探析智能氣象站的數據采集和通信傳輸系統設計與實現

【摘要】為了更好地適應氣象站傳感設備動態接入的需求，可以基于MEMS傳感器技術設計智能氣象站的數據采集和通信傳輸系統，進行軟硬件開發和設計，通過以太網通信協議，實現對溫濕度、氣壓、風力、光照、雨量、空氣指數等數據的采集和通信。

【關鍵詞】智能氣象站；傳感器；數據采集；通信傳輸系統

一、智能氣象站數據采集與通信傳輸原理分析

智能氣象站基于MEMS傳感器進行數據采集和傳輸，它主要包括網速風向傳感器、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據轉化為數字信號。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網絡實現分組數據交換和傳輸，實現GSM系統的延展通信，在不固定占用無線信道的前提下，通過Um接口實現用戶移動設備與GPRS網絡的鏈接和通信，有效整合和利用信道資源。

二、智能氣象站數據采集與通信傳輸系統的硬件設計

智能氣象站數據采集與通信傳輸系統由數據采集、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，實現數據采集、處理、換算等操作，并由主控系統實現數據信息的存儲和遠程傳輸。

主控系統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串口實現硬件流的控制，支持PAP密碼驗證協議、TCP/UDP通信和FTP/HTTP服務，實現對數據、短信、語音數據的傳輸。（2）網絡模塊。主控系統利用該模塊實現與MEMS氣象采集器的數據傳輸，內置串行外設接口ENC28J60芯片，實現對數據包的過濾和限制。同時，主控系統還利用內置的DMA模塊，快速吞吐數據并進行IP校驗和計算。（3）存儲模塊。該模塊是借由SDIO接口實現對數據的讀取、寫入、存儲等控制。（4）UART模塊。該模塊面向GPRS模塊發送AT指令，設置系統相關參數，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GPRS無線網絡的數據傳輸。（5）電源模塊。該模塊采用正電壓輸出的低壓降三端線性穩壓電路芯片，為主控系統提供穩定的電壓。（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、鎖相環倍頻輸出等時鐘源。

三、智能氣象站數據采集與通信傳輸系統軟件設計

（一）系統核心軟件架構

1.Чc/OS-II操作系統

該系統中各個任務依據其優先級進行運行，是一個開源性、搶占式的內核，可以依據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裁剪和移植。最低層主要存儲與處理器相關的函數及宏定義。

2.驅動層

智能氣象站數據采集與通信傳輸系統主要采用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、數據通道、數據FIFO所構成，可以產生時鐘，傳送指令和數據。

（二）應用層軟件設計

1.數據采集軟件

利用MEMS傳感器采集溫度、濕度、氣壓、風力、雨量等氣象數據，基于以太網進行通信傳輸，并將模擬信號轉化為數字信號，降低主控系統與數據采集單元的耦合性，使系統得以延展和適用。

2.數據存儲軟件

該軟件部分主要包括有上層接口、邏輯層、數據處理層和底層接口，其中：上層接口主要提供給用戶調用的函數；底層接口主要包括扇區的讀寫功能函數；邏輯層和數據處理層則是FATFS文件系統的實現部分。

3.命令處理軟件

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

4.通信系統軟件

該軟件單元采用工業級雙頻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指令并進行網絡連接，實現對數據的分析、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據采集和通信傳輸系統，可以通過網絡實現氣象數據的采集、傳輸、處理和存儲，以STM32微處理器為智能氣象站主控系統的核心，進行模塊化的硬件設計和開發。同時，選取嵌入式實時操作系統進行智能氣象站數據采集與通信傳輸系統的軟件設計，體現出穩定可靠性高、可擴展性、功耗低的特點，未來還要加強對智能氣象站數據采集與通信傳輸系統的網絡優化和調試，并融入3G、4G網絡，以較好地提升智能氣象站數據傳輸的速率和質量。

參考文獻

[1]王淑華.MEMS傳感器現狀及應用[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。