一種民航氣象觀測自動站數據無線傳輸系統的研制

中國民用航空青島空中交通管理站 宋文佳

一種民航氣象觀測自動站數據無線傳輸系統的研制

中國民用航空青島空中交通管理站 宋文佳

實時的氣象觀測數據是管制部門指揮飛機起降必須的數據之一，在塔臺管制中起到至關重要的作用，數據傳輸中斷后，會嚴重影響飛行安全。近年來，全國機場出現多起空管系統傳輸線路被挖斷情況。針對這種情況，本文設計了一款針對氣象觀測自動站數據的無線傳輸輔助系統。通過該系統可以作為對內場設備運行情況的一種監控手段和氣象自動站數據傳輸的一套備份方式，保證數據傳輸的可靠性。

民航；氣象；無線傳輸；自動站

引言

本項目針對民航氣象設備的特點，采用嵌入式開發平臺，引入實時串口信號采集、信號存儲、無線發射接收技術和小功率遠程無線傳輸等多種技術實現了該系統硬件設備的自主研發，完成重要數據的無線傳輸及異地顯示功能。軟件方面，數據庫采用sql server，可視化數據監控界面采用.NET Framework平臺進行架構設計，最終通過ASP.NET技術在監控網絡的網頁上顯示傳輸數據信息并將歷史數據制作成曲線圖等產品。[1]

1. 設計目的

為實現自動化站數據的無線傳輸，實時監控各個站內設備的運行情況，達到數據備份以及設備運行、數據監控的目的。

2. 系統設計

該系統待測設備的狀態信息通過數據線纜傳給發射主機,發射主機將數據整合后通過USB線纜傳到無線發射模塊，由無線發射模塊發射向空中發送出去；與接收主機相連的無線接收模塊接收到外來數據進行判別后通過USB線纜傳送到主機，然后由服務器進行處理及顯示。本方案是完成無線發射模塊和無線接收模塊的設計。根據通用性和模塊化的設計思想,無線模塊的設計采用分離式設計,即無線模塊由無線收發單元和載板組合的設計方法。

2.1 無線收發單元

無線收發單元是本設計方案的核心設計，無線收發單元主要由對外接口、MCU單元、時鐘芯片、射頻芯片及天線接口組成。對外接口與載板對接，由載板通過此接口對模塊提供的電源和模式配置指令，同時完成串口數據的傳輸；MCU單元在接收到由對外接口傳來的配置命令后對射頻芯片進行配置，控制射頻芯片將數據信號通過天線接口發射出去，并將接收到的信號通過對外接口傳輸到載板；時鐘芯片為MCU及射頻芯片提供同步時鐘；天線接口連接天線，完成信號的發射與接收。[2]

2.1.1 對外接口

對根據信號形式的多樣性，接口可選擇通用性較強的排針式連接器，通用性強，連接可靠。

2.1.2 MCU單元

MCU單元選擇Silicon labs公司的C8051F340芯片，內部有4個16位定時計數器、兩個具有擴展波特率配置的全雙工串口、一個增強型SPI接口、多大4352字節的內部RAM及多大40個的IO引腳，其70%的指令執行時間為1～2個系統時鐘周期，系統最高時鐘可達48MHz，具有高速精準的內部時鐘振蕩器。

2.1.3 射頻芯片

射頻芯片同樣選用Silicon labs公司的產品，選用SI443x系列的無線收發器，其頻率范圍為380MHz～510MHz，接收靈敏度可達-124dBm，20dBm的最大發射功率，可設置多個頻道，步進為1KHz，最高31250bps的波特率，支持無線喚醒，支持在線修改射頻屬性，支持多種調制解調方式，如FSK、GFSK、OOK及擴頻調制等。

2.1.4 時鐘芯片及天線選擇

時鐘芯片選用精度更高的30MHz的有源晶振，天線選擇SMA接口的30dB高增益全向天線。

2.2 收發載板

收發載板的電源轉換芯片，選用LM1117-3.3V芯片，具有良好的線性輸出，將USB輸入的5V電源轉換為3.3V,為無線模塊提供電源；U1芯片將USB信號轉化為TTL電平的串口信號,選擇CH340芯片，具有全速的USB設備接口，外圍器件只需要晶振和電容，計算機端WINDOWS操作系統下的串口應用程序完全兼容，無需修改。硬件全雙工串口，內置收發緩沖區，支持通訊波特率50bps～2Mbps；D1、D2為串口的收發指示，D3為電源指示燈，D4為無線模塊的數據收發指示，對數據的收發傳輸一目了然；撥碼開關S1用于配置收發模塊的工作模式，使用2位的貼片撥碼開關，體積小，使用靈活方便；接口J2與前面設計到外部無線模塊相連接，完成無線模塊與主機端通信的對接。[3][4]

3. 研究成果

根據上述設計，將無限傳輸系統進行研制及開發，實物如下圖所示：

圖1 無線傳輸研發模塊圖

圖2 終端配套顯控軟件

通過實際的數據傳輸結果，圖2顯示，該系統能夠可靠穩定的持續傳輸數據，到達預期的設計效果。下圖為本系統配套開發的軟件顯控系統，數據來源為無線傳輸模塊傳輸的3公里外的自動站設備數據。

4. 總結

本系統實現了氣象自動站數據的3-5公里范圍內的無線傳輸及終端顯示功能。

系統關鍵成果主要包括如下幾部分：

（1）實現觀測自動站數據的無線全向傳輸（發送及接收）。

（2）實現觀測自動站數據的傳輸后特定軟件顯示功能。

（3）實現無線傳輸模塊與數據設備的對接功能。

（4）實現無線傳輸模塊的RS232和USB數據傳輸協議。

[1]文志成.通用分組無線業務GPRS[M].北京:電子工業出版社,2003.

[2]趙孔新,欒天,劉麗偉,錢鋒.MC35i外圍電路設計及應用[J].電子產品世界,2006(2):70-72,75.

[3]周立功.ARM微控制器基礎與實戰[M].北京:北京航空航天大學出版社,2003.

[4]梁龍剛,姚遠.基于GPRS的遠程無線監控系統軟件設計[J].無線電工程,2004,34(5):37-39.