基于Wi-Fi技术的气象装备实训平台设计

幺伦韬，金 龙，毛 飞，朱庚华，彭相瑜

(1.河北省气象技术装备中心，河北石家庄 050021；2.河北省气象灾害防御中心，河北石家庄 050021)

基于Wi-Fi技术的气象装备实训平台设计

幺伦韬1，金 龙1，毛 飞1，朱庚华1，彭相瑜2

(1.河北省气象技术装备中心，河北石家庄 050021；2.河北省气象灾害防御中心，河北石家庄 050021)

为实现对气象装备保障人员的便捷高效培训，运用无线通信技术，设计了基于Wi-Fi技术的气象装备可移动实训平台。系统通过无线通信模块将气象设备的串口协议数据转换成网络协议数据，再使用Wi-Fi无线技术将数据传输到计算机端，最后在计算机端将网络协议数据转换为串口协议数据，通过虚拟串口传送给气象应用软件，以此建立起气象设备与气象应用软件之间的无线透明传输链路，降低了布线复杂程度，提高了扩展的灵活度。实训平台采用移动式、无线通信和气象设备集中设计，解决了气象设备培训中设备种类多、布线复杂的难题，为气象设备技术保障培训提供了标准化培训环境。在对市级技术保障人员的实际培训中，验证了实训平台在实际操作中具有一定的实用性，可有效提高培训效率。此培训平台的设计为气象装备保障人员的培训提供了新的方法。

无线通信技术；Wi-Fi技术；气象装备；实训平台；虚拟串口

随着气象事业的发展，新型的气象装备更新应用越来越快，新型气象装备的集成化、自动化程度也越来越高。为保障这些装备的稳定运行，气象装备技术保障人员维修技术需快速提升，及时熟悉新型装备的工作原理，快速掌握维修技术。由于业务中投入使用的气象观测装备不允许停止工作和培训使用，因此，急需设计一套气象装备实训平台，对气象装备工作环境现场进行模拟仿真，通过设置不同故障，对技术装备保障人员进行技术实训，提高技术人员的维修水平，保障气象观测站网的稳定运行。

本文详细研究了气象装备工作环境的特点和培训需求，运用Wi-Fi无线通信技术和虚拟串口技术[1]，设计了一种气象装备实训平台。采用Wi-Fi技术，有效地降低了通信布线的复杂程度，消除了扩展复杂弊端。该实训平台模拟了气象装备实际工作环境，满足了气象装备保障人员技术实训的需求，对于其他类似装备实训平台的设计具有借鉴意义。

1 主要技术介绍

1.1Wi-Fi技术

Wi-Fi技术是一种成熟的无线局域网组网技术，便于电子设备无线连接到一个局域网内，一般使用2.4 GB,5 GB两个频段。Wi-Fi连接到无线局域网通常需要有密码保护，但也有些应用环境是采用开放式，允许在Wi-Fi信号范围内的任何电子设备连接。Wi-Fi通信应用十分广泛，在移动通信、物联网等方面都已大量使用，同时硬件技术发展也比较迅速，目前已有非常成熟稳定的Wi-Fi硬件通信模块，兼容通信协议转换，价格低廉，使本实训平台搭建成为可能。

1.2虚拟串口技术

在工业产品中，串行通信RS232经常作为数据传输接口。计算机主板一般会提供1至2个标准RS232端口，用户可以通过计算机的RS232端口与工业产品通信，同时在计算机软件RS232端口操作方面也非常成熟。但是这种通信方式也存在一些限制，比如通信距离短、通信端口数量少等方面制约了RS232通信的应用。

虚拟串口技术利用驱动技术[2]来虚拟出多个通信端口，虚拟出的端口可以像硬件端口一样被应用软件操作使用。而实际通信中，虚拟串口技术主要是完成了通信协议的转换功能，将应用软件发出的RS232协议数据转换成TCP/IP，CAN[3]，RS485[4]等协议数据传出，收到TCP/IP，CAN等协议数据后，转换成RS232协议数据传送给应用软件，从而实现应用软件与远端设备的通信。采用虚拟串口技术，一台计算机就可以虚拟出多个通信端口，而实际通信硬件链路仅通过一根网线或CAN总线即可完成，亦或者直接通过无线网卡实现无线通信传输，对综合布线和设备扩展带来了方便。

