基于STM32的新一代天气雷达远程监控系统设计

姜小云，李昭春，吴 俞

(1.海南省气象探测中心,海南 海口 570203；2.海南省气象台，海南 海口 570000)

基于STM32的新一代天气雷达远程监控系统设计

姜小云1，李昭春1，吴 俞2

(1.海南省气象探测中心,海南 海口 570203；2.海南省气象台，海南 海口 570000)

为了最大程度发挥新一代天气雷达在天气预报、气象决策和服务、人工影响天气等业务和科研方面的效益，设计了网络远程控制和应急解决新一代天气雷达部分故障(软件故障、停机故障、虚警故障等)的系统。通过设计网络继电器开关控制新一代天气雷达伺服控制单元、新一代天气雷达数据采集控制单元、新一代天气雷达发射机主控板等设备电源以实现远程复位，设计新一代天气雷达信号波形监控系统以实现对新一代天气雷达设备远程快速在线诊断。其在海南省新一代天气雷达站的实际运行情况表明，该系统应用效果良好，使得新一代天气雷达的系统可用性大幅提高，故障诊断与排除时间大为缩短，在全国天气雷达观测业务年终考评中名列前茅。该系统的设计方法可供其他新一代天气雷达站应用和借鉴。

STM32;新一代天气雷达;远程控制;系统设计;网络控制

0 引 言

全国新一代天气雷达组网运行多年来为各级天气预报、气象决策和服务、人工影响天气等业务和科研等方面发挥了显著效益，然而稳定可靠的连续观测运行对新一代天气雷达技术保障要求越来越高。前人已经积累了大量关于新一代天气雷达技术保障方面的经验总结和研究成果[1-12]。外国同行也做了很多有价值的工作[13-16]。为了最大程度发挥新一代天气雷达在天气预报、气象服务、气象决策和人工影响天气业务中的效益，必须发展新一代天气雷达故障快速处理和应急维修等技术。由于新一代天气雷达大多建在高山或远离市区的偏僻地方，而且到了汛期新一代天气雷达又必须是24小时不间断运行，因此大大增加了新一代天气雷达维修维护和技术保障的压力。新一代天气雷达是一种能全天候全自动化运行的天气观测设备，基本可以实现无人值守。但事实上，由于各种环境、干扰等的影响,使得新一代天气雷达的稳定性、可靠性难以达到无人值守的要求。据统计，SA型新一代天气雷达部分停机故障是由于一些小故障等引起的，主要发生在RDA(雷达数据采集)计算机与伺服系统DCU(数控单元)通信连接失败，RDA计算机与DAU(数据采集单元)系统的通信接口失败，还有天线动态错误等故障。这些故障往往只需手动重启RDA计算机或RDASC新一代天气雷达运行软件，重新上电复位DCU、DAU等分机系统，或者是重新上电复位发射机主控板等就可使雷达恢复正常运行。为了尽可能实现无人值守和最大程度上发挥新一代天气雷达使用效益，设计了一种基于STM32系列芯片的网络远程控制与应急维修系统。该系统设计主要包括系统总体设计、硬件电路设计、软件系统设计方法。根据该系统在海口等新一代天气雷达站的实际运行情况，结果表明其使用效果良好，希望能为其他同类新一代天气雷达站的技术保障业务提供借鉴。

1 系统总体设计

如图1所示，整个系统主要有本地终端、STM32远程服务器、继电器开关控制等模块。远程服务器是基于STM32F103VET6芯片的网络控制板，在该控制板上配置了32路继电器开关控制器，通过这些继电器可以控制新一代天气雷达不同分机的电源的通断。终端电脑为省局局域网任意一台客户机，业务保障人员可以通过本地终端远程登陆到新一代天气雷达机房的远程服务器，从而进行进一步的远程控制与应急维修等操作。继电控制模块涉及到硬件操作内容，是远程应急维修技术的核心模块。采用5 V继电模块，其输出触点耐压为220 V，可承受电流10 A以下的中等功率负载。该型号继电器能够控制新一代天气雷达DAU单元供电开关、DCU单元供电开关和双踪数字示波器的多路采集电缆开关。为了能够远程查看发射机、接收机等各模块电路关键测试点波形，采用多路时分复用技术把所有待检测的测试点波形采集探头连线利用继电开关控制接入到一个示波器的某个通道，从而轮流检测多个测试点波形。RDASC是SA型新一代天气雷达运行控制工作软件，该软件控制新一代天气雷达各分系统有序工作并采集天气观测数据和设备运行状态等信息。通过该软件，操作人员可以操控新一代天气雷达开机、关机和性能参数调整等。

