关于气象数据采集通信系统设计、实现工作的探究

王 勇，吴 杰，樊清华

（秦皇岛市气象局，秦皇岛，066000）

作为气象监测技术基础的气象信息在多个行业的安全运行中发挥着重要的作用，为了进一步实现气象通信数据的自动化和网络化运输过程，将从通信技术ZigBee 和GPRS 这两种技术的性能特征和工作中的优点进行分析和研究，从而提出一种新的设计方案，进而完成气象数据采集通信系统的设计和实现工作。其中嵌入式数据集中器、GPRS 无线通信、ZigBee 无线传感器、信息采集节点这四个部分组成了气象数据库采集通信系统，通过采集点来采集各个地区的气象数据。然后由无线传感器来对这些气象数据传入到嵌入式数据集中器中，应用GPRS 技术将处理过的信息运送到远程数据管理中心。实现最后的气象信息的通信过程。由于将GPRS 无线通信运用到设计中，使得整个气象数据采集通信系统变的方便、快捷。下面就这些方面展开详细的讨论和研究。

1 气象数据采集与发送的硬件设计

GPRS 是在GSM 的基础之上发展起来的交换数据系统，因为数据业务的承载能力和业务支持都有很大的优势被广泛的运用在气象数据采集的系统设计中，实现多点采集并且能够运用在野外的自动气象监测系统数据传输中去，具有便利的优点，就系统的总体设计进行详细的探讨。

1.1 数据采集电路设计

1.1.1 MCU 的选择设计。将11 的MSP430F135 作为MCU 的选择设计，首先，电压的工作范围控制在1.8 伏到3.3 伏之间，双时钟的技术运用为系统中各个功能提供了全部需求，同时，始终按照一定的控制命令来开展相应的工作，对功耗的降低具有非常重要的作用，在野外太阳能供电的地方非常的适用。其次，选择11 的MSP430F135片中拥有非常多的资源信息，能够与各种通信和传感器的接口相匹配。

1.1.2 温度测量电路设计。在气象数据采集系统中运用Dsl8820 作为传感器的设计选择，原因在于Dsl8820 型的传感器能够直接将模拟温度的信号进行设计以后转变成数字信号内容，再通过一线总线的方式传送给MUC，在这个过程中还能实现校验码的传递，使得抗干抗纠错能力提高。

1.1.3 湿度电路测量设计。HF3223 型湿度传感器被运用在这个系统当中，首先，由于其频率输出式集成湿度传感器、线性度以及抗干抗能力都显现的非常好，因为电压的要求为5 伏，MSP430F135的电压要求为3.5 伏左右，这样由传感器输出的信号不会破坏MSP430F135 的接口，同时保证输出的信号通过电阻分压的方式来接入到P1.6(TAl)单片机引脚中去。

1.1.4 电压测量电路设计。在电压测量电路的设计中气压传感器是采用MPx4loo 这种型号，其测量的绝对电压范围控制在20～105kPa 之间，和HF3223 类似，这种传感器的电压也是5 伏。因为其电压超过了单片机的接口范围，在将信号送入单片机之前必须经过精密的电阻分压处理过后才能进行。

1.1.5 风速测量电路设计。在气象数据采集系统中，风速信号代表着脉冲信号，与湿度信号存在一定的相似性，因此在涉及的过程中将其接入到MSP430F135 的P1.5(TAO)引脚中去，实现风俗电路的测量工作。

1.1.6 风向测量电路设计。在对系统风向测定的过程中需要将风向信号的发生装置连接到由1个风向标带动的格雷码光组成中去，其中格雷码光是由6位组成的，根据风向的不同，产生的格雷码也有所差异。通过对其原理进行分析，发现格雷码的信号是经过滤波处理后被MUC 读取，并以查表的方式将风向的具体信息读出。

1.2 GPRS 通信模块和时钟设计

在系统中的通信模块主要选用TechFaith 的PIM 来实现信息的处理和传递，其中因为具备语音传送、数据业务以及短信息的无线接口使得今后的使用过程非常的便利。将PIML 的I 脚连到MUC的引脚中去，因为在工作中以来电呼入的方式作为变化的标准，所以以中断的形式来得到响应，同时模块中还有省电模式可以运用，当运用这种模式的时候，系统以周期性的振动来实现省电的功能。单片机的系统电压为3.3 伏左右，这样模块的接口能够承受的电压就必须控制在2.8 伏，为了保护GPRS 的接口，需要将PIML 与MCU相连实现整个系统的安全工作的运行。

电机片的型号存在很多不同的类型，需要对其进行深入的了解和研究，以便选择更加适合的类型来满足工作的需求，同时对模拟总线的时序数据的读写操作功能作为主要的参考内荣，将具有中断功能的P2.O、P2.1 运用到系统中去，当出现中断现象以后，可以用外部中断响应触发事件来节省CPU 的时间，保证时间资源的有效利用。S-3530A 内部不含有电池，因此当出现没电的情况就会使内部的数据全部丢失，造成严重的后果，因此为了有效避免这一情况的发生，必须采取合理的手段和方法进行设计工作，将电路设计时外部的电池采用3 伏的电压，确保系统的正常供电和各个系统的正常运行，实现数据在外部电源掉线以后仍然可以有效的确保数据完整性。

