關(guān)于氣象數(shù)據(jù)采集通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)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(jiān)測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)的氣象信息在多個(gè)行業(yè)的安全運(yùn)行中發(fā)揮著重要的作用，為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)氣象通信數(shù)據(jù)的自動(dòng)化和網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)輸過(guò)程，將從通信技術(shù)ZigBee 和GPRS 這兩種技術(shù)的性能特征和工作中的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行分析和研究，從而提出一種新的設(shè)計(jì)方案，進(jìn)而完成氣象數(shù)據(jù)采集通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)工作。其中嵌入式數(shù)據(jù)集中器、GPRS 無(wú)線(xiàn)通信、ZigBee 無(wú)線(xiàn)傳感器、信息采集節(jié)點(diǎn)這四個(gè)部分組成了氣象數(shù)據(jù)庫(kù)采集通信系統(tǒng)，通過(guò)采集點(diǎn)來(lái)采集各個(gè)地區(qū)的氣象數(shù)據(jù)。然后由無(wú)線(xiàn)傳感器來(lái)對(duì)這些氣象數(shù)據(jù)傳入到嵌入式數(shù)據(jù)集中器中，應(yīng)用GPRS 技術(shù)將處理過(guò)的信息運(yùn)送到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)管理中心。實(shí)現(xiàn)最后的氣象信息的通信過(guò)程。由于將GPRS 無(wú)線(xiàn)通信運(yùn)用到設(shè)計(jì)中，使得整個(gè)氣象數(shù)據(jù)采集通信系統(tǒng)變的方便、快捷。下面就這些方面展開(kāi)詳細(xì)的討論和研究。

1 氣象數(shù)據(jù)采集與發(fā)送的硬件設(shè)計(jì)

GPRS 是在GSM 的基礎(chǔ)之上發(fā)展起來(lái)的交換數(shù)據(jù)系統(tǒng)，因?yàn)閿?shù)據(jù)業(yè)務(wù)的承載能力和業(yè)務(wù)支持都有很大的優(yōu)勢(shì)被廣泛的運(yùn)用在氣象數(shù)據(jù)采集的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)采集并且能夠運(yùn)用在野外的自動(dòng)氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸中去，具有便利的優(yōu)點(diǎn)，就系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)的探討。

1.1 數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)

1.1.1 MCU 的選擇設(shè)計(jì)。將11 的MSP430F135 作為MCU 的選擇設(shè)計(jì)，首先，電壓的工作范圍控制在1.8 伏到3.3 伏之間，雙時(shí)鐘的技術(shù)運(yùn)用為系統(tǒng)中各個(gè)功能提供了全部需求，同時(shí)，始終按照一定的控制命令來(lái)開(kāi)展相應(yīng)的工作，對(duì)功耗的降低具有非常重要的作用，在野外太陽(yáng)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(cè)量電路設(shè)計(jì)。在氣象數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中運(yùn)用Dsl8820 作為傳感器的設(shè)計(jì)選擇，原因在于Dsl8820 型的傳感器能夠直接將模擬溫度的信號(hào)進(jìn)行設(shè)計(jì)以后轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)內(nèi)容，再通過(guò)一線(xiàn)總線(xiàn)的方式傳送給MUC，在這個(gè)過(guò)程中還能實(shí)現(xiàn)校驗(yàn)碼的傳遞，使得抗干抗糾錯(cuò)能力提高。

1.1.3 濕度電路測(cè)量設(shè)計(jì)。HF3223 型濕度傳感器被運(yùn)用在這個(gè)系統(tǒng)當(dāng)中，首先，由于其頻率輸出式集成濕度傳感器、線(xiàn)性度以及抗干抗能力都顯現(xiàn)的非常好，因?yàn)殡妷旱囊鬄? 伏，MSP430F135的電壓要求為3.5 伏左右，這樣由傳感器輸出的信號(hào)不會(huì)破壞MSP430F135 的接口，同時(shí)保證輸出的信號(hào)通過(guò)電阻分壓的方式來(lái)接入到P1.6(TAl)單片機(jī)引腳中去。