图1 系统总体设计框图

2 硬件电路设计

2.1 继电器控制电路设计

继电器控制开关电路采用Proteus软件设计和模拟仿真。Proteus电路设计与仿真软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件。Proteus与其他电子仿真软件不同的是，它不仅能仿真单片机的实际工作情况，还能仿真单片机外围电路或没有采用单片机的电子系统的工作情况。因此在仿真和程序调试时，关心的不再是某些语句执行时单片机寄存器和存储器内容的改变，而是从工程的角度直接观看程序运行和电路实际工作的全过程和最终结果[1]。

如图2所示，光耦芯片U1在引脚2处有一个低电平触发时，U1引脚3和4导通，三极管Q1基极获得电流后导通，从而使得继电器RL1吸合，最终使得负载BUZ1通电工作。D2是续流二极管，起到保护继电器的作用。原理图设计完后，通过仿真模拟，添加电压或电流探仿真工具，可以直观地看到电路图各处的电压或电流，从而详细了解整个电路的工作参数和运行情况，为接下来实际电路制作节省时间和试验成本。

图2 继电器控制电路仿真设计图

通过继电器控制新一代天气雷达的DAU、DCU和发射机主控板电源是否接通。因此，需要多路继电器控制模块。设计了最多32路继电器控制电路以充分满足新一代天气雷达关于电源远程控制的需要。

2.2 网络控制电路设计

图3是采用STM32F103VET6芯片的主控系统设计原理图。STM32F103VET6是32位Cortex-M3内核的新型ARM处理器。它具有丰富的片内RAM和外设，几乎不需要扩展其他外围电路就能满足一些简单的设计需求，大大简化了硬件电路的设计难度和复杂度，且CPU运行速度和内存容量完全满足主控模块的多任务实时处理和应用。STM32F103VET6芯片具有丰富的片上资源,包括16通道12位A/D转换器、7通道的DMA控制器、16位定时器、5个USART接口、1个CAN接口、1个USB2.0全速接口和2个SPI(Serial Peripheral Interface)接口等。其中，该系统用到了一个USART接口和SPI接口。USART接口是为了下载程序到芯片内部的程序存储器，而SPI接口是为了实现网络远程控制系统，它和网络控制芯片ENC28J60组合使用，从而简单高效地实现了基于STM32单片机的网络控制应用系统。

图3 STM32主控系统设计图

STM32F103VET6芯片的12和13脚外接一个8 M的晶振以提供芯片的时钟信号，14脚外接芯片复位电路。USART1接口是芯片的程序下载接口，由引脚68和69组成，其中68脚是发送端，69脚是接收端。SPI接口是由29到33脚组成。如图4所示，SPI接口和ENC28J60芯片实现了基于单片机的远程控制网络应用。ENC28J60芯片是带有行业标准串行外设接口的独立以太网控制器。它可作为任何配备有SPI的控制器的以太网接口,与主控制器的通信通过两个中断引脚和SPI实现，数据传输速率高达10 Mb/s。两个专用的引脚用于连接LED，进行网络活动状态指示。ENC28J60网络模块采用ENC28J60作为主芯片，单芯片即可实现以太网接入。利用该模块，配合STM32 F103VET6芯片，就可以实现快速以太网连接[12]。

3 软件系统设计

3.1 UIP网络控制协议栈简介

UIP由瑞典计算机科学学院开发。其源代码由C语言编写，并免费开放源代码。UIP协议栈是一个精简的TCP/IP协议栈，它删掉了原TCP/IP协议栈中不常用的功能，简化了通信流程，只保留网络通信必须用到的协议，具体包括IP、TCP、ICMP、UDP和ARP等协议。由于该协议栈是专为嵌入式系统量身定做的，所以它的代码量很少，方便移植，占用内存较少，发送和接收共用一个全局缓存节省了很多空间和时间，支持多个连接同时建立。而且对数据的处理采用轮询机制，所以可以移植到不需要操作系统的嵌入式系统设备中。

图4 网络接口设计电路图

UIP协议栈相当于一个函数库，通过一系列的函数实现与底层硬件和上层应用程序的通信，对于整个系统来说它内部的协议是透明的，从而增加了协议的通用性。UIP协议栈与系统底层和上层应用之间的关系如图5所示。

