（大气物理学与大气环境专业论文）智能化气象传感器及数据采集系统.pdf

智能化气象传感器及数据采集系统 专业：大气物理学与大气环境 硕士生：包粲 指导老师：鲍若峪 摘要 本文采用最新的超低功耗m s p 4 3 0 系列单片机对原有的数据采集系统和传 统气象传感器进行改造和升级。通过使用单片机嵌入到传统传感器中，完成数据 采集、处理和通讯工作，完成传统传感器的智能化数字输出。 传统非智能传感器输出信号分为数字信号和模拟信号两种，为实现嵌入式的 智能传感器，本文选用风杯风速计和风向标描述数字信号传感器的智能化过程， 而模拟信号传感器的智能化则选用传统短波总辐射表。 采用低功耗系列的单片机作为处理核心，实现单站数据采集模块的功能。提 出采用4 8 5 总线方式，将各个智能传感器和单站数据采集模块组成“气象采集网 络 即单站数据采集系统，以达到简化布线，增强仪器互换性，降低维修维护成 本的目的。最后将各个单站数据采集系统通过g p r s 的通讯方式与数据中心进行 数据通信。 经过实验证明，此套数据采集系统的设计结构适用于气象、水文、环境等研 究领域的野外仪器采集数据，并具有低功耗、低成本、低维护等优点。 关键词：大气探测，自动气象站，智能化传感器，m s p 4 3 0 i n t e l l i g e n t i z em e t e o r o l o g i c a ls e n s o ra n d d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m m a j o r ：a t m o s p h e r i cp h y s i c sa n da t m o s p h e r i ce n v i r o n m e n t n a m e ：b a os h e n d i r e c t e db yp r o f e s s o r ：b a or u o y u a b s t r a c t w et r a n s f o r m e da n du p g r a d e dt h eo r i g i n a ld a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mb a s e do nt h e l a t e s tu l t r a - l o wp o w e rm s p 4 3 0s e r i e sm i c r o p r o c e s s o rc o n t r o lu n i t ( m c u ) b yu s i n g t h el o wp o w e rs e r i e sm c ue m b e d d e di nt h et r a d i t i o n a lm e t e o r o l o g i c a ls e n s o r s ，w e c o m p l e t e dt h ed a t aa c q u i s i t i o n , p r o c e s s i n ga n dc o m m u n i c a t i o n si nt h et r a d i t i o n a l s e n s o r sa n df i n a l l yr e a l i z e di n t e l l i g e n t i z e da n dd i g i t a lo u t p u t t h eo u t p u ts i g n a l so ft r a d i t i o n a ln o n - s m a r t s e n s o ri n c l u d ed i g i t a ls i g n a la n d a n a l o gs i g n a l f o ri l l u s t r a t e dt h ep r o c e s so fi n t e l l i g e n t i z e ds e n s o r s ，w ec h o s ed i g i t a l a n e m o m e t e ra n dw i n dv a n et od e s c r i b et h ei n t e l l i g e n t i z i n gp r o c e s so ft h ed i g i t a l s i g n a ls e n s o r s ，w h i l et h es h o r t - w a v er a d i a cw a su s e di ni n t e l l i g e n t i z i n ga n a l o gs i g n a l s e a s o l s w ed e s i g n e dt h es i n g l ed a t aa c q u i s i t i o nm o d u l eb a s e do nt h em s p 4 3 0m c u b y a d o p t i n gt h er s - 4 8 5b u sm o d e ，w el i n k e dv a r i o