基于GSM網(wǎng)絡(luò)的滑翔飛行風(fēng)速風(fēng)向遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)1

鄭光熙，溫 聰

（嶺南師范學(xué)院 信息與教育技術(shù)中心，廣東 湛江 524048）

基于GSM網(wǎng)絡(luò)的滑翔飛行風(fēng)速風(fēng)向遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)1

鄭光熙，溫 聰

（嶺南師范學(xué)院 信息與教育技術(shù)中心，廣東 湛江 524048）

風(fēng)向和風(fēng)速是否合適決定了滑翔傘是否能夠安全起飛和飛行，而場(chǎng)地的風(fēng)速和風(fēng)向每天都是變化的，天氣預(yù)報(bào)由于是宏觀的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并不能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)飛行場(chǎng)地的風(fēng)向風(fēng)速，去飛行場(chǎng)地看風(fēng)是滑翔傘愛好者必不可少的，看風(fēng)等風(fēng)浪費(fèi)了許多時(shí)間和精力，而基于GSM網(wǎng)絡(luò)通信的風(fēng)速風(fēng)向監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)通過手機(jī)信息遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)到飛行場(chǎng)地的風(fēng)向風(fēng)速的實(shí)時(shí)變化，大大提高了滑翔傘飛行或其他飛行器起飛前的等風(fēng)效率.

GSM；STC單片機(jī)；風(fēng)速風(fēng)向傳感器；滑翔傘；滑翔飛行

引言

基于GSM通信的風(fēng)傳感器系統(tǒng)專用于滑翔傘動(dòng)力傘飛行對(duì)風(fēng)的測(cè)量.用以獲取是否能安全飛行的氣象條件參數(shù).由于氣象局是通過氣象模型預(yù)測(cè)未來的氣象變化，這個(gè)預(yù)測(cè)是宏觀的，但在局部條件下預(yù)測(cè)并不十分準(zhǔn)確，如某一山區(qū)的局部風(fēng)力風(fēng)速，滑翔傘利用熱氣流或盤山的動(dòng)力氣流飛行，運(yùn)動(dòng)員掌握滑翔場(chǎng)的風(fēng)速風(fēng)向等對(duì)飛行安全至關(guān)重要.本系統(tǒng)應(yīng)用聯(lián)合分布測(cè)風(fēng)算法，對(duì)飛行場(chǎng)地進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并可以用GSM通信將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送到手機(jī)端.系統(tǒng)提供了一種有效的飛行氣象參數(shù)監(jiān)測(cè)的方法.

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1，由太陽能電池、鋰電提供獨(dú)立電源供電至風(fēng)速風(fēng)向傳感器及單片機(jī)控制器、GSM模塊［1］等，傳感器捕捉到風(fēng)速、風(fēng)向、光照、溫度等信號(hào)通過

RxD/TxD傳送到單片機(jī)，單片機(jī)應(yīng)用聯(lián)合分布算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將數(shù)據(jù)寫入EEPROM，當(dāng)GSM收到指令信息，系統(tǒng)將數(shù)據(jù)提取經(jīng)GSM發(fā)送到手機(jī)端，利用上位機(jī)可以把實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)或EEPROM的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可得到場(chǎng)地一年四季的氣象變化規(guī)律，改進(jìn)數(shù)據(jù)算法模型.

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1YGC-FS、YGC-FX傳感器簡(jiǎn)介

YGC-FS、YGC-FX傳感器（變送器）內(nèi)部采用精密角速度傳感器，并選用低慣性輕金屬風(fēng)向標(biāo)響應(yīng)風(fēng)向，動(dòng)態(tài)特性好，量程大，線性好、精度高、穩(wěn)定可靠，可用于氣象、海洋、環(huán)境、機(jī)場(chǎng)、工農(nóng)業(yè)交通等領(lǐng)域，傳感器采用RS232電平.

2.2 GSM A6模塊簡(jiǎn)介

A6模塊是谷峰公司推出的42引腳無線通信GSM調(diào)制調(diào)解器.支持GSM/GPRS四個(gè)頻段，包括850 MHz，900 MHz，1800 MHz，1900 MHz，工作電壓3.3～4.2 V，待機(jī)平均電流3 mA以下，支持GPRS數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，最大數(shù)據(jù)速率，下載85.6 Kbps，上傳42.8 Kbps，支持標(biāo)準(zhǔn)GSM07.07，07.05 AT命令及Ai Thinker擴(kuò)展命令，擁有2個(gè)串口，一個(gè)下載串口，一個(gè)AT命令口，AT命令支持標(biāo)準(zhǔn)AT和TCP/IP命令接口，數(shù)字音頻和模擬音頻，支持HR，F(xiàn)R，EFR，AMR語音編碼，支持TEXT和PUD格式的SMS，模塊由供電、閃存、ZIF連接器、天線等組成，本系統(tǒng)中A6模塊僅用于信息收發(fā).

