探析智能气象站的数据采集和通信传输系统设计与实现

【摘要】为了更好地适应气象站传感设备动态接入的需求，可以基于MEMS传感器技术设计智能气象站的数据采集和通信传输系统，进行软硬件开发和设计，通过以太网通信协议，实现对温湿度、气压、风力、光照、雨量、空气指数等数据的采集和通信。

【关键词】智能气象站；传感器；数据采集；通信传输系统

一、智能气象站数据采集与通信传输原理分析

智能气象站基于MEMS传感器进行数据采集和传输，它主要包括网速风向传感器、气压传感器、温度湿度传感器、固定支架、风扇、通信线缆等部分，能够将采集的模拟数据转化为数字信号。其中，基于MEMS的路面采集器可以利用积水厚度传感器、温度检测传感器、冰点（盐度）传感器、路面状态传感器等模块，进行自补偿、自诊断计算和信息传输。智能气象站的GPRS无线通信基于GSM网络实现分组数据交换和传输，实现GSM系统的延展通信，在不固定占用无线信道的前提下，通过Um接口实现用户移动设备与GPRS网络的链接和通信，有效整合和利用信道资源。

二、智能气象站数据采集与通信传输系统的硬件设计

智能气象站数据采集与通信传输系统由数据采集、处理、传输三部分构成，在单片机、信号处理转换电路及MEMS传感器的支持下，实现数据采集、处理、换算等操作，并由主控系统实现数据信息的存储和远程传输。

主控系统的核心控制电路主要包括有以下部分：（1）GPRS模块。它主要采用RS232串口和LVTTL串口实现硬件流的控制，支持PAP密码验证协议、TCP/UDP通信和FTP/HTTP服务，实现对数据、短信、语音数据的传输。（2）网络模块。主控系统利用该模块实现与MEMS气象采集器的数据传输，内置串行外设接口ENC28J60芯片，实现对数据包的过滤和限制。同时，主控系统还利用内置的DMA模块，快速吞吐数据并进行IP校验和计算。（3）存储模块。该模块是借由SDIO接口实现对数据的读取、写入、存储等控制。（4）UART模块。该模块面向GPRS模块发送AT指令，设置系统相关参数，并对输出TTL电平进行转化，有效滤除电容器件中的高频噪声，实现GPRS无线网络的数据传输。（5）电源模块。该模块采用正电压输出的低压降三端线性稳压电路芯片，为主控系统提供稳定的电压。（6）时钟电路模块。该模块包括有高速内部时钟、高速外部时钟、低速内部时钟、低速外部时钟、锁相环倍频输出等时钟源。

三、智能氣象站数据采集与通信传输系统软件设计

（一）系统核心软件架构

1.Чc/OS-II操作系统

该系统中各个任务依据其优先级进行运行，是一个开源性、抢占式的内核，可以依据硬件信息进行修改和移植。其具体的层级结构为：上部为应用层，借由底层驱动支持实现对不同硬件的屏蔽和隔离操作，用户可以基于这个多任务平台编写应用程序。中间层则利用与硬件相关的代码进行系统裁剪和移植。最低层主要存储与处理器相关的函数及宏定义。

2.驱动层

智能气象站数据采集与通信传输系统主要采用SDIO接口驱动和SPI接口驱动的方式，对硬件进行访问。其中：SDIO接口驱动包括有AHB总线接口、SDIO适配器，AHB总线接口可以控制SDIO适配器模块中的寄存器，发送或中断DMA请求信号；SDIO适配器由寄存器单元、控制单元、命令通道、数据通道、数据FIFO所构成，可以产生时钟，传送指令和数据。

（二）应用层软件设计

1.数据采集软件

利用MEMS传感器采集温度、湿度、气压、风力、雨量等气象数据，基于以太网进行通信传输，并将模拟信号转化为数字信号，降低主控系统与数据采集单元的耦合性，使系统得以延展和适用。

2.数据存储软件

该软件部分主要包括有上层接口、逻辑层、数据处理层和底层接口，其中：上层接口主要提供给用户调用的函数；底层接口主要包括扇区的读写功能函数；逻辑层和数据处理层则是FATFS文件系统的实现部分。

3.命令处理软件

该单元模块主要是通过上位机发送命令，实时设置和获取智能气象站的ID号和IP地址。

4.通信系统软件

该软件单元采用工业级双频GSM/GPRS模块，激活移动台的PDP场景和PPP链路，通过上位机接收AT指令并进行网络连接，实现对数据的分析、显示、处理和存储。如：设置PDP上下文的命令；设置链接模式的命令等。

四、结语

综上所述，基于MEMS传感器的智能气象站数据采集和通信传输系统，可以通过网络实现气象数据的采集、传输、处理和存储，以STM32微处理器为智能气象站主控系统的核心，进行模块化的硬件设计和开发。同时，选取嵌入式实时操作系统进行智能气象站数据采集与通信传输系统的软件设计，体现出稳定可靠性高、可扩展性、功耗低的特点，未来还要加强对智能气象站数据采集与通信传输系统的网络优化和调试，并融入3G、4G网络，以较好地提升智能气象站数据传输的速率和质量。

参考文献

[1]王淑华.MEMS传感器现状及应用[J].微纳电子技术，2011（08）.

[2]肖磊，张娜.μC/OS-Ⅱ在stm32上的移植[J].可编程控制器与工厂自动化，2011（06）.

作者简介：郭继超（1989.08—），男，汉族，安徽滁州人，本科，助理工程师，研究方向：气象仪器与探测。