u ss m a r ts e n s o r sa n ds i n g l e - s t a t i o n d a t aa c q u i s i t i o nm o d u l et o g e t h e rt of o r m ”m e t e o r o l o g i c a la c q u i s i t i o nn e t w o r k ”，t h a ti s ， t h es i n g l e s t a t i o nd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ，w h i c hr e a c h e dt h ep u r p o s eo fs i m p l i f y i n g w i r i n g , e n h a n c i n gt h ei n t e r o p e r a b i l i t yo fe q u i p m e n t sa n dr e d u c i n gt h e c o s to f m a i n t e n a n c e f i n a l l y , a l ls i n g l e - s t a t i o nd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m sc o m m u n i c a t e dw i m d a t ac e n t e rt h r o u g ht h eg p r sn e t w o r k i i i t sp r o v e dt h a tt h ef r a m e w o r ko ft h i ss e to fd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mi sa p p l i c a b l e t of i e l d si nm e t e o r o l o g i c a l ，h y d r o l o g i c a la n de n v i r o n m e n t a lr e s e a r c h ；a n dt h es y s t e m a l s oh a st h ea d v a n t a g e so fl o w p o w e r , l o w c o s t ，l o wm a i n t e n a n c e ，a n ds oo n k e yw o r d s ：a t m o s p h e r i cd e t e c t i o n ，a u t o m a t i cw e a t h e rs t a t i o n ，i n t e l l i g e n t i z e s e n s o r , m s p 4 3 0 i i i 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期：洲年d 月莎日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆、院系资料室被查阅，有权将学位论文的内容编入 有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其他方法保存学位论文。 学位论文作者签名：龟壤 新虢始给 日期：一纵矽年侈月参日 智能化气象传感器及数据采集系统 1 1 背景 第一章概述 测量地面气象要素的标志性仪器出现于1 6 4 3 年，意大利人托里斯发明了水 银气压表。在气压表出现后，一系列测量地面气象要素的仪器开始应用，例如液 体玻璃温度表、雨量器、毛发湿度表、风杯风速计以及黑白球日射表等【1 1 。气象 传感器的出现使得人类可以准确的获取大气环境中各个要素的变化，对人类研究 天气原理、变化以及人类与天气的相互作用提供了宝贵的资料。 大气探测按其探测原理可以分为直接探测和遥感探测【2 】，地面气象要素的探 测仪器绝大多数采用直接探测原理。放置大气环境中的测量原件因受大气的某些 要素直接作用，其物理或化学性质会发生相应的变化，直接探测就是通过测量这 些变化而达到探测大气要素的目的。如温湿度传感器、风杯风速风向计、气压传 感器等。遥感探测是根据声、光、电等信号在大气中传播因受空气介质存在的影 响发生性质的变化，通过对这些信号的反演得出气象要素的值。如散射式能见度 仪，是利用光波在大气中粒子的散射原理而确定当时的大气消光系数，从而计算 出能见度值的。经典的气象仪表往往是为了实现对大气中单一要素的测量而进行 设计的，一般包括感应元件、信号放大处理和数据指示部分。长期以来，人们都 在努力寻求解决气象数据的自动观测和记录的方法，各种机械式、电子式的气象 记录仪器出现在不同历史时期。由于气象观测的全天候、连续野外观测的严酷条 件，发展尤为艰难。直到上世纪八十年代，由于计算机的发展，大量应用计算机 技术解决了自动观测、记录的发展问题。 