探析智能氣象站的數(shù)據(jù)采集和通信傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

【摘要】為了更好地適應(yīng)氣象站傳感設(shè)備動(dòng)態(tài)接入的需求，可以基于MEMS傳感器技術(shù)設(shè)計(jì)智能氣象站的數(shù)據(jù)采集和通信傳輸系統(tǒng)，進(jìn)行軟硬件開發(fā)和設(shè)計(jì)，通過(guò)以太網(wǎng)通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫濕度、氣壓、風(fēng)力、光照、雨量、空氣指數(shù)等數(shù)據(jù)的采集和通信。

【關(guān)鍵詞】智能氣象站；傳感器；數(shù)據(jù)采集；通信傳輸系統(tǒng)

一、智能氣象站數(shù)據(jù)采集與通信傳輸原理分析

智能氣象站基于MEMS傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和傳輸，它主要包括網(wǎng)速風(fēng)向傳感器、氣壓傳感器、溫度濕度傳感器、固定支架、風(fēng)扇、通信線纜等部分，能夠?qū)⒉杉哪M數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。其中，基于MEMS的路面采集器可以利用積水厚度傳感器、溫度檢測(cè)傳感器、冰點(diǎn)（鹽度）傳感器、路面狀態(tài)傳感器等模塊，進(jìn)行自補(bǔ)償、自診斷計(jì)算和信息傳輸。智能氣象站的GPRS無(wú)線通信基于GSM網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)分組數(shù)據(jù)交換和傳輸，實(shí)現(xiàn)GSM系統(tǒng)的延展通信，在不固定占用無(wú)線信道的前提下，通過(guò)Um接口實(shí)現(xiàn)用戶移動(dòng)設(shè)備與GPRS網(wǎng)絡(luò)的鏈接和通信，有效整合和利用信道資源。

二、智能氣象站數(shù)據(jù)采集與通信傳輸系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

智能氣象站數(shù)據(jù)采集與通信傳輸系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集、處理、傳輸三部分構(gòu)成，在單片機(jī)、信號(hào)處理轉(zhuǎn)換電路及MEMS傳感器的支持下，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理、換算等操作，并由主控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的存儲(chǔ)和遠(yuǎn)程傳輸。

主控系統(tǒng)的核心控制電路主要包括有以下部分：（1）GPRS模塊。它主要采用RS232串口和LVTTL串口實(shí)現(xiàn)硬件流的控制，支持PAP密碼驗(yàn)證協(xié)議、TCP/UDP通信和FTP/HTTP服務(wù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)、短信、語(yǔ)音數(shù)據(jù)的傳輸。（2）網(wǎng)絡(luò)模塊。主控系統(tǒng)利用該模塊實(shí)現(xiàn)與MEMS氣象采集器的數(shù)據(jù)傳輸，內(nèi)置串行外設(shè)接口ENC28J60芯片，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)包的過(guò)濾和限制。同時(shí)，主控系統(tǒng)還利用內(nèi)置的DMA模塊，快速吞吐數(shù)據(jù)并進(jìn)行IP校驗(yàn)和計(jì)算。（3）存儲(chǔ)模塊。該模塊是借由SDIO接口實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的讀取、寫入、存儲(chǔ)等控制。（4）UART模塊。該模塊面向GPRS模塊發(fā)送AT指令，設(shè)置系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)，并對(duì)輸出TTL電平進(jìn)行轉(zhuǎn)化，有效濾除電容器件中的高頻噪聲，實(shí)現(xiàn)GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸。（5）電源模塊。該模塊采用正電壓輸出的低壓降三端線性穩(wěn)壓電路芯片，為主控系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電壓。（6）時(shí)鐘電路模塊。該模塊包括有高速內(nèi)部時(shí)鐘、高速外部時(shí)鐘、低速內(nèi)部時(shí)鐘、低速外部時(shí)鐘、鎖相環(huán)倍頻輸出等時(shí)鐘源。

三、智能氣象站數(shù)據(jù)采集與通信傳輸系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

（一）系統(tǒng)核心軟件架構(gòu)

1.Чc/OS-II操作系統(tǒng)