2 平台设计

2.1整体设计

气象装备实训平台设计主要考虑3个方面：1)搭建的实训平台[5]要尽可能模拟每个气象观测设备的现场工作状态；2)搭建方便、实训操作方便；3)所有气象设备共用一台计算机进行数据接收处理，减少成本和空间。根据气象观测设备的现场布局情况，对各类气象设备进行分类组合。对具有单独采集系统或距离较远的气象观测设备独立架设，对同一采集系统或近距离的组合进行架设，所有气象设备之间的通信均采用Wi-Fi通信模块与一台计算机的应用软件通信[6]，实训平台整体设计示意图见图1。

图1 整体设计示意图Fig.1 Schematic diagram of the whole design

2.2硬件设计

硬件部分主要包括实训台、 通信部分。

1)实训台设计

专业实训台需要考虑实训，要做到操作方便、结构清晰，为此采用可移动底盘和便于挂接安装的双面方孔挂板组合。双面方孔挂板方便安装各种设备，移动底盘方便实训期间的移动展示，设计结构示意图见图2。其他观测设备的实训台只需要在原设备下面增加移动底盘即可，方便移动。

图2 集成实训台结构示意图Fig.2 Schematic diagram of integrated training platform

2)Wi-Fi通信模块选型

Wi-Fi通信模块[7]目前种类较多，本设计采用比较成熟的ESP8266系列模块。ESP8266模块是自成体系的Wi-Fi通信模块，能够独立运行。模块具有强大的片上处理和存储能力，可通过 GPIO 口集成各种传感器。模块支持802.11 b/g/n无线标准，内置 TCP/IP 协议[8]栈，安全机制采用 WPA/WPA2安全模式。通信接口包括UART，PWM，GPIO等，供电电压为3.3 V。

3)ESP8266与气象设备通信接口

气象设备上的电源一般为5 V或12 V，所以在使用ESP8266模块时需要对电压进行转换，本设计采用AMS1117稳压器将电压调整为3.3 V后，提供给ESP8266模块使用。本设计在使用ESP8266模块时，主要考虑通信模块的通信接口与气象设备之间的连接问题。通信接口主要是2个通信设备的电平不匹配问题，气象设备的接口电平为RS232标准，电平范围在-15～+15 V之间，而ESP8266模块的接口电平为TTL标准，电平范围在0.8～2.4 V范围内。为此，使用MAX232电平转换芯片完成气象设备和通信模块之间的通信电平转换匹配。通信接口连接示意图如图3所示。

图3 通信接口连接示意图Fig.3 Schematic diagram of communication interface connection

气象设备和ESP8266模块采用RS232串行通信方式。通信传输速率为9 600 bit/s，数据位8位，1位停止位，无校验位。两者之间使用MAX232电平转换芯片建立物理连接，实现两者信号电平的匹配转换。将ESP8266的TTL电平串口与MAX232电平转换芯片的T1IN输入转换成RS-232标准电平从T1OUT送到气象设备RS232接口；气象设备的RS-232接口从MAX232电平转换芯片的R1IN输入转换成TTL电平后从R1OUT输出。由于RS232是一种全双工通信方式，所以在连接时需要气象设备的TX发送接口与ESP8266的RX接收接口连接，对应的ESP8266模块的TX发送接口与气象设备的RX接收接口连接，才能完成气象设备与ESP8266模块之间的正常通信。

2.3软件设计

根据气象装备实训平台设计需求，软件部分主要包括Wi-Fi通信模块的软件设置和计算机上位机通信软件的设计。

1)软件需求

软件需求涉及2个部分，分别为ESP8266模块的传输需求和上位机通信软件的需求。

ESP8266模块具备与上位机软件自动建立网络连接的功能，然后通过串口与气象设备通信，接收气象设备的数据后，通过网络通信将数据传输给上位机软件。

上位机通信软件需要能响应ESP8266模块的网络连接请求并建立通信连接。当接收到通信模块的数据后，能将数据封装后传输给对应的虚拟串口[9]。同理将虚拟串口传来数据封装后通过网络传输给ESP8266。

