCOM 公司的GSM/GPRS模塊SIM300。這是一款支持數字、語音、短消息和傳真，處于睡眠狀態時電流僅為3 mA 的模塊。模塊工作電壓為單電源3.3 V～4.6 V，模塊工作溫度為－20℃～+55℃，適用于室外安裝。AT 命令集大部分和SIM300模塊兼容。通過標準的RS－232串行接口，用戶可以用MCU 通過AT 命令完成對模塊的操作，達到遠程數據傳輸的目的。CC2530 的P0.2和P0.3為串行口口線。

1.6 風光互補供電系統設計

由于風能和太陽能具有天然的互補優勢，即在白天太陽光較強而風少，夜間沒有太陽光而風力較強;夏天日照好、風弱，而冬季風大、日照弱。風光互補發電技術整合了中小型風電技術和太陽能光伏技術，充分利用了風能和太陽能資源的互補性，是一種具有較高性價比的新型能源發電系統。

離網型風光互補發電系統的框圖如圖5所示。因為本系統的負載全部是直流供電，所以不需要有逆變器部分。風光互補發電系統的設計順序一般遵循以下5個步驟［8］:(1)根據用電設備配置確定日平均用電量;(2)根據資源狀況，無有效風速及連續陰天天數的長短，每天必用的最低電量，確定蓄電池容量;(3)根據日平均用電量，逆變器和蓄電池的效率等測算日平均發電量;(4)根據風能和太陽能資源狀況、系統可靠性要求等因素，確定風力發電機和太陽能的比例;(5)根據所需風力發電量及太陽能光伏發電量和資源情況，進行發電機選型、太陽能電池方陣選型。根據上述原則，留有冗余，系統的風光互補供電系統配置方案如表1所示。

圖5 離網型風光互補發電系統框圖

表1 風光互補供電系統配置方案

2 系統軟件設計

2.1 氣象參數采集

雨量、風速的輸出都是TTL 標準的頻率量，測量時分別經光耦接入CC2530 的引腳P0.4和P0.6，由MCU 進行計數即可;風向傳感器的輸出有8 條，都是TTL 信號，經光耦接入圖2 的74HC151，再由74HC151 的輸出端接入CC2530 的引腳P1.7，由CC2530 編程對風向傳感器的8 條線進行掃描;溫濕度傳感器的輸出都是0～2 V 的模擬量，接入圖2 的CD4051，再由CD4051 的輸出端接入CC2530 的引腳P0.0，由CC2530 編程對溫濕度傳感器進行測量。軟件流程如圖6所示。其中圖6(a)為雨量和風速軟件流程，圖6(b)為溫濕度等模擬量的軟件流程。

圖6 氣象參數和自診斷參數采集流程

2.2 故障自診斷

故障自診斷的測量參數共4個，除風力發電機機芯溫度外還有3個，即風力發電機和太陽能電池板發電后經控制器穩壓后的輸出及太陽能電池板上光敏電阻的電壓輸出，這3個量都是電壓模擬量，連同氣象元素的溫濕度共5個電壓模擬量，根據采集的時間要求對上述5個參數采集并進行數字濾波處理［9］。如圖6(b)所示。

2.3 無線網絡組網

ZigBee 是一種網絡容量大、節點體積小、結構簡單、低速率、低功耗的無線通信技術。在ZigBee 網絡中，是由3種設備類型組成:協調器、路由器和終端設備構成，可以組成星形網、網狀網或簇結構網。本系統以氣象站這個點為協調器組網，其他監測點如深部位移傳感器、地下水位傳感器等節點為路由器和終端節點。節點的測量和組網的方法另文敘述。

2.4 按鍵和顯示軟件

設計按鍵和顯示是為了調試和檢修的方便。為了節省I/O 口，把8個獨立式按鍵經多路開關74HC151 接入CC2530 的P1.6，軟件進行掃描即可;顯示部分采用3 線SPI 串行接口方式的漢字圖形點陣液晶模塊12864A－1，3 條接線CS、CLK、SID 與MCU 的P2.0～P2.2 連接。軟件編程時按鍵程序和液晶顯示程序都設計為獨立子函數，供主程序調用。

