（微电子学与固体电子学专业论文）基于sep3203的气象数据采集系统.pdf

摘要 摘要 自动气象数据采集系统是一种能自动地观测和存储气象观测数据的设备，由电子设备或计算机 控制，通常有有线遥测自动气象采集系统和无线遥测气象采集系统两种形式。为解决有线传输的网 络布线、成本高、施工困难、不宜维护且受到场合限制等缺点，利用g p r s 无线通信技术的气象采集 系统已是必然趋势。 本文在基于自主研发的s e p 3 2 0 3 微处理器和a s i xo s 嵌入式操作系统的平台上，设计并实现了自 动气象采集系统的软、硬件设计方案。分析了g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 网络的系统结构 和目前应用比较广泛的几种g p r s 基本组网方案，确定了本文所采用的g p r s 内网联网方式；介绍了 g p r s 网络的几种协议；分析了气象信息自动采集系统的原理，给出了气象数据采集系统的系统方案。 在基于s e p 3 2 0 3 微处理器的硬件平台上从信息采集、信息处理和存储、信息传输和电源管理模块四 个方面给出了系统硬件设计方案，并对各个组成模块进行了选型；基于a s i xo s 嵌入式操作系统给 出了系统软件设计方案，详细阐述了g p r s 无线通讯协议的实现，建立了p p p ( p o i n t - t o p o i n tp r o t o c 0 1 ) 数据链路、提供了网络安全以及协商了链路上传输的数据包的格式和类型及实现了t c p i p ( t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o l i n t e m e tp r o t o c 0 1 ) 协议。最后，将气象数据采集系统放于户外，进行 了数据采集的功能测试。 实验结果表明，本文实现了p p p 协议功能，能够进行无线连接。自动气象采集系统工作正常， 能收发并存储数据，g p r s 通信实时可靠。因此，气象数据采集系统是可行的，工作稳定性好，达 到了实用要求。 关键字：气象采集，g p r s ，p p p ，t c p i p a b s t r a c t a b s t r a c t m e t e o r o l o g i c a ld a t ac o l l e c t i o ns y s t e mi s a l le q u i p m e n tw h i c hc a l lo b s e r v ea n ds t o r em e t e o r o l o g i c a l d a t aa u t o m a t i c a l l y ，a n di t sc o n t r o l l e db ye l e c t r o n i ce q u i p m e n to rc o m p u t e r t h e r ea r et w of o r m so fd a t a a c q u i s i t i o n ：a u t o m a t i cm e t e o r o l o g i c a l d a t a a c q u i s i t i o ns y s t e m sa n dw i r e l e s so n e s t or e s o l v et h e s h o r t c o m i n g ss u c ha sc a b l et r a n s m i s s i o nn e t w o r kc a b l i n g , h i g hc o s t , c o n s t r u c t i o nd i f f i c u l t i e s ，m a i n t e n a n c e r e s t r i c t i o n sa n ds oo n , t h et l $ eo fg p r sw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yo fm e t e o r o l o g i c a ld a t a a c q u i s i t i o nh a sb e c o m et h ec e r t a i n l yt e n d e n c y i nt h i sp a p e r , b a s e do nt h es e p 3 2 0 3m i c r o p r o c e s s o ra n da s i xo se m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m p l a t f o r m , w ed e s i g na n dr e a l i z et h ei m p l e m e n t a t i o no fs o f t w a r ea n dh a r d w a r eo fa u t o m a t i cm e t e o r o l o g i c a l d a t aa c q u i s i t i o n w ea l s oa n a l y z et h eg p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) n e t w o r k sa n ds e v e r a ls y s t e m a r c h i t e c t u r e sw h i c h r ew i d e l y - u s e dn o w a d a y s ；i d e n t i f yt h eg p r sn e t w o r kw e v ea p p l i e di nt h i sp a p e r ； i n t r o d u c es e v e r a lp r o t o c o l so ft h eg p r sn e t w o r k s ；a n a l y z ea u t o m a t i cc o l l e c t i o no fm e t e o r o l o g i c a l i n f o r m a t i o ns y s t e mt h e o r y ，g i v et h em e t e o r o l o g i c a ld a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m so v