2)设计方案

由于各个气象设备要求上传数据时间在同一时刻，并发通信，为此设计为每个气象设备单独建立一条透明网络传输通道[10]。网络通信包括TCP模式和UDP模式。UDP模式是一种简单不可靠信息传输服务方式，当信息发送后，无应答机制，无法得知信息是否完整到达。TCP模式为信息可靠传输方式，当信息发送后，有应答机制，可以保证信息基本不丢失。本设计采用TCP工作模式，计算机通信软件采用TCP服务端模式，气象设备端Wi-Fi通信模块使用TCP客户端模式[11]，由Wi-Fi通信模块主动连接计算机TCP通信端口，实现数据链路的建立。计算机通信软件为每个TCP通信端口虚拟一个RS232端口，实现与应用软件的通信[12]。即完成了气象设备—无线通信模块—上位机通信软件—气象应用软件之间的相互通信，实现气象设备和气象应用软件之间的透明传输。软件主要包括终端无线通信软件和上位机通信软件2个部分。其中，终端通信软件由ESP8266模块自身系统软件实现，上位机通信软件由TCP服务端、网口与串口协议转换、虚拟串口等主要模块组成。通信软件结构示意图如图4所示。

图4 通信软件结构示意图Fig.4 Schematic diagram of communication software

3)软件实现

ESP8266模块设置。ESP8266模块内置TCP/IP 协议栈，自身完成了RS232到网络协议的转换，只需要对其进行网络通信配置即可。模块支持softAP模式，Station模式，softAP + Station 共存3种模式。SoftAP为无线接入点模式，即是一个无线网络的中心节点。Station为无线终端模式，即是一个无线网络的终端。本设计使用Station模式，同时使用透传功能模式。透明传输功能是指设备终端通过RS232串口将数据发给 ESP8266模块，ESP8266模块再通过无线网络将数据传送出去；同理ESP8266模块通过无线网络接收到的数据后，通过RS232串口传给设备终端。传输过程中，ESP8266模块只负责将数据传到目标地址，不对数据进行任何加工处理，发送方和接收方的数据内容、长度完全一致，传输过程就像完全透明一样。ESP8266模块透明传输功能设置命令如下：

AT+SAVETRANSLINK=,,,,,

其中，为是否进入透传模式，1为开机进入透传模式，0为取消开机透传模式。为远程连接IP地址。为远程连接port端口号。为采用TCP或者UDP模式，默认为TCP模式。为保持TCP连接的侦测时间，最短为500ms。为采用UDP模式时，使用的本地port端口号。

执行此命令后，设置的结果将会保存到ESP8266模块的Flash中，掉电时不丢失，重新加电后，自动按照设置的参数进入透传模式。

上位机通信软件实现。上位机通信软件主要完成与ESP8266模块的TCP通信链接、虚拟串口的创建等功能，软件流程见图5。

图5 上位机通信软件流程图Fig.5 Flow chart of computer communication software

软件首先根据气象装备通信串口数量创建对应的虚拟串口，保证应用软件能正常运行。其次是创建TCP服务，等待ESP8266通信模块的连接，并与ESP8266模块共同完成透明通信通道的建立，实现数据的双向转发。

虚拟串口主要是通过虚拟驱动技术完成，虚拟串口需要实现与硬件串口相同的参数接口[13]。最佳方法是修改硬件串口设备驱动程序，模拟硬件串口，但是虚拟串口驱动开发中不涉及硬件控制，只为建立虚拟串口设备对象、链接符号以及初始化数据结构[14]，并实现虚拟串口的数据与网络数据之间的相互转换。

TCP通信部分实现终端连接和数据通信，由于通信软件需要和多个气象装备终端之间通信，每个气象装备终端对应一个虚拟串口。为此创建多线程，每个虚拟串口对应TCP服务一个网络端口，实现应用软件与设备终端之间的数据透明传输。

软件启动后，首先读取已设置的参数，根据参数要求创建多个虚拟串口，再根据虚拟串口绑定对应TCP服务网络端口。当有通信终端连接时，软件会响应连接，并建立一条透明传输通道[15]，满足气象装备与应用软件之间的通信。