1.1.4 電壓測(cè)量電路設(shè)計(jì)。在電壓測(cè)量電路的設(shè)計(jì)中氣壓傳感器是采用MPx4loo 這種型號(hào)，其測(cè)量的絕對(duì)電壓范圍控制在20～105kPa 之間，和HF3223 類(lèi)似，這種傳感器的電壓也是5 伏。因?yàn)槠潆妷撼^(guò)了單片機(jī)的接口范圍，在將信號(hào)送入單片機(jī)之前必須經(jīng)過(guò)精密的電阻分壓處理過(guò)后才能進(jìn)行。

1.1.5 風(fēng)速測(cè)量電路設(shè)計(jì)。在氣象數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，風(fēng)速信號(hào)代表著脈沖信號(hào)，與濕度信號(hào)存在一定的相似性，因此在涉及的過(guò)程中將其接入到MSP430F135 的P1.5(TAO)引腳中去，實(shí)現(xiàn)風(fēng)俗電路的測(cè)量工作。

1.1.6 風(fēng)向測(cè)量電路設(shè)計(jì)。在對(duì)系統(tǒng)風(fēng)向測(cè)定的過(guò)程中需要將風(fēng)向信號(hào)的發(fā)生裝置連接到由1個(gè)風(fēng)向標(biāo)帶動(dòng)的格雷碼光組成中去，其中格雷碼光是由6位組成的，根據(jù)風(fēng)向的不同，產(chǎn)生的格雷碼也有所差異。通過(guò)對(duì)其原理進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)格雷碼的信號(hào)是經(jīng)過(guò)濾波處理后被MUC 讀取，并以查表的方式將風(fēng)向的具體信息讀出。

1.2 GPRS 通信模塊和時(shí)鐘設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)中的通信模塊主要選用TechFaith 的PIM 來(lái)實(shí)現(xiàn)信息的處理和傳遞，其中因?yàn)榫邆湔Z(yǔ)音傳送、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)以及短信息的無(wú)線(xiàn)接口使得今后的使用過(guò)程非常的便利。將PIML 的I 腳連到MUC的引腳中去，因?yàn)樵诠ぷ髦幸詠?lái)電呼入的方式作為變化的標(biāo)準(zhǔn)，所以以中斷的形式來(lái)得到響應(yīng)，同時(shí)模塊中還有省電模式可以運(yùn)用，當(dāng)運(yùn)用這種模式的時(shí)候，系統(tǒng)以周期性的振動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)省電的功能。單片機(jī)的系統(tǒng)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(hù)GPRS 的接口，需要將PIML 與MCU相連實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的安全工作的運(yùn)行。

電機(jī)片的型號(hào)存在很多不同的類(lèi)型，需要對(duì)其進(jìn)行深入的了解和研究，以便選擇更加適合的類(lèi)型來(lái)滿(mǎn)足工作的需求，同時(shí)對(duì)模擬總線(xiàn)的時(shí)序數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)操作功能作為主要的參考內(nèi)榮，將具有中斷功能的P2.O、P2.1 運(yùn)用到系統(tǒng)中去，當(dāng)出現(xiàn)中斷現(xiàn)象以后，可以用外部中斷響應(yīng)觸發(fā)事件來(lái)節(jié)省CPU 的時(shí)間，保證時(shí)間資源的有效利用。S-3530A 內(nèi)部不含有電池，因此當(dāng)出現(xiàn)沒(méi)電的情況就會(huì)使內(nèi)部的數(shù)據(jù)全部丟失，造成嚴(yán)重的后果，因此為了有效避免這一情況的發(fā)生，必須采取合理的手段和方法進(jìn)行設(shè)計(jì)工作，將電路設(shè)計(jì)時(shí)外部的電池采用3 伏的電壓，確保系統(tǒng)的正常供電和各個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在外部電源掉線(xiàn)以后仍然可以有效的確保數(shù)據(jù)完整性。

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸模塊、上位機(jī)和下位機(jī)三個(gè)部分組成了氣象數(shù)據(jù)系統(tǒng)的采集系統(tǒng)。

2.1 無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸模塊的軟件設(shè)計(jì)