e r a l ls c h e m e b a s e do nt h e s e p 3 2 0 3m i c r o p r o c e s s o rh a r d w a r ep l a t f o r m , w ed i s c u s st h ed e s i g no fh a r d w a r es c h e m ef r o mf o u r a s p e c t s ：t h ei n f o r m a t i o nc o l l e c t i o n , t h ei n f o r m a t i o np r o c e s s i o na n ds t o r a g e t h ei n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o na n d p o w e rm a n a g e m e n tm o d u l e s ，a sw e l la st h es e l e c t i o no fv a r i o u sc o m p o n e n t sm o d u l e ；w ed e s i g nt h es y s t e m s o f t w a r ep r o g r a mb a s e do na s o s - e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m ，w ed e s c r i b ei nd e t a i l st h ep r o t o c o l g p r sw i r e l e s si m p l e m e n t a t i o n , e s t a b l i s hap p p ( p o i l l t - t o 一- p o i n tp r o t o c 0 1 ) d a t a1 i n k , n e t w o r ks e c u r i t y a s w e l la sp r o v i d ec o n s u l t a t i o no ft h ef o r m a ta n dt y p eo nt h el i n kp a c k e tt r a n s m i s s i o n , a n di m p l e m e n t a t i o no f t h et c p i p ( t r a n s m i s s i o nc o n t r 0 1p r o t o c o l i n t e r n e tp r o t o c 0 1 ) p r o t o c o l s f i n a l l y ，w et e s tm e t e o r o l o g i c a l d a t ac o l l e c t i o ns y s t e m e x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h es u c c e s so ft h ei m p l e m e n t a t i o no ft h ep p pp r o t o c o la n dt h ew i r e l e s s c o n n e c t i o n a u t o m a t i cm e t e o r o l o g i c a ld a t ac o l l e c t i o ns y s t e mi sa b l et ow o r kp r o p e r l y s e n dr e c e i v ea n d s t o r ed a t ar e a l - t i m ea n dr e l i a b l y t h u st h eg p r sc o m m u n i c a t i o ni sar e l i a b l ea n ds t a b l e w em e e tt h eg o a lo f p r a c t i c a la p p l i c a t i o n k e y w o r d s ：m e t e o r o l o g i c a ld a t ac o l l e c t i o n , g p r s ，p 腿t c m p i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 进、。 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 第一章绪论 1 1 论文背景和意义 第一章绪论 气象与人们的生活息息相关，掌握和利用气象信息不仅可以预防灾害性天气带来的不利影响， 还会给社会和经济带来巨大效益。近年来，随着计算机、通信、网络技术、信息技术的飞速发展， 特别是当气象信息产业作为支柱产业发展时，与气象信息产业发展相配套的专业气象信息系统的建 设规模有待扩大，尽早确立建设新型专业气象信息系统的思路已迫在眉蒯1 l 。目前，国内主要依靠 人工观测来采集气象数据，观测时效慢、密度小，无法满足无缝隙预报服务的要求。尤其在戈壁、 沙漠、天山、沼泽等偏僻地区，人的生存就是个首要问题，建立有人值守的气象站是不现实的1 2 j 。 而自动气象站的建立，就可以解决这一难题。 自动气象站是一种能自动地观测和存储气象观测数据的设备，由电子设备或计算机控制，通常 有有线遥测自动气象站和无线遥测气象站两种形式。有线遥测自动气象站用有线通信电路传输，而 且目前多以有线传输方式为主。有线传输存在网络布线成本高、施工困难、不宜维护且受到场合限 制等缺点，尤其在人烟稀少的偏僻地区其弊端更加显著：随着通信技术的发展和日趋成熟，无线通 信技术被应用到气象站，使一些地区的气象数据采集不再困难1 3 j 。目前成熟的无线传输技术也很丰 富，例如g p r s ，c d m a ，g s m ，b i u e t o o t h 等，其中g p r s ( 通用无线分组业务) 显示出它独具的特点：1 、 永远在线，此特点适合实时性要求比较高的信息传输需求；2 、按量计费，在没有信息传输的时候不 计费，比使用g s m 方式经济。利用g p r s 无线通信技术在无人地区设置气象自动站，可以丰富气象数 据，填补无人地区的气象数据缺乏的空白。