2 系统的软件设计

无线数据传输模块、上位机和下位机三个部分组成了气象数据系统的采集系统。

2.1 无线数据传输模块的软件设计

在无线数据的传输过程需要严格的控制发送的字节，具体的要求是每次允许发送一个字节而不允许出现多字节的发送。这样的工作模式有利于简化编程的复杂性，同时能够实现自动过滤噪音的功能，为了有效的实现这样的数据传输效果，应该在降低数据在传输过程中出现的错误次数，并且要求在收模式和发模式的过程中过能有效的实现自动发送的模式。当传输的距离较远和数据传输的环境比较复杂的情况下，需要依照实际情况来采用多台从机的路由形式实现传输。其中在这个系统中主要采用了两种路由的方式。

2.2 下机为软件设计

将下位机的编程语言充分的运用在双处理器中，有效的将数据的循测和数据格式转换的工作用单片机来实现。通过无线数据的传输模快向上位机传数据是单片机的主要工作模式，与此同时还接受相应的上位机命令等功能。在气象数据的纠错方式中存在主要的两级方式，首先，单片机按照相同的时间间隔来对连续数据进行抽样。其次，将上一步中抽样的数据进行平均计算，将这个最后的结果作为最终的数据上传方式来实现纠错目的。

上位机需要发出指令来指导主片机的工作，将其设置为接受上位机命令后实现传输的模式来具体运行，对上传的数据进行读取并采用CRC 来进行校对工作，按照最初设定的模式来上传，将有效的提高其与上位机通信的准确性。

2.3 上位机软件设计

以Delphi 软件为主要的运行平台，在上位机控制软件中使用用MSCbmm 控件和Access 数据空系统来完成相应的工作，这样的设计安排有利于与下机为保持随时的通信并且有效的对上机位的数据进行合理的处理，实现最终的打印、储存、显示等功能。其次运用压缩过后的BCD 码编方式来储存相应的数据格式，要求一个字节中包含两个BCD 码，按照高低顺序进行排列，实现2 为十进制的表达方式，其中数据中存在的小数点按照软件的具体处理方式为主。物理量的正负性按照字节的各位来分别表示，系统中主要需要4个参数，则相应的就需要8 字节对其进行表示，其物理的正负性则运用一个字节来进行表示。确保传输的数据是按照规定的形式来进行，当第一个字节开始传输以后，则要求最后一个字节必须是符号字节，这个字节的高4 为代表了参数的正负性，在一定的时间内发送的帧数的具体情况由上机为来控制和安排，确保串口读数据的速度比数据处理的速度大，只有波特率的选择要求才能确保数据采集的准确性和实效性。科学的运用各种曲线来表示具体的动态关系，将各种历史性的数据和查询需要的记录信息有效的展现出来，从中寻找各种气候变化的规律。实现气象科学的监测和预告。

3 主控系统与采集点的通信

3.1 总线的通信方式

将用RS485 通信协议运用到采集单元格式和主控平台的通信距离较远的系统中来，其中该通信协议能满足平衡传输线的标准和双向传输的模式，能够实现多个点共同链接，最多的时候允许32个节点的共同创建，同时距离可以长达1200 米。为了在一条线上同时安排多个挂接数传感器采集单元，必须在网络中多增加额外的模块来达到这项目的要求。

3.2 星型局域网方式设计

TCP／IP 网络通信协议被广泛的应用在采集单元分布集中以及通信方式距离较近的地方。通过微型网络的交换设备来实现微小局域网的构建工作，RS485—TCP／IP 转换器能够有效的将将RS485 通信链路转换成太网物理连接，实现其智能转换的功能，将七层链路协议在装置中进行固化，为供TCMP 通信服务做好充分的准备工作。用交换机将多个智能传感器信号和智能采集单元连接起来，有效的实现主控平台的基本功能形成一种比较完善的气象综合控制监测系统，达到高速数据通信与管理的目标。

3.3 蓝牙技术方式设计

因为智能单元有可能收到外部环境和布线困难的一些影响，因此需要将蓝牙模式的网络数据链接充分的运用到距离较近的智能单元中去。将用RS485现场总线方式运用到实时性要求不高的地方，因为收到传统的运输方式的干扰而容易出现检错能力不强的情况，系统传输容量和数量受到传输距离的限制而出现严重的问题，出此之外，在一些特殊地区也不太适宜采用此种方式。

通过对传统的数据采集方式的有限网络数据运输进行分析发现，其运输方式存在很大的缺陷和困难并受到环境的严重影响，因此已经不被利用。目前无线传感器覆盖范围较广、成本较低和无需布线的特点决定了其运用的价值，其中。ZigBee 无线传输协议是目前最有发展的一项无线通信技术，是非常易于构建的的无线网络，在耗能的性能方面也占据着非常大的优势，同时比其他的产品更能维持较长时间，是未来气象数据传输系统技术运用的趋势。

[1]张宏群,仓彬彬.基于LabVIEW 的气象监测系统[J].现代电子技术.2010(24)

[2]赵政春,邓曙光,谭跃.基于LABVIEW 的数据采集与分析系统[J].计算机与数字工程.2010(05)

[3]郭勇,姜学东.基于MSP430 单片机的气象数据采集系统[J].国外电子测量技术.2007(10)

[4]郁波.自动气象站数据传输系统设计[D].南京信息工程大学2008