探析智能氣象站的數(shù)據(jù)采集和通信傳輸系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

【摘要】為了更好地適應氣象站傳感設備動態(tài)接入的需求，可以基于MEMS傳感器技術設計智能氣象站的數(shù)據(jù)采集和通信傳輸系統(tǒng)，進行軟硬件開發(fā)和設計，通過以太網(wǎng)通信協(xié)議，實現(xiàn)對溫濕度、氣壓、風力、光照、雨量、空氣指數(shù)等數(shù)據(jù)的采集和通信。

【關鍵詞】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傳感器進行數(shù)據(jù)采集和傳輸，它主要包括網(wǎng)速風向傳感器、氣壓傳感器、溫度濕度傳感器、固定支架、風扇、通信線纜等部分，能夠將采集的模擬數(shù)據(jù)轉化為數(shù)字信號。其中，基于MEMS的路面采集器可以利用積水厚度傳感器、溫度檢測傳感器、冰點（鹽度）傳感器、路面狀態(tài)傳感器等模塊，進行自補償、自診斷計算和信息傳輸。智能氣象站的GPRS無線通信基于GSM網(wǎng)絡實現(xiàn)分組數(shù)據(jù)交換和傳輸，實現(xiàn)GSM系統(tǒng)的延展通信，在不固定占用無線信道的前提下，通過Um接口實現(xiàn)用戶移動設備與GPRS網(wǎng)絡的鏈接和通信，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)的硬件設計

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、傳輸三部分構成，在單片機、信號處理轉換電路及MEMS傳感器的支持下，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理、換算等操作，并由主控系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的存儲和遠程傳輸。

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串口實現(xiàn)硬件流的控制，支持PAP密碼驗證協(xié)議、TCP/UDP通信和FTP/HTTP服務，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)、短信、語音數(shù)據(jù)的傳輸。（2）網(wǎng)絡模塊。主控系統(tǒng)利用該模塊實現(xiàn)與MEMS氣象采集器的數(shù)據(jù)傳輸，內置串行外設接口ENC28J60芯片，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)包的過濾和限制。同時，主控系統(tǒng)還利用內置的DMA模塊，快速吞吐數(shù)據(jù)并進行IP校驗和計算。（3）存儲模塊。該模塊是借由SDIO接口實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的讀取、寫入、存儲等控制。（4）UART模塊。該模塊面向GPRS模塊發(fā)送AT指令，設置系統(tǒng)相關參數(shù)，并對輸出TTL電平進行轉化，有效濾除電容器件中的高頻噪聲，實現(xiàn)GPRS無線網(wǎng)絡的數(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）時鐘電路模塊。該模塊包括有高速內部時鐘、高速外部時鐘、低速內部時鐘、低速外部時鐘、鎖相環(huán)倍頻輸出等時鐘源。

三、智能氣象站數(shù)據(jù)采集與通信傳輸系統(tǒng)軟件設計

（一）系統(tǒng)核心軟件架構

1.Чc/OS-II操作系統(tǒng)

該系統(tǒng)中各個任務依據(jù)其優(yōu)先級進行運行，是一個開源性、搶占式的內核，可以依據(jù)硬件信息進行修改和移植。其具體的層級結構為：上部為應用層，借由底層驅動支持實現(xiàn)對不同硬件的屏蔽和隔離操作，用戶可以基于這個多任務平臺編寫應用程序。中間層則利用與硬件相關的代碼進行系統(tǒng)裁剪和移植。最低層主要存儲與處理器相關的函數(shù)及宏定義。

2.驅動層

智能氣象站數(shù)據(jù)采集與通信傳輸系統(tǒng)主要采用SDIO接口驅動和SPI接口驅動的方式，對硬件進行訪問。其中：SDIO接口驅動包括有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請求信號；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所構成，可以產生時鐘，傳送指令和數(shù)據(jù)。

（二）應用層軟件設計

1.數(shù)據(jù)采集軟件

利用MEMS傳感器采集溫度、濕度、氣壓、風力、雨量等氣象數(shù)據(jù)，基于以太網(wǎng)進行通信傳輸，并將模擬信號轉化為數(shù)字信號，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)的實現(xiàn)部分。

3.命令處理軟件

該單元模塊主要是通過上位機發(fā)送命令，實時設置和獲取智能氣象站的ID號和IP地址。

4.通信系統(tǒng)軟件

該軟件單元采用工業(yè)級雙頻GSM/GPRS模塊，激活移動臺的PDP場景和PPP鏈路，通過上位機接收AT指令并進行網(wǎng)絡連接，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的分析、顯示、處理和存儲。如：設置PDP上下文的命令；設置鏈接模式的命令等。

四、結語

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)，可以通過網(wǎng)絡實現(xiàn)氣象數(shù)據(jù)的采集、傳輸、處理和存儲，以STM32微處理器為智能氣象站主控系統(tǒng)的核心，進行模塊化的硬件設計和開發(fā)。同時，選取嵌入式實時操作系統(tǒng)進行智能氣象站數(shù)據(jù)采集與通信傳輸系統(tǒng)的軟件設計，體現(xiàn)出穩(wěn)定可靠性高、可擴展性、功耗低的特點，未來還要加強對智能氣象站數(shù)據(jù)采集與通信傳輸系統(tǒng)的網(wǎng)絡優(yōu)化和調試，并融入3G、4G網(wǎng)絡，以較好地提升智能氣象站數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾屎唾|量。

參考文獻

[1]王淑華.MEMS傳感器現(xiàn)狀及應用[J].微納電子技術，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化，2011（06）.

作者簡介：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。