嵌入式系統的小型自動氣象站設計※

勇婭詢，劉懷芝

(1.江蘇科技大學 電子信息學院，鎮江 212003；2.中船重工鵬力(南京)大氣海洋信息系統有限公司)

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嵌入式系統的小型自動氣象站設計※

勇婭詢1，劉懷芝2

(1.江蘇科技大學 電子信息學院，鎮江 212003；2.中船重工鵬力(南京)大氣海洋信息系統有限公司)

摘要:隨著社會進步，人們對周圍氣象信息的準確性和實時性提出了更高的要求，由于市場上的自動氣象站價格較高，因而設計了基于嵌入式的小型自動氣象站。系統以高性能的ARM Cortex-M3微控制器 LPC1788為硬件核心，擴展了外圍接口電路。以嵌入式實時操作系統μC/OS-II為軟件平臺，移植了μC/GUI圖形用戶界面，實現了數據的采集、處理、存儲及顯示等功能。通過3G模塊與數據監控中心主機進行通信，實現了遠程數據實時傳輸。經測試，系統具有體積小、成本低、功耗低、采集速度快等優點，在氣象監測行業中具有廣闊的應用前景。

關鍵詞:Cortex-M3；μC/OS-II；μC/GUI；小型自動氣象站

引言

自動氣象站是一種集氣象數據的采集、存儲、傳輸和管理于一體的無人值守的氣象采集系統，在電子設備或計算機控制下自動進行氣象觀測和資料的收集傳輸[1]。小型自動氣象站主要觀測氣壓、氣溫、相對濕度、風向、風速等基本氣象要素，也可根據需求增加測量要素，如光照、蒸發量、雨量等。小型自動氣象站具有成本低、功耗低、安裝方便等優勢，既適用于氣象、海洋、機場、港口、城市以及工業/農業區環境監測，也適合學校和科研機構等使用，應用十分廣泛[2]。

1總體設計方案

小型自動氣象站主要由6大功能模塊組成，分別為主控模塊、信號采集模塊、數據存儲模塊、人機交互模塊、通信模塊和電源模塊。小型自動氣象站的組成框圖如圖 1所示[3]。

1.1主控模塊

考慮到設計要求與經濟因素，本系統選擇了恩智浦基于Cortex-M3內核的LPC1788微控制器作為主控核心，其資源豐富，主頻可達120 MHz，支持SDRAM和NAND FLASH擴展、具有512 KB的FLASH和96 KB的RAM、 4個定時器、5個UART、8通道12位A/D轉換器，1路SPI以及3路I2C、帶LCD_TFT控制，支持USB 2.0(host/device/OTG)、支持SD卡、具有內部RTC等，滿足設計要求[4-6]。

以LPC1788微控制器為核心的主控模塊負責驅動整個系統的運行，為其他各個模塊提供接口，實現數據的采集、處理、顯示、存儲與傳輸。

圖1　小型自動氣象站的組成框圖

1.2電源模塊

在電源電路中，采用DC 9～18 V電源輸入，供電圖如圖2所示。首先通過DC-DC將輸入電壓變為12 V，其中12 V分為兩路，一路為系統提供電壓，另一路為外設供電。然后，12 V通過DC-DC變為5 V，5 V也分為兩路，一路可以給3G/GPRS模塊供電；另一路通過低壓差線性穩壓器(LDO)變為3.3 V，為系統供電。DC-DC電源芯片選用的是LM2596，其輸出的電壓可以調節，擁有3 A負載電流輸出。LDO選擇AMS1117-3.3 V，此芯片最大電流可以達到1 A，兩種芯片均滿足應用需要。

圖2　電源供電圖

供電系統采用市電和太陽能發電互補，主電采用交流220 V市電，副電采用太陽能發電，通過自動開關進行切換，保證在無市電的情況下本系統能可靠運行。

1.3信號采集模塊

信號采集模塊以傳感器為核心，負責獲取氣象要素信息。本設計考慮氣象站的小型化、低功耗、安裝便捷、價格等因素，選取了國產的PH-YT超聲波一體化傳感器用來測量風速、風向、溫度、濕度、氣壓共五項基本氣象要素，技術參數如表1所列。

PH-YT超聲波一體化傳感器通過RS485接口連接采集主控模塊，通信協議采用標準的Modbus通信協議。

采集板預留了各種接口，可接擴充的各種類型的傳感器。傳感器由采集板供電，電源可控，電路設計中,為了避免傳感器短路故障而影響系統工作，在各個供電部分都加入了自恢復保險絲，提高了系統運行的可靠性。

