許樸　夏景明　羅闖來

摘要：該文通過分析邊界層氣象數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能需求，確定了通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，介紹了模塊的軟硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。該模塊以 AT89S52超低功耗單片機(jī)為核心，配合模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片 AD7656 以及兩級(jí)模擬開關(guān)等使系統(tǒng)能夠自動(dòng)識(shí)別氣象要素，并準(zhǔn)確測(cè)量，具有很高的靈活性以及準(zhǔn)確性。主要的測(cè)量要素包括溫度、濕度、氣壓等。采集到的數(shù)據(jù)及定位信息經(jīng)處理后通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)傳送到數(shù)據(jù)中心，通過相應(yīng)的應(yīng)用軟件來實(shí)現(xiàn)對(duì)氣象要素的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

關(guān)鍵詞：邊界層；氣象；監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2014）04-0862-02

大氣邊界層是地球表面與大氣交流的一個(gè)通道，其氣象要素的變化與地球表面的氣候改變有著重要關(guān)系，對(duì)了解整個(gè)大氣的運(yùn)動(dòng)和天氣演變有著重要作用。將本系統(tǒng)裝載到低空氣象探測(cè)儀上，即可實(shí)現(xiàn)邊界層自動(dòng)采集和實(shí)時(shí)處理。邊界層氣象數(shù)據(jù)采集模塊能滿足對(duì)邊界層實(shí)時(shí)溫度，濕度，壓力等氣象要素的實(shí)時(shí)檢測(cè)，有利于對(duì)低空大氣狀況的監(jiān)測(cè)以及對(duì)多變天氣的提醒。

1 系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)由邊界層通用氣象要素采集模塊、GPRS通信網(wǎng)絡(luò)、防火墻、數(shù)據(jù)處理中心、應(yīng)用服務(wù)器、客戶端組成。其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架圖設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

以AT89S52單片機(jī)為基礎(chǔ)，采用兩級(jí)模擬開關(guān)為核心的傳感器，配合上高速的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別傳感器輸出信號(hào)，利用通過RS-232 總線|I2C 串行總線交換數(shù)據(jù)、接收控制指令，由中控系統(tǒng)解析處理后，分別將接收到的氣象檢測(cè)數(shù)據(jù)以及定位模塊信息發(fā)送至通信模塊傳輸?shù)綉?yīng)用服務(wù)器，通過應(yīng)用程序中實(shí)現(xiàn)信息的可視化。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 主控模塊

主控模塊的主要功能是提供控制總線、輸入輸出總線、數(shù)據(jù)總線端口，同時(shí)具備數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與分析功能。邊界層遠(yuǎn)離地面，能量來源主要依靠太陽(yáng)能，所以低耗就顯得尤為重要，所以在主控模塊中，本系統(tǒng)選用的單片機(jī)是AT89S52，是一款低功耗、高性能CMOS8位微控制器，并8K容量的可編程Flash存儲(chǔ)器，相比于與傳統(tǒng)的51單片機(jī)更有超強(qiáng)的抗干擾能力。該系統(tǒng)中，單片機(jī)主要負(fù)責(zé)控制總線使用權(quán)的分配，對(duì)采集到的氣象數(shù)據(jù)、定位數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并通過I2C串行總線|RS232總線傳至通信模塊，以便發(fā)送回地面，完成氣象數(shù)據(jù)采集工作。

3.2 以傳感器為核心的采集模塊

邊界層通用氣象要素采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，既要考慮到經(jīng)典電路中所要求的準(zhǔn)確性，由于受高空條件的限制，在設(shè)計(jì)時(shí)還要盡量做到低功耗，所以在本系統(tǒng)中采用的通用式采集電路能夠一路多用，大大降低采集模塊的功耗。為滿足大陽(yáng)能供電的低耗的要求，本系統(tǒng)采用的通用式氣象要素采集方法，將自動(dòng)判別傳感器輸出信號(hào)的類型，繼而調(diào)整電路對(duì)應(yīng)信號(hào)的測(cè)量，為保證精度，需要軟件來支持判定信號(hào)類型（溫度、濕度、氣壓、風(fēng)向等）。

在本系統(tǒng)中，溫度、濕度、氣壓等氣象數(shù)據(jù)采用IC2總線來讀入，溫度傳感器采用DS18B20，其能夠適配各種單片機(jī)或系統(tǒng)機(jī)，測(cè)溫范圍為-55℃到+125℃，測(cè)量分辨率為0.0625℃ 。采用單總線專用技術(shù)，既可通過串行口線過其它I/O口線與，也可通微機(jī)接口。用戶可分別設(shè)定各路溫度的上、下限。濕度傳感器采用HS1101，互換性好，高可靠性，長(zhǎng)期穩(wěn)定性好，響應(yīng)快。精確度 ±1.5%，工作溫度范圍 -40～140℃，量程1～99%RH。壓力傳感器采用STP-TW，產(chǎn)品精度高，且功耗很低，有過電壓、反極性等多重保護(hù)，絕壓0—110pa，供電電源24v DC，工作溫度-40—80℃。系統(tǒng)中所選用的傳感器均能長(zhǎng)時(shí)間工作在大氣邊界層中，且保持精度，能有效、準(zhǔn)確測(cè)量溫度、濕度、壓強(qiáng)等氣象要素。