智能化气象传感器及数据采集系统 图1 1 传统自动气象数据采集系统 目前大量使用的经典的数据采集系统，一般是以一个以微型计算机为核心的 数据采集器作为中心，将各种输出信号的传感器以引线方式接入到采集器中，由 数据采集器进行转换采集处理( 如图1 1 ) ，由此可见，对于大型的自动气象监测， 使用这种方式进行数据采集使得自动气象站在布线上非常复杂，而且对数据采集 模块的要求很高，数据采集模块不但要提供足够的采集端口，而且需要将传感器 采集的各种信号( 数字量和模拟量) 集中处理，加重了数据采集模块的负荷，也加 大了开发数据采集系统的难度。一旦需要增加几套新传感器，可能会造成数据采 集模块资源不足，而需重新开发新的采集系统。 近几十年来，随着计算机的迅猛发展，仪表的采集、通讯、处理技术得到迅 速发展，正朝着高速、智能化的方向迈进。智能化气象传感器应运而生，基于单 片机技术的智能化传感器将传感器采集到的模拟或数字信号进行处理、计算，将 结果以数字式的方式进行传输。智能化传感器的出现使得系统集成化程度更高， 减少数据采集系统的负担，增强仪器的互换性。由于单片机的技术高性能、小型 化，可以嵌入到传感器中实现智能化，使得普及智能化传感器成为可能，我们相 信将传统仪器智能化能以较低的成本组建数字化的数据采集系统，可以推动智能 智能化气象传感器及数据采集系统 化传感器的发展和数字式数据采集系统的发展。 1 2 国内外研究进展 在大气探测中，各种新的传感器随着技术的发展不断推出，很多高端的相对 复杂的气象仪器已经实现智能化，如能见度仪，气压传感器都可以实现r s 4 8 5 或r s 2 3 2 的数字信号输出。国际知名厂商v a i s m a 在气压、能见度探测方面都有 比较成熟的产品推出，由于智能化传感器通用性好，使得这类智能化传感器大有 取代模拟量输出的传统传感器的趋势。 在野外采集的自动气象站中，作为数据采集模块核心的m c u ，普遍采用廉 价的5 l 系列的单片机，这类数据采集模块的功耗较高。1 6 位m s p 4 3 0 超低功耗 单片机主要应用领域为手持设备，将其应用于野外自动站数据采集的案例并不 多，主要是高校的一些研究项目m 】。而对于总线式的野外自动气象站的研究未 见报道。 现场总线是指应用在生产最底层的一种总线型拓扑网络，它是现场控制系统 与受控节点串行连接的通信网络。它作为智能设备的联接枢纽，把作为网络节点 的智能设备联接成网络系统，以实现系统的自动化控制。c a n ( c o n t r o l l e ra r e a n e t w o r k ) 总线是近2 0 年来发展迅速的一种现场总线技术，它是具有国际标准的 现场总线，采用多主方式工作【3 1 。要实现该技术，需要c a n 专用器件的硬件支 持，其中包括c a n 控制器和收发器。目前该总线技术已广泛应用与汽车控制领 域，在其他控制领域的应用还有待进一步探索实践。在楼宇控制、汽车控制和工 业控制领域基于r s - 4 8 5 总线控制方案已经相当成熟，对于小型的气象观测系统 而言，我们更愿意采用基于r s - 4 8 5 的总线控制方案，制定相应通信协议，使其 具有更高的性能价格比。而如何将其应用与野外控制系统，抗干扰问题就显得尤 为重要。近年来各种带隔离的信号、电源集成模块不断推出，使得这一方案的实 现成为可能。 智能化气象传感器及数据采集系统 1 3 论文研究内容及意义 在大量工程建设、核电气象服务和科研课题中，在大量野外气象数据采集实 践中，我们总结了传统气象数据采集系统的不足，提出了总线式气象数据采集系 统的设想。即将单片机嵌入到传统传感器中做前端处理，实现统一的、智能化的 数字式输出，再通过r s - - 4 8 5 总线实现和制定的通讯协议实现与数据采集模块 现场通讯。 图l - 2 总线式自动气象数据采集系统 如图1 2 所示，基于r s 4 8 5 的总线式自动气象数据采集系统由一条数据总 线将各个智能传感器和数据采集模块联接起来，相对于传统的自动气象站，总线 式自动气象数据采集系统在布线上有着明显的优势，特别对安装在高塔上的设 备，不仅节约了传输导线的成本，更重要的是减轻了工作人员在安装或维护电缆 过程中的工作量，此外，采用总线式的通讯方式还可以提高通讯质量和效率，减 轻数据采集模块的工作量等。 总线式的自动气象数据采集系统需要采用统一标准的智能化传感器。考虑到 智能化气象传感器及数据采集系统 单片机性能价格比高，体积小，完全可以将其嵌入到传感器中以实现传感器的智 能化。而将单片机嵌入到传感器端进行前端处理，还需要考虑的一大问题是防止 雷电的干扰，合理的硬件设计才能保障系统的稳定运行。 为了实现现场的数据通讯，需要制定统一的通讯标准。通讯协议是实现现场 通讯的前提，而在国内气象自动数据采集系统中，并没有统一的通讯标准，因此 制定合理、高效的通讯协议是本文需要解决的实际问题。 对野外数据采集系统而言，功耗成为设计者必须考虑的问题。如果整体功耗 较大，则需要使用大量成本来保证其稳定有效地运行，如铺设安装交流电源或采 用较大面积的太阳能电池板，使用大容量的蓄电池等。然而在实际应用中，功耗 大的数据采集系统始终无法满意地完成野外数据采集任务，因此降低整体设备的 功耗成为今后野外数据采集系统的一个重要发展方向。 根据功能实现上的不同，本文将整个气象数据采集系统包括传感器部分，单 站数据采集模块，远程数据采集中心三大部分。