基于大气折射指数的多点数据采集系统设计

王 悦，王春雨

(海军工程大学 海洋电磁环境研究所，湖北 武汉430033)

在低空海面上大气波导是经常出现的一种异常大气折射现象。大气波导对海面无线电信息系统的传播有重要影响，例如影响雷达、测控系统、遥感等电子武器系统的工作性能［1］。海洋环境中通常存在3类大气波导，即表面波导、悬空波导和蒸发波导［2］，可通过获取大气折射指数垂直分布廓线来确定其波导的存在和厚度，而大气折射指数主要由温度、相对湿度和气压3个参数决定。

对于大气折射指数的测量，目前已发展出各种点探测设备以满足折射指数时空变化研究的需要。常见的点探测设备主要有微波折射率仪、气球探空仪［3］等。但大多存在功耗高、架设不便、无法同时测量多点数据及成本高等缺点。本系统较好地克服了上述缺点，且使用方便，可同时测量多点数据，且精度高、功耗低。

1 硬件设计

1.1 数据采集板设计

数据采集板主要由微控制器、温度传感器、湿度传感器和气压传感器组成，如图1所示。

图1 数据采集板硬件结构

图2 手持接收终端硬件结构

由于大气中，尤其是海面上空，温湿压各项指标均可能在短时间内发生变化，而微小的变化即会对电磁波的传播特性造成较大影响，这便要求本系统能够准确、快速地测量出该变化。因此本系统需要精度高，响应快的传感器。国内市场上的测量温湿度数字型传感器虽种类繁多、开发方便，但响应时间均较长，不符合本系统要求，故考虑使用热敏电阻和湿敏电容等器件。

综合考虑精度、响应时间、开发难度等因素，系统采用爱尔兰Betatherm公司生产的I系列高精度热敏电阻30K5A1A［4］。湿度传感器采用法国Humirel公司的HS1110/1101［5］。气压传感器采用芬兰VTI公司生产的一款测量绝对气压的高精度数字式气压传感器SCP1000－D01［6］。

由于传感器的输出既有数字信号，也有模拟信号。模拟信号需通过A/D转换器转换为数字信号，而增加专门的A/D转换器会使成本变大，同时电路也将变得复杂。因此考虑采用集成A/D转换器的微控制器。同时由于单独增加通信模块同样会使电路变复杂，成本变大，开发难度增加，微控制器的选择应集A/D转换、通信、微处理器于一体，综合考虑采用TI公司的CC2530F256芯片［7］，该芯片无线通信基于ZigBee技术［8］。ZigBee协议是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术，其使用中的便捷性，适用于无线传感网络。

在此仅给出测温、湿、压的电路图，分别如图3～图5所示。

图3 温度测量电路图

图4 湿度测量电路

图5 气压测量电路

1.2 手持数据终端设计

手持数据接收终端主要由微控制器、显示屏和键盘组成，组成框图如图2所示。微控制器采用TI公司的CC2530F256，显示模块采用北京维信诺科技有限公司的VGG12864L［9］。键盘采用常用的4×4矩阵键盘，可有效提高单片机系统中I/O引脚的利用率。

2 软件设计

CC2530芯片开发采用IAR Assembler for 8051，7.51A/W32(7.51.1.3)集成开发环境。该环境将工程管理器、编辑器、8051C/C++编译器、8051汇编器、链接器、库管理工具和调试工具完全集成，可支持CC2530芯片的变成要求，为其提供配置文件。并可将程序下载至CC2530芯片中，方便调试。

2.1 通信网络的设计

ZigBee的节点有协调器、路由器和终端节点3种类型。网络的拓扑结构一般有3种形式:星形拓扑、树形拓扑和网状拓扑。

协调器负责建立网络，并让其他类型节点加入网络;路由器负责在同一网络内转发信息以及允许终端节点通过自身加入网络;终端节点只负责发送和接收信息。星形拓扑是最简单的一种拓扑形式，包含一个协调器和若干个终端节点;树形拓扑包含一个协调器以及若干个路由器和终端节点;网状拓扑和树形拓扑的节点类型相同，但通信规则更加灵活，例如可在路由器与路由器之间通信。