該系統(tǒng)中各個(gè)任務(wù)依據(jù)其優(yōu)先級(jí)進(jìn)行運(yùn)行，是一個(gè)開源性、搶占式的內(nèi)核，可以依據(jù)硬件信息進(jìn)行修改和移植。其具體的層級(jí)結(jié)構(gòu)為：上部為應(yīng)用層，借由底層驅(qū)動(dòng)支持實(shí)現(xiàn)對(duì)不同硬件的屏蔽和隔離操作，用戶可以基于這個(gè)多任務(wù)平臺(tái)編寫應(yīng)用程序。中間層則利用與硬件相關(guān)的代碼進(jìn)行系統(tǒng)裁剪和移植。最低層主要存儲(chǔ)與處理器相關(guān)的函數(shù)及宏定義。

2.驅(qū)動(dòng)層

智能氣象站數(shù)據(jù)采集與通信傳輸系統(tǒng)主要采用SDIO接口驅(qū)動(dòng)和SPI接口驅(qū)動(dòng)的方式，對(duì)硬件進(jìn)行訪問(wèn)。其中：SDIO接口驅(qū)動(dòng)包括有AHB總線接口、SDIO適配器，AHB總線接口可以控制SDIO適配器模塊中的寄存器，發(fā)送或中斷DMA請(qǐng)求信號(hào)；SDIO適配器由寄存器單元、控制單元、命令通道、數(shù)據(jù)通道、數(shù)據(jù)FIFO所構(gòu)成，可以產(chǎn)生時(shí)鐘，傳送指令和數(shù)據(jù)。

（二）應(yīng)用層軟件設(shè)計(jì)

1.數(shù)據(jù)采集軟件

利用MEMS傳感器采集溫度、濕度、氣壓、風(fēng)力、雨量等氣象數(shù)據(jù)，基于以太網(wǎng)進(jìn)行通信傳輸，并將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，降低主控系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集單元的耦合性，使系統(tǒng)得以延展和適用。

2.數(shù)據(jù)存儲(chǔ)軟件

該軟件部分主要包括有上層接口、邏輯層、數(shù)據(jù)處理層和底層接口，其中：上層接口主要提供給用戶調(diào)用的函數(shù)；底層接口主要包括扇區(qū)的讀寫功能函數(shù)；邏輯層和數(shù)據(jù)處理層則是FATFS文件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)部分。

3.命令處理軟件

該單元模塊主要是通過(guò)上位機(jī)發(fā)送命令，實(shí)時(shí)設(shè)置和獲取智能氣象站的ID號(hào)和IP地址。

4.通信系統(tǒng)軟件

該軟件單元采用工業(yè)級(jí)雙頻GSM/GPRS模塊，激活移動(dòng)臺(tái)的PDP場(chǎng)景和PPP鏈路，通過(guò)上位機(jī)接收AT指令并進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的分析、顯示、處理和存儲(chǔ)。如：設(shè)置PDP上下文的命令；設(shè)置鏈接模式的命令等。

四、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，基于MEMS傳感器的智能氣象站數(shù)據(jù)采集和通信傳輸系統(tǒng)，可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)氣象數(shù)據(jù)的采集、傳輸、處理和存儲(chǔ)，以STM32微處理器為智能氣象站主控系統(tǒng)的核心，進(jìn)行模塊化的硬件設(shè)計(jì)和開發(fā)。同時(shí)，選取嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)進(jìn)行智能氣象站數(shù)據(jù)采集與通信傳輸系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，體現(xiàn)出穩(wěn)定可靠性高、可擴(kuò)展性、功耗低的特點(diǎn)，未來(lái)還要加強(qiáng)對(duì)智能氣象站數(shù)據(jù)采集與通信傳輸系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化和調(diào)試，并融入3G、4G網(wǎng)絡(luò)，以較好地提升智能氣象站數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾屎唾|(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

[1]王淑華.MEMS傳感器現(xiàn)狀及應(yīng)用[J].微納電子技術(shù)，2011（08）.

[2]肖磊，張娜.μC/OS-Ⅱ在stm32上的移植[J].可編程控制器與工廠自動(dòng)化，2011（06）.

作者簡(jiǎn)介：郭繼超（1989.08—），男，漢族，安徽滁州人，本科，助理工程師，研究方向：氣象儀器與探測(cè)。