图5 UIP协议栈功能示意图

3.2 远程控制具体实现方法

UIP协议栈提供了很多接口函数，UIP在接收到底层传来的数据包后，在需要送到上层应用程序处理时调用UIP_APPCALL()接口函数。在不用修改协议栈的情况下可以适配不同的应用程序。具体步骤如下：

(1)实现接口函数UIP_APPCALL。该函数是UIP和应用程序的接口，必须根据需要在该函数做各种处理。

(2)初始化网卡。先初始化网卡，配置MAC地址，为UIP和网络通信做好准备。

(3)调用UIP_init接口函数，初始化UIP协议栈。主要是UIP自身的初始化。

(4)设置IP地址、网关以及掩码。通过UIP_ipaddr、UIP_sethostaddr、UIP_setdraddr和UIP_setnetmask等函数实现。

(5)设置监听端口。UIP根据设定的不同监听端口，实现不同的服务，比如Web网页监听80端口(浏览器默认的端口是80)，凡是发往该端口的数据，都通过Web Server的APPCALL函数处理。不过UIP有本地端口和远程端口之分，如果是做服务端，通过监听本地端口实现；如果是做客户端，则需要连接远程端口。

(6)处理UIP事件。UIP通过UIP_polling函数轮询处理UIP事件。该函数必须插入到用户的主循环里面,这样就可以不需要操作系统的支持。httpd.c、httpd-cgi.c、httpd-fs.c和httpd-strings.h，属于UIP提供的Web服务器参考代码，通过修改这部分代码，可以实现一个简单的Web网页服务器。

3.3 keil开发环境与代码实现

使用当前国际流行的嵌入式开发工具keil平台来实现程序的编辑、编译、调试和下载。远程控制系统板嵌入式应用程序包含以下几个函数：

(1)Web_Server()。该函数实现了在浏览器上创建一个Web服务器，通过Web里面的命令来控制新一代天气雷达远程控制系统板上的继电器吸合与释放。

(2)fill_tcp_data_p()。该函数在指定位置填充TCP数据，返回值为填充后的位置。如：plen=fill_tcp_data_p(buf,plen,PSTR("

"))，该语句将在所创建的网页的当前行中央位置显示“海口新一代天气雷达远程控制系统”。

(3)analyse_get_url()。该函数分析客户端提交的网页请求，并根据网址中包含的命令参数做出相应动作，也就是收到客户端的命令后对新一代天气雷达远程控制系统板上的继电器发出指令，从而实现了新一代天气雷达的远程控制和远程复位。

(4)print_webpage()。该函数调用fill_tcp_data_p()创建一个嵌入式Web网页，按照顺序输出页面内容，就像创建一个文件一样。嵌入式系统中需要显示的各个变量都可通过该函数显示到Web页面上。

所实现的系统是通过登陆Web服务器网页远程控制新一代天气雷达DAU、DCU和发射机主控板电源的开关，并且监视机房的环境温度和相对湿度，电源指示状态和采集的数据实时显示在该Web页面上。

4 系统应用

图6为海口新一代天气雷达远程控制系统。通过开发基于STM32F103VET6芯片的远程网络控制板，实现对新一代天气雷达远程控制操作。开发板中配置的IP地址为天气雷达站机房的局域网地址(如172.22.64.100)，只要在局域网的任意一台电脑上打开浏览器输入上述网址就可以打开如图6所示的Web页面。在页面下方的表格里，左边是三个分机电源指示状态，绿灯表示加上了电源，红灯表示关闭了电源，右边表示对三个分机电源的操作，当点击某个操作，则相应的分机电源开关反转一次，从而实现了新一代天气雷达的快速远程操控。

图6 系统运行界面

5 结束语

新一代天气雷达观测系统从刚开始布点到目前大规模组网建设已经十多年了，为短时临近天气预报、灾害性天气监测、人工影响天气等业务和科研发挥了巨大作用。同时现代气象业务对新一代天气雷达观测系统的稳定性、可靠性、准确性和时效性等保障业务方面的要求越来越高。讨论了通过网络远程控制和应急解决新一代天气雷达故障，设计继电器开关系统控制伺服控制单元、数据采集控制单元、发射机主控板等设备电源以实现远程复位，设计信号波形监控系统以实现新一代天气雷达设备故障远程快速在线诊断和监控。同时给出远程控制新一代天气雷达的方法和具体电路设计。根据其在海口等新一代天气雷达站的实际运行情况，结果表明该系统使用效果良好，希望能对其他新一代天气雷达站的技术保障业务提供借鉴。

[1] 姜小云,吴 俞,李 静.ASOM二次监控平台设计[J].气象科技,2013,41(3):480-483.