传感器和单站数据采集模块主要 解决的是当地气象要素的采集、传输与存储的问题。远程数据采集中心主要是通 过g p r s 技术负责远程监控与收集各个单站数据采集模块的采集数据。 为解决野外恶劣环境和电源供电的问题，综合考虑单片机处理速度和功耗的 问题，本系统采用微控界最低功耗的m s p 4 3 0 系列1 6 位单片机作为智能化传感 器和数据采集模块的核心，结合g p r s 远程传输技术，搭建一个低成本、低功耗、 高性能、高效率的分布式野外自动数据采集平台。 第一章介绍本文的研究背景，结合国内外的研究进展和研究方向，提出本 文研究的内容和意义。 第二章本文数据采集系统的总体设计，将系统划分为智能化传感器，单站 数据采集模块和远程数据中心三个部分，对处理器选型并选择系统的通讯方式。 第三章对原有的传统传感器进行智能化设计，按传感器输出信号的不同选 择风向风速传感器和总辐射表进行智能化设计与实现。 第四章单站数据采集模块的设计与实现，包括外围硬件电路的设计和 m s p 4 3 0 单片机各个功能模块的配置和编程。 第五章数据采集中心实时监控、管理功能的实现。 第六章主要解决智能化传感器，单站数据采集模块和远程数据中心三大部 智能化气象传感器及数据采集系统 分间的通讯问题，包括通讯协议的制定，设备、模块的选择和设置，线路的设计。 第七章系统的电磁兼容性设计与实现，包括电源及现场通讯的防干扰设计。 第八章对数据采集系统运行情况的综述，指出不足并展望下步工作。 智能化气象传感器及数据采集系统 第二章系统总体设计 2 1 系统总体设计框架 本文设计的气象数据采集系统包括智能化传感器部分，单站数据采集模块和 远程数据中心三大部分。为了实现上述三大部分的数据通讯，还需要制定相关的 通讯协议，包括智能化传感器和多主数据采集模块间的通讯协议以及单站数据采 集模块和远程数据中心间的通讯协议。硬件上，数据采集模块与智能化传感器以 节点方式挂接到r s - 4 8 5 总线上；数据采集模块通过d t u 设备连接到g p r s 网， 再通过物理线路连接到数据中心，如图2 1 所示。 图2 1 数据采集系统总体设计 传感器智能化采用的是将单片机和4 8 5 收发模块嵌入到传统气象传感器中 智能化气象传感器及数据采集系统 的方法，借助单片机的处理能力，定时将传感器采集到的信号进行计算、转换及 存储，并控制r s 4 8 5 收发器以响应单站数据采集模块的命令。 数据采集模块以单片机为核心，负责定时采集各个智能传感器的资料，以 一定的格式存储到本地存储设备，并定时向远程的数据采集中心传送实时气象资 料，同时还要响应键盘控制模块的操作及l c d 显示模块的工作。数据采集模块 与各个智能传感器组成单站的数据采集系统。 采 集 重 站 诊诊 图2 - 2 分布式数据采集系统结构示意图 l 圈l 崖些魁蕊 数据中心 为了实现分布式的气象数据自动监测网络( 如图2 2 所示) ，应用到实际工作 中，本文提出数据中心的概念。数据中心是一个负责将各个单站数据采集系统采 集到的数据进行统一管理的网络上的节点。单站的数据采集系统通过g p r s 设备 与远程数据采集中心进行连接，数据采集中心可以实时监控各地数据采集系统的 情况，其中包括浏览当地实时的采集数据，单站系统的运行情况( 供电是否正常， 传感器工作是否正常等) ，回调过去数据等功能。同时，分别对各个站的数据进 行存储，方便日后查询和进行数据处理。 2 2 核心处理器m s p 4 3 0 系列超低功耗单片机 传感器智能化和数据采集模块的设计都要用到单片机进行数据处理，因此， 对单片机的选型将决定系统的性能和成本。在对系统设计进行定位后，综合考虑 处理速度、功耗、集成功能等要素，我们选择t i 公司生产的m s p 4 3 0 系列处理 智能化气象传感器及数据采集系统 器作为智能化传感器和数据采集系统的处理核心。 2 2 1m s p 4 3 0 系列单片机简介 m s p 4 3 0 系列单片机是美国德州仪器( t i ) 推出的一款1 6 位超低功耗混合 信号处理器( m i x e ds i g n a lp r o c e s s o r ) 。该系列的单片机具有业界最低功耗、丰富 的片内外设和方便的开发手段等特点，使其在手持设备和低功耗系统领域具有强 大的优势。 m s p 4 3 0 系列单片机得以迅速发展，主要取决于以下特点。 在运算速度方面，m s p 4 3 0 系列单片机是一个1 6 位的单片机，采用了精简 指令集( r i s c ) ，内核指令只有2 7 条，具有高效的查表处理指令，在8 m h z 晶 体驱动下，实现1 2 5 n s 的指令周期，运行效率非常高。 功耗方面，m s p 4 3 0 系列单片机的电源电压采用的是1 8 3 6 v 电压，在 1 m h z 的时钟下运行时，芯片的电流在2 0 0 - 4 0 0 9 a 左右。而0 8 年发布的 m s p 4 3 0 f 5 4 3 8 在功耗方面进一步降低，官方提供的数据如表2 1 所示，在1 2 m 时钟下，m s p 4 3 0 f 5 4 3 8 在1 4 v 的核心电压时功耗低至1 5 1 p a m h z ，而总电流 也 = 1 ) g r a d a = a ； a 作为临时变量，通过逐步右移，将高位的格雷码与低一位的格雷码进行异 或运算，实现格雷码的转换。 