2.3 單片機(jī)周邊主要電路連接說明

如圖2所示，中央控制器（CPU）為8位STC高性能單片機(jī)IAP15W4K58S4，單片機(jī)兼任8051指令，片內(nèi)集成了4個(gè)串口通信、PWM輸出、8路AD轉(zhuǎn)換、片內(nèi)片外中斷源，可編程USART串口，獨(dú)立高精度內(nèi)部晶振，可編程I/O口，自帶4K RAM，58K可編程flash，運(yùn)行速度是傳統(tǒng)C51單片機(jī)的20倍以上.

YGC-FS、YGC-FX風(fēng)速風(fēng)向傳感器的232電平通過RS232芯片轉(zhuǎn)換成TTL電平接入P00（RXD1）P01（TXD1）、P02（RXD2）P03（TXD2）兩個(gè)串口，DS1302三條線即SCLK、I/O、RST分別連接CPU的P43、P44、P45，實(shí)現(xiàn)SPI通信，DHT11的DAT連接P54實(shí)現(xiàn)單總線通信，BH1750的ADDR接地，SCL接P41，SDA接P40.

A6模塊42個(gè)引腳可劃分為電源、數(shù)據(jù)輸入輸出、SIM卡、音頻接口和控制等5類，本系統(tǒng)只用短消息功能，所以只用到引腳1～4，、SIM卡槽，引腳3、引腳4分別為TTL的串口通信引腳，連接單片機(jī)的第二個(gè)串口P10（RXD）、P11（TXD），SIM卡包括用戶識(shí)別信息、業(yè)務(wù)信息、短消息、移動(dòng)信息和存儲(chǔ)空間等、單片機(jī)通過AT指令來完成SIM卡的注冊(cè)、TEXT模式設(shè)置等［2］，A6模塊只有插入有效的SIM卡系統(tǒng)才能連接網(wǎng)絡(luò).整個(gè)系統(tǒng)待機(jī)電流為150 mA，信息收發(fā)時(shí)230 mA，使用10 W太陽能多晶硅電池板通過DC-DC降壓到4.2 V為鋰電池充電，鋰電池通過DC-DC升壓到5 V為整個(gè)系統(tǒng)供電.

圖2 CPU與A6模塊及DS1302等傳感器的連接電路

3 系統(tǒng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)（上位機(jī)）

下圖3是在海邊場(chǎng)地以5m高度標(biāo)準(zhǔn)傳感器測(cè)得的實(shí)際風(fēng)速和風(fēng)向變化通過上位機(jī)圖形化的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)變化［3］，左邊坐標(biāo)是風(fēng)速，右邊坐標(biāo)是風(fēng)向.從變化中可以看出在某一時(shí)刻測(cè)得的風(fēng)向基本是穩(wěn)定的，變化幅度在10°以內(nèi)，可以作為風(fēng)向參考，但是某一時(shí)刻瞬間的風(fēng)速和下一刻風(fēng)速的變化可能是突變的，不能用以代表整個(gè)風(fēng)速情況.從上位機(jī)數(shù)據(jù)中20 min內(nèi)風(fēng)速整個(gè)變化在不同時(shí)間里呈現(xiàn)一定的突變規(guī)律［4］，需要針對(duì)風(fēng)速進(jìn)行聯(lián)合分布算法進(jìn)行計(jì)算才能實(shí)現(xiàn)在短信息里用少量的數(shù)據(jù)表達(dá)龐大的數(shù)據(jù)變化.

圖3 20 min風(fēng)速風(fēng)向?qū)崟r(shí)變化圖

4 Gumble極值算法

根據(jù)場(chǎng)地風(fēng)譜特征，可將風(fēng)成兩種：周期在10min的平均分和短時(shí)間周期的脈動(dòng)風(fēng)（周期僅有1到3s），進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析時(shí)通常將平均風(fēng)描述為分布特征不隨時(shí)間變化的隨機(jī)變量模型，而反映大氣邊界層紊流特征的脈動(dòng)風(fēng)則被模擬成均值為零的具有各態(tài)歷經(jīng)性的平穩(wěn)隨機(jī)過程.在近地風(fēng)的兩種成分對(duì)結(jié)構(gòu)的作用中，平均風(fēng)的作用是分析結(jié)構(gòu)靜風(fēng)響應(yīng)和風(fēng)致振動(dòng)的基礎(chǔ)，而分析平均風(fēng)對(duì)結(jié)構(gòu)作用的前提就是確定合理的基本風(fēng)速［5］.