[2] 姜小云,吴 俞.新一代天气雷达基数据管理与个例整编系统设计[J].气象科技,2015,43(4):612-616.

[3] 潘新民,汤志亚,柴秀梅,等.CINRAD-SA/SB发射机故障定位方法[J].气象与环境科学,2010,33(3):78-85.

[4] 杨传凤,袁希强,黄秀韶,等.CINRAD/SA雷达发射机故障诊断技术与方法[J].气象,2008,34(2):115-118.

[5] 胡东明,胡 胜,刘 强.CINRAD/SA雷达调制器真空开关漏气故障的分析处理[J].气象,2006,32(8):118-120.

[6] 王志武,周宏根,林忠南.新一代多普勒新一代天气雷达SA&B的故障分析[J].现代雷达,2005,27(1):16-17.

[7] 梁 华,任京伟,刘永强,等.新一代天气雷达(CINRAD/CC)发射系统典型故障分析与处理[J].干旱气象,2013,31(3):622-626.

[8] 梁 华,刘永强,谢万军,等.利用微波仪器测量新一代天气雷达发射功率及改善因子[J].干旱气象,2012,30(4):635-638.

[9] 梁 华,刘永强.CINRAD/CC雷达技术指标测试方法[J].干旱气象,2011,29(4):504-508.

[10] 姜小云,李昭春,吴 俞.新一代天气雷达全过程自动监控系统设计[J].计算机技术与发展,2014,24(12):245-248.

[11] 王海燕,杨艳华.Proteus和Keil软件在单片机实验教学中的应用[J].实验室研究与探索,2012,31(5):88-91.

[12] 张庆辉,马延立.STM32F103VET6和ENC28J60的嵌入式以太网接口设计[J].单片机与嵌入式系统应用,2012(9):23-25.

[13] Witt A,Eilts M,Stumpf G,et al.An enhanced hail detection algorithm for the WSR-88D[J].Wea. Forecasting,2010,13(2):286-303.

[14] Rabin R,Zrnic D.Subsynoptic-scale vertical wind revealed by dual Doppler-radar and VAD analysis[J].Journal of the Atmospheric Sciences,2010,37(3):644-654.

[15] Trapp R J,Doswell C A.Radar data objective analysis[J].Journal of Atmospheric & Oceanic Technology,2000,17(2):105-120.

[16] Liou Y C.An explanation of the wind speed underestimation obtained from a least squares type single-Doppler radar velocity retrieval method[J].Journal of Applied Meteorology,2002,41(7):811-823.

Design of Remote Monitoring System for New Generation Weather Radar with STM32

JIANG Xiao-yun1，LI Zhao-chun1，WU Yu2

(1.Hainan Province Meteorological Detecting Center,Haikou 570203,China; 2.Hainan Province Meteorological Observatory,Haikou 570000,China)

The network remote control and rightly repairing system for the new generation weather radar (software faults,stopping running,false alarming,etc) has been designed for the most extent to develop the effect of business and research such as weather radar for weather forecast,meteorological decision and service,man-made informing weather and so on.By designing relay electronic switch systems to control the radar servo-actuated unit,the radar data acquisition unit and the radar transmitting main controlling board and other system device power supply to realize remote operations reset,the wave form monitoring system has been designed for the new generation weather radar’s remote quickly diagnosis on line.According to the actual operation of the system in some new generation weather radar stations in Hainan province,the operation situations have shown that this system has run in good operation and application and the availability of the new generation of weather radar has been promoted significantly as well as the fault diagnosis and elimination time greatly shortened.In the national weather radar observation business year-end evaluation,this system has reached the first with the best performance nationally.The reference value of this design method for this system can be involved in construction of other new generation weather radar stations.

STM32;next generation weather radar;remote control;system design;network control

2016-05-26

2016-08-31 网络出版时间：2017-03-13

海南省气象科技创新项目(HNQXMS201505)

姜小云(1978-),男,硕士,高工，研究方向为新一代天气雷达技术开发与保障。

http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20170313.1545.018.html

TP302

A

1673-629X(2017)05-0196-05

10.3969/j.issn.1673-629X.2017.05.041