在無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸過(guò)程需要嚴(yán)格的控制發(fā)送的字節(jié)，具體的要求是每次允許發(fā)送一個(gè)字節(jié)而不允許出現(xiàn)多字節(jié)的發(fā)送。這樣的工作模式有利于簡(jiǎn)化編程的復(fù)雜性，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)過(guò)濾噪音的功能，為了有效的實(shí)現(xiàn)這樣的數(shù)據(jù)傳輸效果，應(yīng)該在降低數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中出現(xiàn)的錯(cuò)誤次數(shù)，并且要求在收模式和發(fā)模式的過(guò)程中過(guò)能有效的實(shí)現(xiàn)自動(dòng)發(fā)送的模式。當(dāng)傳輸?shù)木嚯x較遠(yuǎn)和數(shù)據(jù)傳輸?shù)沫h(huán)境比較復(fù)雜的情況下，需要依照實(shí)際情況來(lái)采用多臺(tái)從機(jī)的路由形式實(shí)現(xiàn)傳輸。其中在這個(gè)系統(tǒng)中主要采用了兩種路由的方式。

2.2 下機(jī)為軟件設(shè)計(jì)

將下位機(jī)的編程語(yǔ)言充分的運(yùn)用在雙處理器中，有效的將數(shù)據(jù)的循測(cè)和數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換的工作用單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸?？煜蛏衔粰C(jī)傳數(shù)據(jù)是單片機(jī)的主要工作模式，與此同時(shí)還接受相應(yīng)的上位機(jī)命令等功能。在氣象數(shù)據(jù)的糾錯(cuò)方式中存在主要的兩級(jí)方式，首先，單片機(jī)按照相同的時(shí)間間隔來(lái)對(duì)連續(xù)數(shù)據(jù)進(jìn)行抽樣。其次，將上一步中抽樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均計(jì)算，將這個(gè)最后的結(jié)果作為最終的數(shù)據(jù)上傳方式來(lái)實(shí)現(xiàn)糾錯(cuò)目的。

上位機(jī)需要發(fā)出指令來(lái)指導(dǎo)主片機(jī)的工作，將其設(shè)置為接受上位機(jī)命令后實(shí)現(xiàn)傳輸?shù)哪Ｊ絹?lái)具體運(yùn)行，對(duì)上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取并采用CRC 來(lái)進(jìn)行校對(duì)工作，按照最初設(shè)定的模式來(lái)上傳，將有效的提高其與上位機(jī)通信的準(zhǔn)確性。

2.3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

以Delphi 軟件為主要的運(yùn)行平臺(tái)，在上位機(jī)控制軟件中使用用MSCbmm 控件和Access 數(shù)據(jù)空系統(tǒng)來(lái)完成相應(yīng)的工作，這樣的設(shè)計(jì)安排有利于與下機(jī)為保持隨時(shí)的通信并且有效的對(duì)上機(jī)位的數(shù)據(jù)進(jìn)行合理的處理，實(shí)現(xiàn)最終的打印、儲(chǔ)存、顯示等功能。其次運(yùn)用壓縮過(guò)后的BCD 碼編方式來(lái)儲(chǔ)存相應(yīng)的數(shù)據(jù)格式，要求一個(gè)字節(jié)中包含兩個(gè)BCD 碼，按照高低順序進(jìn)行排列，實(shí)現(xiàn)2 為十進(jìn)制的表達(dá)方式，其中數(shù)據(jù)中存在的小數(shù)點(diǎn)按照軟件的具體處理方式為主。物理量的正負(fù)性按照字節(jié)的各位來(lái)分別表示，系統(tǒng)中主要需要4個(gè)參數(shù)，則相應(yīng)的就需要8 字節(jié)對(duì)其進(jìn)行表示，其物理的正負(fù)性則運(yùn)用一個(gè)字節(jié)來(lái)進(jìn)行表示。確保傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是按照規(guī)定的形式來(lái)進(jìn)行，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)字節(jié)開(kāi)始傳輸以后，則要求最后一個(gè)字節(jié)必須是符號(hào)字節(jié)，這個(gè)字節(jié)的高4 為代表了參數(shù)的正負(fù)性，在一定的時(shí)間內(nèi)發(fā)送的幀數(shù)的具體情況由上機(jī)為來(lái)控制和安排，確保串口讀數(shù)據(jù)的速度比數(shù)據(jù)處理的速度大，只有波特率的選擇要求才能確保數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性和實(shí)效性?？茖W(xué)的運(yùn)用各種曲線(xiàn)來(lái)表示具體的動(dòng)態(tài)關(guān)系，將各種歷史性的數(shù)據(jù)和查詢(xún)需要的記錄信息有效的展現(xiàn)出來(lái)，從中尋找各種氣候變化的規(guī)律。實(shí)現(xiàn)氣象科學(xué)的監(jiān)測(cè)和預(yù)告。