风杯风速计的原理是：风杯由3 个半球形或抛物锥形的空心杯壳组成，固定 在互成1 2 0 0 的底座上，在稳定风力作用下，风杯受到扭力矩作用而开始转动， 而转速与风速成一定的关系，通过风洞的标定，可以找到这种关系。转速的测量 原理比较多，有光电式，磁感式等。z d q w s 型风速计采用的是光电式的测速原 理，即采用光电原理将转速转化成频率输出。其风洞标定的关系式为： w s = o 17 4 414 + 0 0 4 0 9 5 9 8 m ( 3 2 ) w s 为实际风速m s ，o 1 7 4 4 1 4 是一个与风杯物理结构有关的常数，m 为5 秒钟记录的脉冲数。 对于传感器信号的智能化处理，由于所选用的风向传感器有8 根信号线输 出，可以方便地与单片机地一组i 0 口进行连接。在本系统设计中，信号线经过 电平转换电路后输入到m s p 4 3 0 的p 4 肚7 口，以实现8 位信号同步采集。而风 杯风速传感器只有一根信号输出线，为了计算其输出频率，将其进行电平转换后 连接到p 1 2 ，即定时器a 的外部信号输入端t a l 。物理连接图见图3 3 。 智能化气象传感器及数据采集系统 w do 1 2 3 4 5 6 7 w s 图3 3 硬件连接图 对风向风速信号的测量，主要利用单片机内计数器的比较捕获功能。软件 实现步骤如下：c c r 0 中断1 秒钟发生一次，每秒钟进行风向风速信号的读入与 计算。由于风速信号是频率信号，因此要用到c c r l 捕获比较寄存器对脉冲进 行计数。因此，在t a 的初始化程序中因包含两部分，一个是利用c c r 0 做1 秒 种的定时，另外一个是依靠c c r l 的捕获比较功能测量风速计的频率。 v o i d “t _ t a o p 1 s e l l = b i t 2 ；p 1 2 ( t a l ) 捕获模块功能的输入端输入方波 t a c c t l ll = c c i so ；捕获源为c c i o a t a c c t l l = c m 下降沿捕获，同步捕获，工作在捕获模式2+scs+cap； t a c c t l l l = c c i e ； 允许捕获比较模块提出中断请求 t a c t l l 2t a s s e l _ 1 + m 3 ； t a c c t l o i = c c i e ； t a c c r 0 = 8 1 9 2 一l ； t a c t l = m c 1 ； t a c t l i = t a c l r ； ) a c l k 4 分频 定时为1 秒 定时器清零 智能化气象传感器及数据采集系统 为了实现1 秒钟的定时采集功能，将a c l k ( 3 2 7 6 8 h z ) 进行4 分频作为t a 的时钟源，采用增计数模式，利用定时器a 模块中的c c r 0 捕获比较寄存器的 值与定时器a 的值进行比较，计数器从0 计数到8 1 9 1 时产生一次中断。而风速 计每输出一个脉冲，c c r l 捕获到其下降沿后，产生一次中断，并将脉冲数进行 累加。主要的中断程序框图见图3 4 。 图3 4t a 中断程序 在测量风向风速信号中，所用到的t a 中断源分为c c r 0 和c c r l 中断，其 中，c c r 0 中断程序如下，实现一秒钟的定时： # p r a g m av e c t o r = t i m e r a q ) e c t o r _ _ i n t e r r u p tv o i dt i m e r a 0 ( v o i d ) u n s i g n e di n tw d ； f l o a tw s ； w d - - r e a d w d o ； 调用采集风向函数 w s - - r e a d w s ( ) ； 调用采集风速函数 w d l m i n c o u n t - - w d ； m i n c o u n t 为1 分钟的计数标志 w s 1 m i n c o u n t - - - w s ； w i n d li = o清空风速频率计数 智能化气象传感器及数据采集系统 i f ( m i n c o u n t 忙5 9 ) 计数到5 9 做一次分钟平均 a v g d s 0 ；计算1 分钟平均风速和风向，返回对应值w d 2 ，w s 2 。 m i n c o u n t = - 0 ； ) ) 利用t a 的c c r l 捕获比较寄存器对风速计输出频率进行计数。声明静态变 量w i n d li 用于计算每秒钟风速计输出的频率，并在每秒后清零。实验证明，t a 采用8 1 9 2 h z 时钟源，对8 0 0 0 h z 以下频率的测量，准确率可以达至l j + l h z 。中断 程序如下： - c c r l 中断，用于记录脉冲数。 # p r a g m av e c t o r = t i m e r a l v e c t o r _ _ _ i n t e r r u p tv o i dt i m e r a l ( v o i d ) s w i t c h ( t a w ) c a s e2 ：c c r l 中断 w i n d l _ i + = l ； 记录脉冲数。 b r e a k ； e a s e4 ：b r e a k ； c a s e1 0 ：b r e a k ； ) ) 在c c r 0 中断程序中，调用到3 个子程序r e a d w d 0 、r e a d w s o 和 a v g d s o ；r e a d w d o 为采集风向信号子程序，操作步骤为：先将p 4 i o 口输出高电 平，再设置读入方向，将读入的8 格雷码按照前面的转换算法转为二进制码( 单 片机进行运算后的结果为1 0 进制形式) 。r e a d w s o 为采集风速的子函数，将5 秒 智能化气象传感器及数据采集系统 采集到的频率代入( 3 2 ) 风速计算公式，求出风速值并返回函数值；a v g o s o 为计 算1 分钟平均风向、风速的子程序，需要指出的是由于所测量的风要素是个矢量， 在进行平均时不能对风向和风速分别进行平均求和，而需要采用矢量运算的方法 进行求解。 w = 善哪】o s ( 肋 f 】) ( 3 - 3 ) 5 9 掀= w s i * s i n ( w d i ) j 一 i = 0 w d 2 = a r c t a n ( w x w y ) 水1 8 0 x w s 2 = ： ( 3 4 ) ( 3 - 5 ) ( 3 - 6 ) 由公式( 3 3 ) 和( 3 - 4 ) 对风矢量在水平方向y 轴和x 轴方向上分别进行分解，再 根据( 3 - 5 ) 与( 3 6 ) 式再进行风向风速的求解。由于c 语言中，在进行三角函数运 算时，使用的单位是弧度，因此( 3 5 ) 式中将其转换成角度。 智能化传感器与单站数据采集模块间的通讯部分由于涉及到通讯协议的问 题，将统一放到第六章：通讯协议制定与通讯实现当中完成。 3 3 总辐射表智能化 在自动气象站中，普遍采用的总辐射表就是一种输出模拟信号的传感器。标 准总辐射表采用热电效应原理，感应元件表面涂有高吸收率的黑色涂层。热接点 在感应原件面上，冷接点则位于机体内，冷热接点间产生温差电势。总辐射表输 出模拟电压信号，在线性范围内，输出信号与太阳辐照度成正比。总辐射表大多 数采用层石英玻璃罩结构，是为了防止环境对其性能的影响。输出信号经过辐射 表厂家提供的标定公式( 3 7 ) 换算成当时的总辐射值。其中v o u t 为辐射表实际电 压输出，s 为辐射表的灵敏度。 智能化气象传感器及数据采集系统 r = v o u t s ( 3 7 ) 总辐射表的智能化硬件连接图见图3 5 。由于辐射表输出的电压为毫伏级，! 为了实现模拟信号的采样，首先需要把信号经过10 0 倍放大处理，再通过m s p 4 3 0 内置的1 2 位a d 模块对输入模拟量进行测量。此模块支持4 种转换模式：单通 道单次转换，序列通道单次转换，单通道多次转换和序列通道多次转换。本系统 中采用单通道多次转换模式，可以实现对单一通道的连续多次采样。 总辐射表放大电路 m s p 4 3 0 f 1 6 9 图3 - 5 智能化总辐射表硬件连接图 在本系统中，选择单通道多次转换模式。该模式实现对单一通道的多次采样 和转换，采样在e n c 上升沿之后，保持为l 时有效。在正常完成一次转换后， 转换结果存入指定的寄存器a d c l 2 m e m x 中，并置位相应的中断标志位。在该 模式下，完成一次转换后等待采样触发信号的上升沿到来，进行下一次采样。本 系统设置a d c l 2 使用采样定时器作为采样触发源，在完成1 0 0 次转换后取均值 作为采样的结果进行存储，作为前1 s 的采样值，再复位e n c 位。t a 定时器定 时时间间隔为1 s ，负责置位e n c 和a d c l 2 s c ，启动下一秒的转换。 以下函数分别实现a d c 模块的初始化功能。 i n i t a d c p 6 s e l i = 0 x 01 ； a d c l 2 c t l l = s h p + c o n s e q - 2 ； 采样信号源，采样模式 a d c l 2 m c t l 0 = s r e f 1 + i n c h _ 0 ； 参考电压选择，a o 通道 a d c l 2 i e = 0 x 0 1 ； 使能a d c l 2 i f g 0 a d c l 2 c t l 0 = s h t 0 2 + r e f 2 5 v + r e f o n + a d c l 2 0 n + m s c ； 配置a d c l 2 ) 2 5 智能化气象传感器及数据采集系统 t a 实现1 s 的定时同智能化风向风速传感器中设置的一样，在每次产生中断 时，将采样允许位e n c 和采样触发位a d c l 2 s c 分别置位，使a d c 模块进行采 样，转换。 a d c12 c t l o i = e n c ； a d c12 c t l 0 1 = a d c12 s c ； a d c l 2 中断函数负责读取转换结果及做采样平均值的计算。