3 测试和应用

在气象装备实训平台设计完成后，搭建了硬件和开发软件系统，并进行了测试和应用。

3.1平台测试

平台测试主要测试通信系统能否达到设计需求，满足各个气象装备到应用软件的通信。打开通信软件，界面如图6所示。

图6 上位机通信软件界面Fig.6 PC communication software interface

1)功能测试

软件首先根据设定参数创建虚拟串口和网络通信监听端口，当对终端设备上电后，设备陆续连接上通信软件。经测试通信正常。应用软件显示如图7所示。

图7 应用软件测试显示图Fig.7 Application test display diagram

2)性能测试

在测试过程中，逐个增加气象设备通信传输个数，最多增加到8个设备，平台仍正常工作并能快速完成气象设备与气象应用软件之间的数据传输。由于Wi-Fi的通信速率远高于串口通信速率，所以实际数据传输中未出现卡顿、延长等现象。使用5台气象设备与通信软件连续测试，气象设备每分钟传输一组数据，连续测试7天，总数据量为50 400组，软件接收数据为50 400组，未出现数据丢失现象，平台功能达到设计要求，性能稳定。

3.2平台应用

将实训平台投入实际应用，其功能和性能都满足了业务需求。在实训操作中可以保障实训人员方便地练习各类设备器件的拆装和维护维修。同时由于可移动和无线设计，实训人员可以便捷地移动整个平台，非常灵活、方便。

本实训平台设计在功能、性能及稳定性等方面都达到了预计目标，满足了实训需求，极大地提高了实训效率。

4 结 论

本实训平台设计采用Wi-Fi技术和虚拟串口技术，搭建了硬件和软件系统，硬件部分采用ESP8266模块完成通信模块的通信接口和供电电压转换，计算机通信软件采用TCP服务端模式，气象设备端Wi-Fi通信模块使用TCP客户端模式，由Wi-Fi通信连接计算机TCP通信端口，实现数据链路的建立，形成一条透明传输通道，以满足气象装备与应用软件之间的通信。本设计实现了多类气象装备集中实训的功能，整体布线简洁、扩展灵活、性能稳定。经性能测试和应用，总体效果理想，达到了设计之初的要求。

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Design of training platform of meteorological equipment based on Wi-Fi technology

YAO Luntao1， JIN Long1， MAO Fei1， ZHU Genghua1， PENG Xiangyu2

(1.Hebei Provincial Meteorological Technical Equipment Center，Shijiazhuang, Hebei 050021, China；2.Hebei Provincial Meteorological Disaster Prevention Center，Shijiazhuang, Hebei 050021, China)

In order to realize the convenient and efficient training of meteorological equipment support personnel, a mobile training platform of meteorological equipment based on Wi-Fi technology is designed by using wireless communication technology. The system converts the serial protocol data of meteorological equipment into network protocol data through the wireless communication module, then uses Wi-Fi wireless technology to transfer data to the computer side. Finally, the protocol data is converted to serial protocol data in the computer side of the network, and the data is sent to meteorological application software through the virtual serial port. As a result, a wireless and transparent transmission link is established between meteorological equipment and meteorological application software. Not only the wiring complexity is reduced, but also the flexibility of expansion is enhanced. The training platform adopts the centralized design of mobile, wireless communication and meteorological equipment to solve the problems of many types of equipment and complicated wiring in the training of meteorological equipment, and provides a standardized training environment for technical equipment training of meteorological equipment. In the actual training of municipal technical support personnel, it is verified that practical training platform has some practicality in actual operation, which can effectively improve the training efficiency. The design of the training platform offers a new approach to the training of meteorological equipment support personnel.

wireless communication technology; Wi-Fi; meteorological equipment; training platform; virtual serial port

1008-1534(2017)06-0465-06

TP393.03

A

10.7535/hbgykj.2017yx06013

2017-09-09;

2017-10-19；责任编辑：张 军

河北省科技支撑计划项目(16273705D)

幺伦韬(1979—)，男，高级工程师，硕士，主要从事数据采集和数据通信方面的研究。

E-mail:yaoluntao@139.com

幺伦韬，金 龙，毛 飞，等.基于Wi-Fi技术的气象装备实训平台设计 [J].河北工业科技,2017,34(6):465-470.

YAO Luntao，JIN Long，MAO Fei,et al. Design of training platform of meteorological equipment based on Wi-Fi technology[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology,2017,34(6):465-470.