3 主控系統(tǒng)與采集點(diǎn)的通信

3.1 總線(xiàn)的通信方式

將用RS485 通信協(xié)議運(yùn)用到采集單元格式和主控平臺(tái)的通信距離較遠(yuǎn)的系統(tǒng)中來(lái)，其中該通信協(xié)議能滿(mǎn)足平衡傳輸線(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)和雙向傳輸?shù)哪Ｊ?，能夠?qū)崿F(xiàn)多個(gè)點(diǎn)共同鏈接，最多的時(shí)候允許32個(gè)節(jié)點(diǎn)的共同創(chuàng)建，同時(shí)距離可以長(zhǎng)達(dá)1200 米。為了在一條線(xiàn)上同時(shí)安排多個(gè)掛接數(shù)傳感器采集單元，必須在網(wǎng)絡(luò)中多增加額外的模塊來(lái)達(dá)到這項(xiàng)目的要求。

3.2 星型局域網(wǎng)方式設(shè)計(jì)

TCP／IP 網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議被廣泛的應(yīng)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(guò)微型網(wǎng)絡(luò)的交換設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)微小局域網(wǎng)的構(gòu)建工作，RS485—TCP／IP 轉(zhuǎn)換器能夠有效的將將RS485 通信鏈路轉(zhuǎn)換成太網(wǎng)物理連接，實(shí)現(xiàn)其智能轉(zhuǎn)換的功能，將七層鏈路協(xié)議在裝置中進(jìn)行固化，為供TCMP 通信服務(wù)做好充分的準(zhǔn)備工作。用交換機(jī)將多個(gè)智能傳感器信號(hào)和智能采集單元連接起來(lái)，有效的實(shí)現(xiàn)主控平臺(tái)的基本功能形成一種比較完善的氣象綜合控制監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，達(dá)到高速數(shù)據(jù)通信與管理的目標(biāo)。

3.3 藍(lán)牙技術(shù)方式設(shè)計(jì)

因?yàn)橹悄軉卧锌赡苁盏酵獠凯h(huán)境和布線(xiàn)困難的一些影響，因此需要將藍(lán)牙模式的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈接充分的運(yùn)用到距離較近的智能單元中去。將用RS485現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)方式運(yùn)用到實(shí)時(shí)性要求不高的地方，因?yàn)槭盏絺鹘y(tǒng)的運(yùn)輸方式的干擾而容易出現(xiàn)檢錯(cuò)能力不強(qiáng)的情況，系統(tǒng)傳輸容量和數(shù)量受到傳輸距離的限制而出現(xiàn)嚴(yán)重的問(wèn)題，出此之外，在一些特殊地區(qū)也不太適宜采用此種方式。

通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方式的有限網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)運(yùn)輸進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，其運(yùn)輸方式存在很大的缺陷和困難并受到環(huán)境的嚴(yán)重影響，因此已經(jīng)不被利用。目前無(wú)線(xiàn)傳感器覆蓋范圍較廣、成本較低和無(wú)需布線(xiàn)的特點(diǎn)決定了其運(yùn)用的價(jià)值，其中。ZigBee 無(wú)線(xiàn)傳輸協(xié)議是目前最有發(fā)展的一項(xiàng)無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，是非常易于構(gòu)建的的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，在耗能的性能方面也占據(jù)著非常大的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)比其他的產(chǎn)品更能維持較長(zhǎng)時(shí)間，是未來(lái)氣象數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)技術(shù)運(yùn)用的趨勢(shì)。

[1]張宏群,倉(cāng)彬彬.基于LabVIEW 的氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術(shù).2010(24)

[2]趙政春,鄧曙光,譚躍.基于LABVIEW 的數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程.2010(05)

[3]郭勇,姜學(xué)東.基于MSP430 單片機(jī)的氣象數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].國(guó)外電子測(cè)量技術(shù).2007(10)

[4]郁波.自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].南京信息工程大學(xué)2008