在完成1 0 0 次 采集后复位e n c 位，停止转换。t a 的下一次中断，将使能转换位和开始转换标 志分别置位，a d c 模块再进行下一次的采样。 图3 - 6 a d c l 2 中断程序 其中a d c 的中断程序框架如图3 - 6 所示。代码如下： # p r a g m av e c t o r = a d c ) e c t o r _ _ i n t e r r u p tv o i da d c 12 i s r ( v o i d ) t e m p n = a d c l 2 m e m 0 ； 读入转换结果 a d v + = 0 0 1 * t e m p n ； 计算平均值 i f ( t e m p i i + + 一9 9 ) t e m p i i = 0 ； a d c l 2 c t l 0 & = - 一e n c ； 停用a d c 模块 t e m p v = a d v * 2 5 4 0 9 5 ； 转换为电压值 智能化气象传感器及数据采集系统 i f ( t e m p i 0 ，则表示有数据接收，最 后调用d t ur e c e i v e d a t a 函数接收完整数据。 5 2 软件的主要模块 5 2 1 数据检验与存储 主程序用个t i m e r 控件定时2 0 0 m s 检测是否有新设备连接上数据中心或是否 有设备传输采集数据。在调用d t ur e c e i v e d a t a 函数后，主要工作在于数据完 整性的检验。在实际工作中，由于单次传输的数据量较大( 本系统中单次传输数 据为1 7 3 字节) ，数据包经过分包后到达数据中心服务器的时间存在一定的延迟， 智能化气象传感器及数据采集系统 因此，要设定一组静态变量，将分时到达的数据拼接成一次完整的数据。对于数 据的检验，采取简单的校验方式，即首先判断起始位的标志是否正确，其次数据 长度是否正确，最后判定中间指定标志位是否正确。在实际应用中，这种数据的 检验方式足以保证每次到的数据是否完整。由于网络结构的问题，并不是每次 d t u 传输的数据都能完整地传送到数据中心，为了确保总数据量的完整性，本 系统采用的是冗余发送的方式，即同一条数据重复发送3 次，实践证明，采用冗 余发送方式后，平均每天的数据获取率达到9 8 以上，此方法适用于数据量相 对较小的无线传输。 为了方便应用，每天的数据单独存放在饮t 文件中，为了方便管理，命名方 式推荐为： y y m m d d 设备名称”。 5 2 2 远程控制模块 数据中心对数据采集单站的远程控制功能包括： 1 )针对数据采集模块的控制命令，包括站点呼叫，时间同步，数据回调 等命令。这一部分操作基于数据中心和数据单站之间制定的通讯协议， 将在下章第二节中详细说明。 2 )远程配置d t u 指令。在某些情况下，需要更改数据中心p 地址和端 口号，以及更改d t u 设备名称时，如果不能提供远程更改功能，将会 使维护工作变得非常复杂。本系统采用的d t u 具有远程配置的功能， 并提供二次开发的函数库，因此方便嵌入数据中心的控制软件。如图 5 3 所示，是致远公司提供的d t u 二次开发技术支持文件中配置d t u 的流程图。 智能化气象传感器及数据采集系统 图5 - 3d t u 2 3 a 配置流程 在d t u 连接上数据中心后，可以通过使用函数d t ug e t n e w c o n n e c t e d c l i e n 来获取d t u 的客户端句柄。在获取到客户端句柄后，就可以对d t u 进行配置、 控制操作。以远程更改d t u 连接数据中心的i p 和端口为例，说明远程配置d t u 参数的过程。使用d t u函数进入 的远程配置状态，如果需要e n t e r c o n f i g d t u 获取d t u 的配置信息，可以调用d t uc o n f i g r e a d 对单个项目进行获取；如果 需要获取全部信息则调用d t ug e t a l l c o n f i g 函数，当其返回值为1 时，可以循 环调用d t ug e t c o n f i g 函数对所有配置信息进行读取。当需要更改数据中心p 为”2 0 2 1 1 6 7 0 1 0 0 ”和端口号为”8 0 ”两个项目时，d t uc o n f i g w r i t e ( d t u 句 柄, s v r i p , 2 0 2 1 1 6 7 0 1 0 0 ”) 和d t u _ c o n f i g w r i t e ( d t u 句柄, s v r p o r t , 8 0 ”) 。 智能化气象传感器及数据采集系统 5 3 应用 本文开发的数据巾心数据接收软件适用于任何基于g p r s 网络通讯的数据 采集系统，除了运用于本系统外，该软件还运行在广州、佛山能见度网络系统， 8 6 3 深圳海上阳园自动气象站，以及中山大学自动气象站等系统叶，实践证明， 该数据接收软件可以稳定有效地运行，满足实际工作要求。 