1.4數據存儲模塊

自動氣象站常工作在野外環境中，需要大量存儲數據，當系統存儲容量不夠，又需要保存大量數據的時候，可以用SD卡存儲臨時數據，因而設計了SD卡存儲電路。同時還設計了USB接口電路，當檢測到有U盤接入時，將自動拷貝SD卡中的數據。

1.5人機交互模塊

人機交互模塊主要設計了 LCD 液晶屏接口電路，提供直觀的菜單操作界面，方便用戶操作。

1.6通信模塊

通信模塊分為兩個部分：一是智能傳感器通過相應的接口將采集的信息傳輸給主控模塊，二是主控模塊與監控中心主機的通信。本設計采用的是3G通信，采集處理好的氣象信息，通過3G模塊上傳到數據庫。

2軟件設計與實現

考慮到系統的多任務及實時性，系統在軟件上移植了嵌入式實時操作系統μC/OS-II。主要完成的工作為：根據所選的MCU對OS_CPU.H 頭文件、OS_CPU_C.C源代碼文件、OS_CPU_A.S 匯編代碼文件進行編寫與修改，接著移植了圖形用戶界面μC/GUI[7-8]。

在系統的硬件平臺上實現μC/OS-II系統軟件層和μC/GUI圖形用戶接口后，根據系統的應用功能進入嵌入式應用軟件開發。以LPC1788為核心，把各種輸入/輸出設備相關的功能劃分成不同的任務，主要包括GUI界面顯示任務、串口任務、數據采集任務、文件系統存儲任務、按鍵任務等[9]。系統軟件整體工作流程如圖3所示。

表1　技術參數指標

圖3　系統軟件整體工作流程

2.1數據采集任務

PH-YT超聲波一體化傳感器采用標準的Modbus通信協議[9]。通信協議具體內容見表2。

表2　傳感器通信協議

注：XX XX為風速數據，高前低后；YY YY為風向數據，高前低后；TP TP為溫度速數據，高前低后；HU HU為濕度數據，高前低后；PRE PRE為氣壓數據，高前低后；CRC為校驗碼。

以獲取風速風向數據為例，其具體程序如下：

void SEND_FSFX_ORDER(void){

//發送獲得風速風向數據指令

int i;

unsigned char buf[8]={0x01,0x03,0x00,0x00,0x00,

0x02,0xC4,0x0B};

for(i=0;i<8;i++){

UART_Send(UART_1,&buf[i],1,BLOCKING);

}

}

void GET_FSFX_DATA(void){

//獲得風速風向數據

UART_Receive(UART_1,Read_FSFX_Buffer,9,BLOCKING);

}

void SEND_BUFFER_FS(void){

//將風速數據通過串口0發送

int i;

for(i=3;i<5;i++){

UART_Send(UART_0,&Read_FSFX_Buffer[i],1,BLOCKING);

}

}

void Dec_BUFFER_FSFX(){//將風速數據轉換成十進制數據

DEC_FS=(Read_FSFX_Buffer[3]*256+(Read_FSFX_Buffer[4])) ;

}

2.2串口任務

串行接口(Serial Interface) 簡稱串口，也就是平時所說的COM口，是采用串行通信方式的擴展接口。現場傳感器進行數據采集，經過終端處理后在電腦上打印，串口任務如下：

void TRANSMIT_task(void *pdata){

OSTaskSuspend(TRANSMIT_TASK_PRIO);

OSTimeDlyHMSM(0, 0, 0, 500);

for(;;){

DEBUG_LOG("FS->%d.%d ", DEC_FS/100, DEC_FS%100);

DEBUG_LOG("FX->%d ", DEC_FX);

DEBUG_LOG("TP->%d.%d ", DEC_TP/10, DEC_TP%10);

DEBUG_LOG("HU->%d.%d ", DEC_HU/10, DEC_HU%10);

DEBUG_LOG("PRE->%d.%d ", DEC_PRE/10, DEC_PRE%10);

OSTimeDlyHMSM(0, 0, 1,0);

}

}

圖4所示為串口助手顯示的串口打印數據。其中FS為風速，FX為風向，TP代表溫度，HU代表濕度，PRE代表氣壓。

圖4　串口打印數據

2.3文件存儲任務

數據保存在自動氣象站系統中較為重要，傳感器采集的數據保存于本地的SD卡中。歷史數據以日期命名，每天產生一個文件夾，小時數據以小時命名，每小時產生一個txt文檔用于保存每小時產生的數據，代碼里設置為3 s保存一次數據[10]，具體程序如下：

void FATFSData(){

status = f_mount(0, &fs);