測(cè)風(fēng)取樣時(shí)，并非采用平均風(fēng)速樣本，而是采集樣本中突變最大值，原因是風(fēng)速分布中母樣本并不重要，極值樣本分布才是風(fēng)速統(tǒng)計(jì)的重要部分，抽樣有兩種方法：階段極值和越界極值法，1975年P(guān)ickands提出了任意一個(gè)超越某個(gè)大界限u的隨機(jī)變量x的分布概型都可用廣義越界分布，1989年Dargahi-Noubari將廣義越界分布引入到風(fēng)工程領(lǐng)域，將極值風(fēng)速分布?xì)w納為三種極值分布:Gumble極值分布、Frechet極值分布和Weibull極值分布.我國(guó)采用Gumble極值分布.

本文采用Gumble算法模型來反映風(fēng)向風(fēng)速的分布作用，其極值函數(shù)由風(fēng)速風(fēng)向頻率函數(shù)和分布函數(shù)組成，用下式表示：

式中f (θ)反 映的是平均風(fēng)向影響風(fēng)向的頻率函數(shù)，PU (U ＜ u,θ) 是 不同風(fēng)速的分布函數(shù)，在不同的風(fēng)向擬合得到.根據(jù)實(shí)時(shí)采樣的風(fēng)速極值樣本在不同風(fēng)向及風(fēng)速范圍的發(fā)生頻率統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，即可進(jìn)行擬合極值風(fēng)速分布模型，根據(jù)Gumble風(fēng)速分布概型的聯(lián)合分布原理，可得到聯(lián)合分布風(fēng)速風(fēng)向發(fā)Gumble分布模型：

式中f(θ)反映的是平均風(fēng)向影響風(fēng)向的頻率函數(shù)，可以在極值風(fēng)速樣本在各風(fēng)速風(fēng)向范圍的發(fā)生頻率統(tǒng)計(jì)中得到，聯(lián)合分布中其他函數(shù)的參數(shù)都是風(fēng)向的函數(shù).計(jì)算選擇多個(gè)風(fēng)速時(shí)間抽樣進(jìn)行平均風(fēng)的統(tǒng)計(jì)得到各風(fēng)向和基本風(fēng)速，然后根據(jù)相應(yīng)地形情況和平均風(fēng)剖面的表達(dá)式將抽樣段的基本風(fēng)速和各風(fēng)向換算，對(duì)換算的抽樣段中的基本風(fēng)速和各風(fēng)向分別進(jìn)行數(shù)據(jù)加權(quán)平均即得到測(cè)風(fēng)場(chǎng)地處的基本風(fēng)速和各風(fēng)向的代表數(shù)值.

5 軟件設(shè)計(jì)

5.1 風(fēng)速風(fēng)向傳感器指令

讀取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)送：AA BB 03 0F 00（16進(jìn)制數(shù)據(jù)）

說明：AA-固定值

BB-設(shè)備地址（唯一，1-255）

03-讀取操作（固定）

0F-數(shù)據(jù)地址（固定）

00-固定值

返回：WD=XXXX°（ASCII碼數(shù)據(jù)，如WD=0012°，WD=0005°等）

說明：WD-風(fēng)向，XXXX-風(fēng)向數(shù)據(jù)，帶一位小數(shù)，不足2位整數(shù)時(shí)，前面補(bǔ)0；°-單位.

5.2GSM A6模塊的控制

GSM通信使用的是AT指令集，通過串口發(fā)送AT命令，即可使用GSM模塊.串行線終端的應(yīng)用設(shè)備包括終端設(shè)備TE（TerminalEquipment）、數(shù)據(jù)終端設(shè)備DTE（Data Terminal Equipment）或其他應(yīng)用設(shè)備.這些終端或應(yīng)用設(shè)備可能運(yùn)行在嵌入式系統(tǒng)內(nèi).而本系統(tǒng)AT指令控制通過STC單片機(jī)運(yùn)行.GSM功能是利用單片機(jī)向A6模塊寫入不同的AT指令實(shí)現(xiàn).本系統(tǒng)GSM的控制關(guān)鍵指令代碼舉例如下：

5.3 單片機(jī)控制程序設(shè)計(jì)

單片機(jī)需要完成風(fēng)速風(fēng)向傳感器數(shù)據(jù)采集與處理、時(shí)間判斷、溫濕度采集、照度采集、控制、短信發(fā)送與接收等功能，單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖4所示，系統(tǒng)初始化串口、GSM模塊后，CPU將對(duì)風(fēng)速風(fēng)向及溫濕度、流明度進(jìn)行間隔采集抽樣，另一方面將對(duì)A6 GSM模塊進(jìn)行短信息檢測(cè)，當(dāng)接收到用戶查詢信息時(shí)，則判斷信息的指令并作出相應(yīng)的操作，并把指令相對(duì)應(yīng)的內(nèi)容運(yùn)算處理，并以短信息方式返回到查詢用戶，用戶將接收到遠(yuǎn)程回傳的短信息數(shù)據(jù)，當(dāng)指令是權(quán)限操作及寫入操作時(shí)，CPU將執(zhí)行相關(guān)指令操作和寫入數(shù)據(jù)到flash.

