自動氣象站數據采集器的設計*

劉春輝，張穎超，許超

(南京信息工程大學信息與控制學院，江蘇南京210044)

盡管我國自動氣象站數目已達到3萬多個，但在很多無人區仍很少有氣象站。隨著氣象業務需求的提高，氣象站的密度也要不斷提高，特別是對于偏遠地區和惡劣環境下，氣象站的長時間工作就是一個亟需解決的問題[1]。

自動氣象站的核心是數據采集器，數據采集器包括數據采集、數據運算、數據質量控制以及數據傳輸。國內在低功耗方面的研究工作主要集中在數據傳輸和低功耗芯片的選擇上[2]。本文從業務需要角度出發，設計出一款低功耗的自動氣象站數據采集器。該采集器中將數據處理和數據采集任務分離，由兩個CPU分別完成數據采集和數據處理任務。利用MSP430F5438作為氣象要素采集芯片(分采集器)，AT91RM9200作為數據處理芯片(主采集器)。在進行基本氣象要素采集時，主采集器進入低功耗睡眠模式，根據氣象要素采集規范，在每分鐘內，分采集器將采集到的數據保存在存儲器中，此時，主采集器退出低功耗睡眠模式，讀取分采集存儲器中的氣象數據。在系統的每分鐘內，絕大部分時間主采集器處于深度休眠狀態，從而達到降低裝置平均功耗的目的。

該款低功耗自動氣象站的數據采集器可應用于偏遠地區自動氣象站，具有較好的市場前景。

1 系統總體設計

自動氣象站數據采集器主要由AT91RM9200主采集器模塊、基本氣象要素的數據采集模塊以及軟件部分組成，實現數據采集、處理、存儲和傳輸的功能[3]。數據的采集主要通過MSP430F5438（分采集器）來完成，分采集器主要按照國家氣象局標準的采樣頻率對各個氣象要素進行采集和存儲，在每分鐘采集完之后，分采集器將1 min內采集的數據通過SPI接口發送給以AT91RM9200為核心的主采集器，主采集器模塊按氣象數據處理規范對接收的數據進行處理后存儲在Flash中，以便數據的實時傳輸和顯示。軟件部分以Linux嵌入式操作系統為軟件平臺，與終端微機或遠程數據中心進行交互以協同完成自動氣象站數據采集的功能。采集器的系統組成如圖1所示。

圖1 自動氣象站總體設計結構圖

2 硬件設計

2.1 主采集器

主采集器是整個自動氣象站的心臟，由嵌入式硬件和軟件組成。

主采集器采用Atmel公司的AT91RM9200作為系統的CPU，AT91RM9200內含MMU虛擬內存管理單元、16 KB SRAM和128 KB ROM、1個主/從SPI(串行設備接口)等[4-5]。AT91RM9200負責整個系統內部各模塊之間的協調工作，整個主采集器結構框圖如圖2所示。

圖2 主采集器結構圖

在整個自動氣象站數據采集器系統中，主采集器主要完成兩大功能：(1)讀取基本氣象要素分采集器采集的數據，對分采集器讀取的數據進行控制運算、數據計算處理、數據質量控制、數據記錄存儲，實現數據通信和傳輸，并與終端微機或遠程數據中心進行交互；(2)擔當管理者角色，對構成自動氣象站的所有分采集器進行管理，包括網絡管理、運行管理、配置管理、時鐘管理等以協同完成自動氣象站的功能[3]。

2.2 分采集器設計

分采集器系統包括MSP430F5438芯片、組成該最小系統的外圍電路、基本氣象要素傳感器以及信號調理電路。基本氣象要素數據分采集器采用SPI總線通信方式與主采集器進行數據連接。

2.2.1 MSP430芯片選型

TI公司54系列最新的型號MSP430F5438有很好的低功耗處理能力。它是一款16位RSIC結構的MCU，其最高主頻為25 MHz，內含256 KB的Flash、16 KB的RAM、87個I/O、4個串口通信接口、12 bit A/D轉換器、SPI通信接口等資源。相比傳統的STC、AVR、PIC、MSP430單片機，它的資源更加豐富，在超低功耗工作模式下，其使用時間能達到幾年以上[6-7]。正是由于上述資源的優越性，本自動氣象站分采集器中的MCU主要采用MSP430-F5438單片機。

2.2.2 基本氣象要素采集模塊

自動氣象站的基本氣象數據采集包括溫度、濕度、風速、風向、雨量和氣壓。溫濕度測量采用Visala公司的HMP155D傳感器，其輸出的模擬量經過四線制差分放大電路之后由模/數轉換器轉換為單片機可處理數字信號。風速和雨量傳感器分別是EL15-1C型和FDY-02翻斗型，對應輸出的是脈沖信號，風速的頻率與風速成正比，通過單位時間內計數器的值即可完成風速測量；翻斗雨量傳感器翻轉頻率與雨量成正比，通過單位時間內(雨量計翻轉的次數)計數器的值來完成雨量的測量。EL15-2C杯式風向傳感器輸出為7 bit格雷碼，通過程序計算得到相應的風向。DYC1數字式氣壓傳感器的輸出是通過RS232傳輸，因此在氣壓傳感器與單片機之間需要有RS232接口電路。采用SPI來實現與AT91RM9200之間的通信。基本氣象要素數據采集的結構圖如圖3所示。