Create_files(dir_path,file_path);

Write_Time_file(dir_path,file_path) ;

Write_Uart_file(dir_path,file_path) ;

f_mount(0,NULL);

}

系統在執行FATFSData()函數時，首先在FATFS上注冊一個工作區，然后使用Create_files(dir_path,file_path)函數,以年月日的格式創建文件夾路徑dir_path，以小時的格式創建txt文件路徑file_path,這樣便于以后的數據查找，測試的結果如圖5所示。Write_Time_file(dir_path,file_path) 和Write_Uart_file(dir_path,file_path) 函數，在所創建的txt文檔中寫入內容，數據格式如圖5(c)所示。

圖5　文件系統保存數據

2.4GUI顯示任務

GUI界面顯示任務主要完成了以下工作：①確定界面布局；②顯示文本框，并通過文本框顯示采集的數據；③制作字模，建立字母和漢字庫，并在屏幕上顯示；④顯示圖片。為了節省內存，通過字模生成器生成漢字，通過鏈表形式加入。為了在LCD屏幕上顯示bmp圖片，首先要把圖片轉換成C文件，這個C文件由一個數組構成，數組大小由LCD上顯示的圖片大小決定。顯示圖片首先通過GLCD_DrawIcos(uint16_t x,uint16_t y,uint16_t width,uint16_t height,uint8_t *icosbase)函數讀取圖片像素點,GLCD_DrawIcos函數共有5個變量，前4個變量分別代表了圖片顯示的位置和寬度、高度，最后一個參數是一個指針，指向存放圖片點陣的數組。然后用函數GLCD_SetPixel_16bpp(x,y,temp)一點一點地顯示像素點，直到讀取完所有的像素點為止。

界面顯示如圖6所示。圖中顯示的是2015年8月31日下午15時49分在測量基地測得的氣象要素，由于未下雨，雨量數值顯示為0，此時風速為0.3 m/s，風向為16.7°，溫度為29.0 ℃，氣壓為1006.9 hPa，濕度為58.5%RH。

圖6　界面顯示

3上位機的實現

氣象站系統安裝在鹽城市濱海港的江蘇省海洋氣象環境綜合觀測研究基地，測得的數據通過3G模塊傳輸到公司上位機數據庫中，采用Java語言設計了氣象站顯示界面，采用C/S模式，輸入網址獲得的數據實時顯示界面略——編者注，實時顯示了風速、風向、溫度、濕度、氣壓的數值，選擇要素變化趨勢，可以實時顯示變化曲線圖。

結語

至今為止，該設備運行穩定，功能正常，與研究基地內多個類似觀測產品，以及雷達監測的數據相比，數據采集和分析處理結果較為準確。因為小型氣象站安裝便捷、功耗低、性能穩定，適合推廣應用。

參考文獻

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[10] 張濤,左謹平,馬華玲.FatFs在32位微控制器STM32上的移植[J].電子技術,2010(3):25-27.

勇婭詢(碩士研究生)，研究方向為智能電氣系統；劉懷芝(工程師)，研究方向為儀器開發。

Small Automatic Weather Station Based on Embedded System※

Yong Yaxun1,Liu Huaizhi2

(1.School of Electrical and Information,Jiangsu University of Science and Technology,Zhenjiang 212003,China;2.CSIC Pride (Nanjing) Atmosphere Ocean Information System Co.,Ltd.)

Abstract：With the development of the society,people put forward higher requirements for the accuracy and real-time of the weather information around themself.Due to the price of the automatic weather station on the market,therefore a small automatic weather station based on embedded system is designed.The system uses high-performance ARM Cortex-M3 microcontroller LPC1788 as the hardware core,and expands the peripheral interface circuits.The embedded real-time operating system μC/OS-II is used as the software platform,and the μC/GUI graphical interface system is ported to achieve data collection,processing,storage and display and so on.It communicates with the data monitoring center host through the 3G module,and achieves the real-time remote data transmission.The test results show that the system has small size,low cost,low power consumption,acquisition speed,etc,and has a wide range of applications in the weather monitoring industry.

Key words:Cortex-M3;μC/OS-II;μC/GUI;small automatic weather station

收稿日期：(責任編輯：薛士然2015-09-09)

中圖分類號:TP393

文獻標識碼:A