2.5 數據傳輸［10－11］

單片機通過GPRS模塊附著到通信運營商提供的GPRS 網絡，登陸到Internet 并與連接其上的任意一臺已知IP 地址的PC 機建立數據鏈路并進行全雙工數據通信。這個過程的核心是GPRS模塊作為移動終端連接GPRS 網絡，GPRS 數據經SGSN(服務GPRS 支持節點)發往GGSN(網關支持節點)，GGSN 對分組數據進行處理，再發送到Internet，最后再發送到指定IP 的PC 機。GPRS模塊與GGSN 的通信要符合PPP (點對點)協議，才可以接入Internet。單片機要實現把采集的數據通過GPRS 遠程發送，從終端底層到上位機的協議有串口驅動層、GPRS模塊驅動、PPP 協議層、IP 協議層、TCP 協議層和應用層。選用的MC39I模塊已經自帶TCP/IP協議，使得數據傳送的軟件設計大為簡化。簡化后的編程環節是:單片機通過AT 命令對GPRS模塊進行連接、發送數據，應用層采用LabVIEW 編程通過IP 地址登陸Internet 接收數據。單片機上網、連接到指定IP 地址的遠程計算機到與遠程計算機的收發數據的過程實現，都可以先通過串行調試助手進行，每發一條AT 命令，都會返回一個正確或錯誤的信息。單片機通過GPRS 遠程收發數據的調試過程是:①用串口調試助手設置GPRS模塊的通信波特率，并與單片機的串行通信波特率一致:AT+IPR=9600;②建立單片機與遠程計算機的連接:AT+CGDCONT=1，“IP”，“COMNET”，設置接入網關為移動夢網;AT+CGATT=1，登陸GPRS 網絡;AT+CGCLASS=“B”，選擇GPRS或GSM 服務的一種;AT+CGACT=1，1，激活GPRS;AT+CIPSTART=“TCP”，“192.168.1.100”，“8080”，設置上位機IP 地址和偵聽端口;ATD* 99＊＊＊1#撥號。然后就可以進行數據傳送，數據傳送的流程如圖7所示。

圖7 數據發送流程

3 LabVIEW 上位機軟件設計［12］

LabVIEW 提供的網絡通信功能的方式包括:TCP、DataSocket、瀏覽器、RDA。本文采用TCP/IP 通信。LabVIEW 提供的TCP/IP 協議包括TCP和UDP，多數情況，習慣使用TCP 協議。LabVIEW 內與TCP 協議相關的功能函數有:網絡監聽TCPListen，與指定地址和端口的服務器建立連接的TCPOpen，從TCP 連接中讀取數據的TCPRead，向TCP 連接中寫數據的TCPWrite 及關閉網絡連接的TCPColse。可采用服務器/客戶機模式進行通信，初始化時，首先指定網絡端口，這個端口號就是數據終端遠程登陸時指定的端口號，一般在0～65535 間取大于1024 的值，并用TCPListen 函數建立監聽，等待客戶機(即遠程數據終端)的連接請求，連接建立后采用TCPRead 函數接收數據，也可采用TCPWrite 發出命令(如設置數據采集間隔時間)。圖8為LabVIEW 監測界面。

圖8 LabVIEW 監測界面

4 結語

氣象參數的監測是環境監測的一項重要組成部分。采用離網型的風光互補獨立供電系統，具有節能、環保的優點;采用GPRS 遠程傳輸數據，具有不受時間、地域的限制特點;在供電系統中加入故障監測電路，使系統的可靠性和安全性大大提高。系統經過半年多時間的運行，為遠程監測的上位機發回了大量的數據，為環境監測和治理發揮了很大作用。

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