圖3 基本氣象要素數據采集的結構圖

2.2.3 SPI接口電路

本系統為主采集器與分采集器之間的通信預留了很多接口，在基本氣象要素的分采集器中采用了兩個SPI接口與主采集器之間進行數據通信，其中一個外接A/D轉換器，另一個直接與數字量傳感器相連。

SPI（串行外設接口）共由3～4條信號線組成，包括串行時鐘（SCLK）、串行數據輸出（SDO）、串行數據輸入（SDI）。SPI通信的信號格式無需起始和停止信號同步。分采集器直接將要傳送的數據寫入到主機的數據寄存器中。在寫入主機的過程中自動啟動主機發送，在同步信號SCLK的作用下把串行數據輸出中的內容一位一位地移到引腳數據接收端（SDI）。可以看出，用戶編程只需在發送數據時寫數據到SPI發送數據寄存器；在接收數據時讀SPI接收數據寄存器。其余工作都由SPI內部自帶的模塊完成[8]。本系統中MSP430F5438采用四線制的兩路SPI與AT91RM9200的SPI接口進行分時復用通信，其相應的接口電路設計圖如圖4所示。

2.3 自動氣象站的功耗分析

當前，制約著自動氣象站廣泛發展的不是速度和工藝，而是設備的功耗。在設計自動氣象站數據采集器時，應盡量降低自動氣象站的整體功耗。

自動氣象站數據采集器的功耗主要包括主采集器功耗、分采集器功耗以及智能傳感器的功耗。而在這些功耗中，主分采集器的功耗起著主導作用。分析主分采集器的功耗問題，對降低系統的整體功耗非常重要。主分采集器的功耗又包括系統的軟硬件功耗。雖然功耗最終是由硬件系統產生的，但是影響功耗的因素并不只是硬件。硬件依賴于運行于其上的軟件來實現其處理信息的功能，軟件本身不會產生功耗，但是軟件的數據存取和指令執行都會使硬件產生功耗。因此要降低功耗，必須從嵌入式硬件和軟件兩方面著手考慮如何進行功耗優化。

從硬件來考慮，硬件的功耗主要分為動態功耗和靜態功耗。動態功耗是由硬件的負載電容充放電造成的，靜態功耗則是由漏電流造成的[9]。可以用式（1）表示：

其中：C為系統負載所代表的電容，N為電路每拍的信號翻轉次數，V為系統的輸入電壓，f為時鐘頻率，Ileak為漏電流。由式（1）可知，通過降低電壓和頻率可以降低系統的功耗。

3 實驗與結果

自動氣象站把數據采集和數據處理分開，使用超低功耗的MSP430F5438進行采集，ARM9每隔1 min會進行一次系統喚醒。在休眠期間，分采集器采集的數據將被存儲于主采集器的存儲器中，之后主采集器進行數據處理。系統每分鐘內只有6 s處于工作狀態，其余時間均在休眠狀態。實際系統的功耗單位是以電流為標準，通過量取系統總的平均電流來比較自動氣象站的功耗大小。設計完成后，系統通過多次測量靜態功耗（傳感器未工作）和動態功耗（傳感器正常工作）并取平均值，然后把所得結果與市場上主流的ZQZ_CⅡ型、CAWS600型和DYYZ-Ⅱ自動氣象站作比較，最終可以得到系統的測試結果，如表1所示。

表1 系統的測試結果

本文主要研究了自動氣象站的數據采集和功耗問題，設計了新一代自動氣象站數據采集系統。經過初步測試，將系統的基本6項氣象要素傳感器全部打開工作，系統功耗較傳統的自動氣象站得到了極大的改善，使得自動氣象站不再受市電供電的束縛，即使在偏遠地區也能保證15天以上連續運行，具有良好的市場應用前景。另外，本數據采集器的靜態功耗偏高，對于睡眠模式的軟件編程還需進一步優化，使之能夠更好地滿足系統長時間工作的要求。

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[6]楊樂，高超．基于彩信的遠程控制寵物蘢系統的研制[J].信息技術，2012（10）：40-42.

[7]齊懷琴，張松，王晗．基于MSP430F5438的超低功耗森林火災預警系統設計[J]．測控技術，2013，32（1）：28-32．

[8]張瑋，劉宇，薛志遠，等.基于SPI總線的DSP與音頻編解碼芯片的接口設計[J]．電子技術應用，2013，39（6）：31-33．

[9]周寬久，遲宗正，西方．嵌入式軟硬件低功耗優化研究綜述[J]．計算機應用研究，2010，27（2）：423-427．