軟件系統(tǒng)還完成了24小時(shí)-48小時(shí)的數(shù)據(jù)采集［6］，提示每日數(shù)據(jù)將寫入flash，為長(zhǎng)期研究當(dāng)?shù)貧庀筇峁┰紨?shù)據(jù).

圖4 單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)流程圖

5.3 信息收發(fā)的控制指令［7］

在系統(tǒng)運(yùn)行中，系統(tǒng)對(duì)風(fēng)速風(fēng)向傳感器及溫濕度、光照每秒進(jìn)行控制讀寫數(shù)據(jù)，同時(shí)在等待GSM短信息［8］中的指令，當(dāng)收到相關(guān)指令即執(zhí)行該指令然后把數(shù)據(jù)發(fā)送短信至手機(jī)［9］.短信指令如表1所示：

表1 短信息控制指令

sandoff yesterday quanxianon quanxianoff copy and+數(shù)字關(guān)閉返回查詢的手機(jī)號(hào)碼至權(quán)限手機(jī)返回昨天10h-18h單片機(jī)flash的風(fēng)向值、風(fēng)速平均值、最大值開啟沒有注冊(cè)的手機(jī)的發(fā)送權(quán)限關(guān)閉沒有注冊(cè)的手機(jī)的發(fā)送權(quán)限返回已經(jīng)的注冊(cè)手機(jī)的號(hào)碼至權(quán)限手機(jī)添加新手機(jī)號(hào)碼注冊(cè)到單片機(jī)flash

6 系統(tǒng)數(shù)據(jù)返回［11］

測(cè)試時(shí)向系統(tǒng)號(hào)碼發(fā)送信息feng、past、yesterday，系統(tǒng)接收到信息feng、past、yesterday后，將返回以下測(cè)試到的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)如圖5的信息［12］內(nèi)容：

圖5 信息內(nèi)容

測(cè)試信息內(nèi)容簡(jiǎn)要說明如表［13］［14］2：

表2 信息參數(shù)簡(jiǎn)述

7 結(jié)束語

該風(fēng)向風(fēng)速遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)基于STC單片機(jī)檢測(cè)和GSM信息通信技術(shù)［16］［17］，實(shí)現(xiàn)了在飛行前遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)天氣環(huán)境，包括溫濕度、光照度、風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)、風(fēng)速平均抽樣值、最大值等，并以風(fēng)的等級(jí)進(jìn)行百分比量化，實(shí)現(xiàn)了在短信息里把龐大的數(shù)據(jù)量轉(zhuǎn)變成簡(jiǎn)單直觀的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)還能保存數(shù)據(jù)以便以后查詢，對(duì)探索當(dāng)?shù)氐臍庀笠?guī)律也有重要意義，對(duì)固定的飛行場(chǎng)地的天氣監(jiān)控具有非常實(shí)用的價(jià)值，同時(shí)系統(tǒng)也能應(yīng)用在臺(tái)風(fēng)海洋等其他不同的應(yīng)用領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用前景.

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【責(zé)任編輯：吳躍新】

Gliding Flight Based on GSM Network Remote Monitoring System of Wind Speed and Direction

ZHENG Guangxi，WEN Cong
（Information and Educational Technology Center，LingNan Normal University，Zhanjiang524048，Guangdong，China）

Wind direction and wind speed are appropriate to determine whether the paraglider can safely takeoff and flight，and the ground wind speed and wind direction is changing every day，the weather forecast is due to the macroscopic monitoring data，and can not predict the wind speed of wind flying sites to flying sites see the wind is a paraglider lovers indispensable，to see the wind waste a lot of time and energy such as wind，the wind speed and direction monitoring system based on GSM network communication can be realized by mobile phone information remote monitoring to the flying sites of the real-time change of wind speed，greatly improving the paraglider or other aircraft flight before take-off of the efficiency of the wind.

GSM；STC MUC；Wind speed and direction sensor；Paragliders；Gliding flight；

TP391

A

1671-5934（2017）03-0081-05

2017-05-22

作者簡(jiǎn)介：鄭光熙（1986-），男，廣東湛江人，助理實(shí)驗(yàn)師，工程碩士，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)軟件、單片機(jī)、智能控制、嵌入式系統(tǒng)，Email: 965195534@qq.com