關于氣象數據采集通信系統設計、實現工作的探究

王 勇，吳 杰，樊清華

（秦皇島市氣象局，秦皇島，066000）

作為氣象監測技術基礎的氣象信息在多個行業的安全運行中發揮著重要的作用，為了進一步實現氣象通信數據的自動化和網絡化運輸過程，將從通信技術ZigBee 和GPRS 這兩種技術的性能特征和工作中的優點進行分析和研究，從而提出一種新的設計方案，進而完成氣象數據采集通信系統的設計和實現工作。其中嵌入式數據集中器、GPRS 無線通信、ZigBee 無線傳感器、信息采集節點這四個部分組成了氣象數據庫采集通信系統，通過采集點來采集各個地區的氣象數據。然后由無線傳感器來對這些氣象數據傳入到嵌入式數據集中器中，應用GPRS 技術將處理過的信息運送到遠程數據管理中心。實現最后的氣象信息的通信過程。由于將GPRS 無線通信運用到設計中，使得整個氣象數據采集通信系統變的方便、快捷。下面就這些方面展開詳細的討論和研究。

1 氣象數據采集與發送的硬件設計

GPRS 是在GSM 的基礎之上發展起來的交換數據系統，因為數據業務的承載能力和業務支持都有很大的優勢被廣泛的運用在氣象數據采集的系統設計中，實現多點采集并且能夠運用在野外的自動氣象監測系統數據傳輸中去，具有便利的優點，就系統的總體設計進行詳細的探討。

1.1 數據采集電路設計

1.1.1 MCU 的選擇設計。將11 的MSP430F135 作為MCU 的選擇設計，首先，電壓的工作范圍控制在1.8 伏到3.3 伏之間，雙時鐘的技術運用為系統中各個功能提供了全部需求，同時，始終按照一定的控制命令來開展相應的工作，對功耗的降低具有非常重要的作用，在野外太陽能供電的地方非常的適用。其次，選擇11 的MSP430F135片中擁有非常多的資源信息，能夠與各種通信和傳感器的接口相匹配。

1.1.2 溫度測量電路設計。在氣象數據采集系統中運用Dsl8820 作為傳感器的設計選擇，原因在于Dsl8820 型的傳感器能夠直接將模擬溫度的信號進行設計以后轉變成數字信號內容，再通過一線總線的方式傳送給MUC，在這個過程中還能實現校驗碼的傳遞，使得抗干抗糾錯能力提高。

1.1.3 濕度電路測量設計。HF3223 型濕度傳感器被運用在這個系統當中，首先，由于其頻率輸出式集成濕度傳感器、線性度以及抗干抗能力都顯現的非常好，因為電壓的要求為5 伏，MSP430F135的電壓要求為3.5 伏左右，這樣由傳感器輸出的信號不會破壞MSP430F135 的接口，同時保證輸出的信號通過電阻分壓的方式來接入到P1.6(TAl)單片機引腳中去。

1.1.4 電壓測量電路設計。在電壓測量電路的設計中氣壓傳感器是采用MPx4loo 這種型號，其測量的絕對電壓范圍控制在20～105kPa 之間，和HF3223 類似，這種傳感器的電壓也是5 伏。因為其電壓超過了單片機的接口范圍，在將信號送入單片機之前必須經過精密的電阻分壓處理過后才能進行。

1.1.5 風速測量電路設計。在氣象數據采集系統中，風速信號代表著脈沖信號，與濕度信號存在一定的相似性，因此在涉及的過程中將其接入到MSP430F135 的P1.5(TAO)引腳中去，實現風俗電路的測量工作。

1.1.6 風向測量電路設計。在對系統風向測定的過程中需要將風向信號的發生裝置連接到由1個風向標帶動的格雷碼光組成中去，其中格雷碼光是由6位組成的，根據風向的不同，產生的格雷碼也有所差異。通過對其原理進行分析，發現格雷碼的信號是經過濾波處理后被MUC 讀取，并以查表的方式將風向的具體信息讀出。

1.2 GPRS 通信模塊和時鐘設計

在系統中的通信模塊主要選用TechFaith 的PIM 來實現信息的處理和傳遞，其中因為具備語音傳送、數據業務以及短信息的無線接口使得今后的使用過程非常的便利。將PIML 的I 腳連到MUC的引腳中去，因為在工作中以來電呼入的方式作為變化的標準，所以以中斷的形式來得到響應，同時模塊中還有省電模式可以運用，當運用這種模式的時候，系統以周期性的振動來實現省電的功能。單片機的系統電壓為3.3 伏左右，這樣模塊的接口能夠承受的電壓就必須控制在2.8 伏，為了保護GPRS 的接口，需要將PIML 與MCU相連實現整個系統的安全工作的運行。

電機片的型號存在很多不同的類型，需要對其進行深入的了解和研究，以便選擇更加適合的類型來滿足工作的需求，同時對模擬總線的時序數據的讀寫操作功能作為主要的參考內榮，將具有中斷功能的P2.O、P2.1 運用到系統中去，當出現中斷現象以后，可以用外部中斷響應觸發事件來節省CPU 的時間，保證時間資源的有效利用。S-3530A 內部不含有電池，因此當出現沒電的情況就會使內部的數據全部丟失，造成嚴重的后果，因此為了有效避免這一情況的發生，必須采取合理的手段和方法進行設計工作，將電路設計時外部的電池采用3 伏的電壓，確保系統的正常供電和各個系統的正常運行，實現數據在外部電源掉線以后仍然可以有效的確保數據完整性。