本系统采用星形拓扑，首先由一个节点用作协调器建立网络，其他节点作为终端节点加入网络。

2.2 软件主流程图

数据采集板软件的主流程如图6所示。手持终端的软件主流程如图7所示。

图6 数据采集板软件流程图

图7 手持接收终端软件流程图

3 测量结果数据分析

选用江苏无线电科学研究所有限公司的ZQZCY移动式自动气象站来对比本系统的各项指标，该自动气象站精度高、可靠性好。自动气象站温湿压传感器的具体技术指标如表1所示。

表1 自动气象站温湿压技术指标

通过软件延时将3个传感器均设置为1 s输出一次数据，但由于自动气象站输出频率为1 min一次，因此将本系统1 min内的平均数据与自动气象站相应的输出数据相比较。

3.1 温度测量数据分析

图8是该样本数据的温度曲线结果，从对比曲线可看出，热敏电阻30K5A1A在相对恒温的条件下的测温效果较好，与自动气象站温度探头测得的温度接近。本系统输出的平均温度值为21.94℃，所测数据的方差为0.002 4，说明数据稳定，波动较小。且可看出，－0.1℃的绝对误差是随机出现的。

图8 温度曲线比较

3.2 湿度测量实验及分析

图9所示是在中等湿度条件下两个系统之间的湿度曲线比较，本系统所测数据的平均值为61.33 %，方差为0.22，较为稳定，误差也是随机出现的。

图9 中等湿度条件下的湿度曲线比较

3.3 气压测量实验及分析

气压数据一般提取实验开始15 min后的数据，因为此时温度和气压已趋于稳定。图10为两系统之间的曲线比较结果。可以看出，系统输出的气压平均值为1 014.24 hPa，方差为0.002 5，较为稳定，但气压输出整体上要比自动气象站输出的气压值高约2.09 hPa，可能存在系统误差，因此可对气压输出值进行修正。

图10 气压曲线比较

4 结束语

文中主要介绍了大气折射率剖面数据采集系统的硬件设计及软件流程，使用该系统进行实地测量，并与自动气象站输出数据进行比较。结果证明，本系统具有体积小、重量轻、可同时测量多点数据、测量精度高、功耗低等优点，适用于便携式气象数据的采集。

［1］ 曾国栋.大气波导对雷达探测性能的影响［J］.气象水文装备，2008(3):25－26.

［2］ 戴福山，李群，董双林，等.大气波导及其军事应用［M］.北京:解放军出版社，2002.

［3］ 李伟，刑毅，马舒庆.国产GTS1探空仪与VAISALA公司RS92探空仪对比分析［J］.气象，2009，10(35):97－102.

［4］Betatherm Sensors.Exponential Model NTC Thermistors－Betatherm Sensors Temperature Solutions［EB/OL］.(2008－08－04)［2012－03－05］http://www.betatherm.com.

［5］ 林敏，于忠得，侯秉涛.HS1100/HS1101电容式湿度传感器及其应用［J］.仪表技术与传感器，2001(10):44－45.

［6］VTI Conpration.scp1000_product_family_specification_rev_0.08［EB/OL］.(2007－10－30)［2012－03－05］http://www.vti.fi.

［7］Anlog Device.CC253x system－on－chip solution for 2.4 GHz IEEE 802.15.4 and ZigBee applications［M］.USA:Anlog Device，2009.

［8］ 高守玮，吴灿阳.ZigBee技术实践教程［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2009.

［9］ 北京维信诺科技有限公司.VGG12864L technology specification［EB/OL］.(2009－06－01)［2012－03－05］http://www.visionox.com.