圈54 佛山能见度系统数据中心软件 幽5 - 5 力动气象站数据中心软p ： 智能化气象传感器及数据采集系统 第六章通讯协议制定及通讯实现 6 1 智能化传感器与单站数据采集模块间通讯 6 1 1 通讯协议 传感器与单站数据采集模块之间采用r s 4 8 5 主从式方式通信，即智能传感 器在上电后处于监听状态，等待单站数据采集模块的通信命令。数据传输命令格 式为：c h y y x n d ，共7 个字。见表6 - 1 ： 表6 - 1 传感器与单站数据采集模块通讯报文格式 其中，c 、d 为报文的开始和结束标志。 h 为传感器所在的高度标志，定义0 为地面，l 为1 0 米，8 为8 0 米。 y y 为传感器类别，用两位数字表示。 表6 - 2 传感器类别对应符号 y y传感器类别 0 0风向 o l风速 0 2温度 0 3 湿度 0 4 气压 0 5雨量 0 6总辐射 智能化气象传感器及数据采集系统 0 7 净辐射 08能见度 x 为同类传感器编号，1 表示第1 套传感器，2 为第2 套传感器，依次类推。 方便区分同一高度安装两套同样的传感器。 n 为传感器输出数据方式选择，0 为输出瞬时值( 1 s ) ，l 为输出1 分钟平均值。 当数据采集模块发出命令后传感器应以c h y y x n f f d 回答，f f 为数据 段，根据不同的传感器类别，数据段的长度不同，具体参考附录a 。 6 1 2 硬件接口 在常规4 8 5 接口电路设计中，为了实现内外部电路的隔离，需要采用一个直 流电源隔离模块d c d c 、收发信号和控制信号3 路光耦隔离以及及一个r s 4 8 5 收发器。这样的设计体积较大，不利于嵌入设备。 图6 1r s - 4 8 5 接口电路 现选用致远公司的r s m 4 8 5 系列隔离收发模块r s m 3 4 8 5 c t ，它是集成电源 隔离、电气隔离、r s 4 8 5 收发器和总线保护于一体的集成模块，体积小，方便嵌 入用户设备。详细电气参数见表6 3 。 智能化气象传感器及数据采集系统 表r s m 3 4 8 5 c t 参数列表 输入电压+ 3 1 5 3 4 5 v 静态电流小于3 5 m a 发送电流小于1 0 0 m a 标准r s - - 4 8 5 接口，内置4 7 k 上拉电阻。e s d 保护c o n t a c t ： r s - - 4 8 5 总线接口 ：l ：4 k v ，a i t 士8 k v 。 总线驱动能力大于等于3 2 个节点 串行接口兼容+ 3 3 v 标准u a r t t x d 、r x d 引脚电流小于5 m a c o n 引脚电流小于5 m a 数据比特率 最大9 6 0 0 b p s 数据延时 0 & & r e c e i v e d _ p o i n t l e n _ d a t a - 2 ) d a t a b u f r e c e i v e d _ p o i n t 十十】- - b u r ； e l s ei f ( r e c e i v e d _ p o i n 卢l e n _ d a t a - 2 ) i f m f 一- d ) 结束标志 d a t a b u f r e c e i v e d _ _ p o i n t = b u f ； i f ( s t r c m p ( d a t a b u f , a d d ) 一- - - 0 ) d a t a r i g h t = l ； r e c e i v e d _ _ p o i n t = 0 ； ) 4 7 智能化气象传感器及数据采集系统 e l s e r e c e i v e d _ p o i n t - - o ； ) 6 2 单站与中心站间通讯 6 2 1 通讯协议 由于本系统是在原有传统自动气象站的基础上改进而设计的，为了使系统具 有更好的兼容性，传输的数据格式必须与原有自动气象站的数据格式兼容，详细 数据格式参考附录1 。 数据中心发往各个单站的通讯命令格式为：c c x x y y y a a f f d d 。 表6 _ 4 数据中心与单站的通讯报文格式 其中，c c 为报头，d d 为报尾，x x 为地方编号，y y y 为站点编号。 表6 5 从命令解释 a a响应命令 0 1呼叫 0 2 肯定回答 0 3否定回答 2 9校时 3 1回调实时数据 3 2回调前次数据 3 3 回调过时数据 智能化气象传感器及数据采集系统 a a 为响应命令：0 1 为呼叫，0 2 为肯定回答，0 3 为否定回答，2 9 为校准时 间，3 1 为回调实时数据，3 2 为调用前次时刻采样数据，3 3 为回调过时数据。 f f 段为响应命令数据段，本系统在单站的响应命令中，只有2 9 ( 校时) 和3 3 ( 回调数据) 两个命令带有此数据段，并严格规定长度为1 4 个字节。 ( 1 ) 呼叫命令 呼叫命令主要用于呼叫单站数据采集系统，判定通讯以及单站工作是否正 常。 呼叫命令的格式为：c c ) c 0 1 d d 。 单站接收到此命令后回答：c c x x y y y 0 2 d d ，表示本站工作正常。 单站接收到此命令后回答：c c x x y y y 0 3 d d ，表示本站存在传感器故障。 单站不响应此命令，此时