2 系統的軟件設計

無線數據傳輸模塊、上位機和下位機三個部分組成了氣象數據系統的采集系統。

2.1 無線數據傳輸模塊的軟件設計

在無線數據的傳輸過程需要嚴格的控制發送的字節，具體的要求是每次允許發送一個字節而不允許出現多字節的發送。這樣的工作模式有利于簡化編程的復雜性，同時能夠實現自動過濾噪音的功能，為了有效的實現這樣的數據傳輸效果，應該在降低數據在傳輸過程中出現的錯誤次數，并且要求在收模式和發模式的過程中過能有效的實現自動發送的模式。當傳輸的距離較遠和數據傳輸的環境比較復雜的情況下，需要依照實際情況來采用多臺從機的路由形式實現傳輸。其中在這個系統中主要采用了兩種路由的方式。

2.2 下機為軟件設計

將下位機的編程語言充分的運用在雙處理器中，有效的將數據的循測和數據格式轉換的工作用單片機來實現。通過無線數據的傳輸模快向上位機傳數據是單片機的主要工作模式，與此同時還接受相應的上位機命令等功能。在氣象數據的糾錯方式中存在主要的兩級方式，首先，單片機按照相同的時間間隔來對連續數據進行抽樣。其次，將上一步中抽樣的數據進行平均計算，將這個最后的結果作為最終的數據上傳方式來實現糾錯目的。

上位機需要發出指令來指導主片機的工作，將其設置為接受上位機命令后實現傳輸的模式來具體運行，對上傳的數據進行讀取并采用CRC 來進行校對工作，按照最初設定的模式來上傳，將有效的提高其與上位機通信的準確性。

2.3 上位機軟件設計

以Delphi 軟件為主要的運行平臺，在上位機控制軟件中使用用MSCbmm 控件和Access 數據空系統來完成相應的工作，這樣的設計安排有利于與下機為保持隨時的通信并且有效的對上機位的數據進行合理的處理，實現最終的打印、儲存、顯示等功能。其次運用壓縮過后的BCD 碼編方式來儲存相應的數據格式，要求一個字節中包含兩個BCD 碼，按照高低順序進行排列，實現2 為十進制的表達方式，其中數據中存在的小數點按照軟件的具體處理方式為主。物理量的正負性按照字節的各位來分別表示，系統中主要需要4個參數，則相應的就需要8 字節對其進行表示，其物理的正負性則運用一個字節來進行表示。確保傳輸的數據是按照規定的形式來進行，當第一個字節開始傳輸以后，則要求最后一個字節必須是符號字節，這個字節的高4 為代表了參數的正負性，在一定的時間內發送的幀數的具體情況由上機為來控制和安排，確保串口讀數據的速度比數據處理的速度大，只有波特率的選擇要求才能確保數據采集的準確性和實效性。科學的運用各種曲線來表示具體的動態關系，將各種歷史性的數據和查詢需要的記錄信息有效的展現出來，從中尋找各種氣候變化的規律。實現氣象科學的監測和預告。

3 主控系統與采集點的通信

3.1 總線的通信方式

將用RS485 通信協議運用到采集單元格式和主控平臺的通信距離較遠的系統中來，其中該通信協議能滿足平衡傳輸線的標準和雙向傳輸的模式，能夠實現多個點共同鏈接，最多的時候允許32個節點的共同創建，同時距離可以長達1200 米。為了在一條線上同時安排多個掛接數傳感器采集單元，必須在網絡中多增加額外的模塊來達到這項目的要求。

3.2 星型局域網方式設計

TCP／IP 網絡通信協議被廣泛的應用在采集單元分布集中以及通信方式距離較近的地方。通過微型網絡的交換設備來實現微小局域網的構建工作，RS485—TCP／IP 轉換器能夠有效的將將RS485 通信鏈路轉換成太網物理連接，實現其智能轉換的功能，將七層鏈路協議在裝置中進行固化，為供TCMP 通信服務做好充分的準備工作。用交換機將多個智能傳感器信號和智能采集單元連接起來，有效的實現主控平臺的基本功能形成一種比較完善的氣象綜合控制監測系統，達到高速數據通信與管理的目標。

3.3 藍牙技術方式設計

因為智能單元有可能收到外部環境和布線困難的一些影響，因此需要將藍牙模式的網絡數據鏈接充分的運用到距離較近的智能單元中去。將用RS485現場總線方式運用到實時性要求不高的地方，因為收到傳統的運輸方式的干擾而容易出現檢錯能力不強的情況，系統傳輸容量和數量受到傳輸距離的限制而出現嚴重的問題，出此之外，在一些特殊地區也不太適宜采用此種方式。

通過對傳統的數據采集方式的有限網絡數據運輸進行分析發現，其運輸方式存在很大的缺陷和困難并受到環境的嚴重影響，因此已經不被利用。目前無線傳感器覆蓋范圍較廣、成本較低和無需布線的特點決定了其運用的價值，其中。ZigBee 無線傳輸協議是目前最有發展的一項無線通信技術，是非常易于構建的的無線網絡，在耗能的性能方面也占據著非常大的優勢，同時比其他的產品更能維持較長時間，是未來氣象數據傳輸系統技術運用的趨勢。

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