3.3 定位模塊通信模塊

定位模塊采用G591，定位準(zhǔn)確，小于3m，體積小，起動(dòng)時(shí)間短，接口采用TTL電平，靈敏度-163dBW（Tracking），供電電源2.7～4.2V，數(shù)據(jù)I/O接口9600bps（TXD，RXD）。定位模塊能有效的提供采集具體坐標(biāo)，明確所在邊界層的位置，方便進(jìn)行網(wǎng)格化的管理與數(shù)據(jù)分析，從而使用戶得到實(shí)時(shí)實(shí)地的氣象信息。

3.4 通信模塊

本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)的主要目的及時(shí)能夠向比較多的用戶能夠及時(shí)、準(zhǔn)確的了解到由邊界層的氣象狀況所推測(cè)出的天氣情況，所以我們選擇通過GPRS 與使用者進(jìn)行聯(lián)系。GPRS作為新型的傳輸方式，以封包的方式，無需使用整個(gè)通道，這就使使用者所需要的流量最少。并且GPRS的接入時(shí)間短，傳輸速率高，平均速率可達(dá)70Kbps，這為數(shù)據(jù)通信的適時(shí)性提供了保障。GPRS可以說是GSM的延續(xù)，所以其覆蓋范圍很大，可以滿足全球各地的數(shù)據(jù)使用要求。通過這種傳輸方式，邊界層處的氣象數(shù)據(jù)能穩(wěn)定、準(zhǔn)確的傳到上位機(jī)中，對(duì)于用戶獲取信息也比較直接，快捷。

3.5 電源模塊

由于邊界層處的條件限制，電源要給系統(tǒng)各個(gè)模塊供電，電源的設(shè)計(jì)就尤為重要，所以作為單元的模塊來設(shè)計(jì)?？紤]到高空太陽(yáng)能充足，可采用太陽(yáng)能電池供電方式。這種方式節(jié)能環(huán)保，且能長(zhǎng)時(shí)間使用，可降低產(chǎn)品回收的成本，但是也使低耗成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要考慮的重要因素。

4 邊界層通用氣象數(shù)據(jù)采集模塊軟件設(shè)計(jì)

邊界層通用氣象數(shù)據(jù)采集模塊軟件系統(tǒng)的主要任務(wù)：

1） 初始化系統(tǒng)各個(gè)模塊，識(shí)別各輸出輸入信號(hào)，判斷信號(hào)類型；

2） 控制采集模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)指令要求的氣象要素信息進(jìn)行采集；

3） 完成對(duì)各通道的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，配合硬件對(duì)采集到的氣象信息進(jìn)行計(jì)算、分析、存儲(chǔ)；

4） 實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各模塊的工作狀態(tài)的檢測(cè)并顯示；

5） 發(fā)送指令，實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用服務(wù)器的通信。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文以 AT89S52超低功耗單片機(jī)為核心，配合16位高速并行 A/D 轉(zhuǎn)換芯片 AD7656實(shí)現(xiàn)的氣象要素的自動(dòng)識(shí)別、信號(hào)的自動(dòng)采集和實(shí)時(shí)處理，利用I2C串行總線|RS232總線和GPRS網(wǎng)絡(luò)對(duì)氣象要素進(jìn)行采集，傳輸和自動(dòng)監(jiān)測(cè)。低耗的設(shè)計(jì)系統(tǒng)可使儀器長(zhǎng)時(shí)間工作于邊界層處，采集氣象數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理中心，通過相應(yīng)的軟件支持，實(shí)現(xiàn)對(duì)邊界層各處天氣情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)了解邊界層處的氣象狀況，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)氣象動(dòng)向，提醒用戶多變氣象的預(yù)防，降低突發(fā)氣象災(zāi)難給人類帶來的影響。

參考文獻(xiàn)：

[1] 徐偉，盛毅，行鴻彥.基于GPRS的氣象要素采集系統(tǒng)[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2009（12）.

[2] 王建佳 ，馬尚昌.通用氣象數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)[R].經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式轉(zhuǎn)變與自主創(chuàng)新——第十二屆中國(guó)科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)年會(huì)（第二卷），2010，1：5.

[3] 何立民.I2C.總線應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1995.

[4] 周靜艷.遠(yuǎn)程氣象監(jiān)測(cè)與質(zhì)量控制系統(tǒng)研究[D].南京：南京信息工程大學(xué)，2012.

[5] 譚鑒榮，林金田，楊用球.自動(dòng)氣象站GPRS控制設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].氣象水文海洋儀器，2008（4）：13.