目前国内也有无线的自动气象站，但其存在许多不足之 处，主要存在三大主要缺陷【4 】：无线传输采用短信的方式，这样对于多站点，多时次的信息需求来 说，经济代价太大；采集的数据存于介质( 活动硬盘) ，需人员定时去取，影响信息的实时性，也带来 许多人力财力的投入；采集的数据存入计算机，通过计算机传输到远端计算机，对于无人、无气象 站的地区不可能采用。 嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m ) 是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适用 于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。它一般由嵌入式 微处理器，外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成，用于实现对其他 设备的控制、监视或管理等功能。嵌入式系统已普遍应用于国防电子、数字家庭、工业自动化、汽 车电子、医学科技、消费电子、无线通讯、电力系统等国民经济的主要行业。嵌入式计算机系统同 通用型计算机系统相比具有嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业 的具体应用相结合后的产物；嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余； 为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机本身中等 特点。 将嵌入式系统应用于气象站的研究也是计算机技术发展的必然趋势，主要利用了嵌入式微处理 器很强的存储区保护功能、低功耗以及对实时任务很强的处理能力。 本文是基于s e p 3 2 0 3 f 5 0 ( 以下简称s e p 3 2 0 3 ) 微处理器的硬件平台和a s i xo s 嵌入式操作系 统，设计并实现了气象信息自动采集系统的软硬件设计方案。其中s e p 3 2 0 3 微处理器是自主研发的 基于a r m 7 架构的3 2 位处理器，它内嵌有1 6 3 2 位高性能r i s c 处理器、片上i c e 支持各种基于j t a g 的调试方案，整合了内存控制器、彩色l c d 控制器等。软件系统平台采用了自主研发的a s i xo s 嵌入式操作系统。a s i xo s 是一个遵循u l t r o n 3 0 ( 当前版本) 规范的兼容性内核，适用于1 6 3 2 位 东南大学硕士学位论文 g a r f i e l d 微处理器系列。 1 2 国内外研究现状和发展趋势 从上世纪四十年代中期至今，伴随着计算机、电子信息技术的迅速发展，许多国家在气象领域 早已实现了现代化的改造。以美国和加拿大为例，从7 0 年代末、8 0 年代初开始建立自动气象站和 自动气象站网以来，其数量发展迅速，已拥有8 3 1 个固定站和1 5 0 多个非固定站，气象资料广泛于 农业公众服务等行业【5 1 。目前国外进行气象信息采集比较有名的有意大利、法国、日本等一些公司 在从事自动气象站方面的研究。气象设备的主要生产厂家有芬兰的v a i s a l a 、意大利的d p s p r o m a t i e 、 法国的c i m e l ，英国的c a m p b e l ls c i e n t i f i c 和c a s e l l ac e l 等。他们的大部分产品是采用卫星和g s m 的通信模式，随着移动通信技术的进步，意大利的一家公司2 0 0 3 年首先推出了基于g p r s 通信的相 关产品【6 】o 国内气象观测技术领域也有许多相关研究，并取得了一定的进展。国内比较著名的自动气象站 有北京华创科技的c a w s 6 0 0 系统自动站；江苏无锡无线电科学研究所的z q z - c i i 型自动气象站。 另外还有长春气象研究所的同类产品。这些产品主要是单机或是数据传输大都局限于传统的通讯方 式1 7 j ( 有线m o d e m 和g s m 等通讯方式) 。 自动气象站是一种能自动地观测和存储气象观测数据的设备，主要由传感器、采集器、通讯接 口、系统电源等组成，随着气象要素值的变化，各传感器的感应元件输出的电量产生变化，这种变化 量被c p u 实时控制的数据采集器所采集，经过线性化和定量化处理，实现工程量到要素量的转换， 再对数据进行筛选，得出各个气象要素值。自动气象站一般由传感器、变换器、数据处理装置、资 料发送装置、电源等部分组成。其中传感器的作用是将气象仪器如温度计、风向风速仪、气压表、 雨量计等气象仪器测得的气象要素通过传感器传输到变换器；变换器是将传感器感应的气象参数转 换成电信号( 比如电压、电流、频率等) ，以便传输；数据处理装置则将对这些电信号进行处理，再转 换成对应的气象要素值。经过处理的气象要素数据按规定的格式编排，即生成气象报文的文件；资 料发送装置用有线或无线方式将气象报文文件传给用户，或存贮在介质上，由用户定期回收。在野 外通常使用太阳能电池供电，在大风地区使用风力发电机发电。 从自动气象站的主要组成部分中可以看到资料发送装置一般采用有线m o d e m 和g s m 等通讯 方式。而有线m o d e m 布线费用高，施工不便，所以这种传输方式将濒临淘汰。无线数据电传在距 离较远时很难实现数据的准确传输，会出现数据丢失的现象，g s m 短消息方式通讯量小且费用昂贵。 相比之下，g p r s 技术以其高效稳定、经济实惠、组网灵活等诸多优点在无线通信领域得到了广泛 应用。使用微控制器控制g p r s 传输气象数据非常合理同时也弥补了长期以来自动气象站观测数据 远程传输的种种弊端p j 。 1 3 论文组织结构 本文设计实现了野外气象信息的采集、传输系统，对偏僻地区、人烟稀少的地带的气象监控带 来了极大的便利，论文的主要组织结构如下： 第一章，绪论。分析和研究了当前国内外对气象数据采集系统的现状，简单介绍了嵌入式系统 在气象采集系统中的应用。最后，给出了论文研究的重点和意义。 第二章，气象数据采集系统方案设计。介绍了g p r s 无线数据传输相关基础知识，分析了目前应 用比较广泛的几种g p r s 基本组网方案，确定了本文所采用的g p r s 组网方案。为实现基于g p r s 的自 2 第一章绪论 动气象站系统利用无线网络连接i n t e r n e t 进行数据传输，本章简单介绍了几种g p r s 网络协议。介绍了 气象信息自动采集系统的原理，给出了气象数据采集系统的整体框架。 第三章，气象数据采集系统硬件设计。简单介绍了a r m 的发展和自主研发的s e p 3 2 0 3 微处理器， 并在此基础上设计了系统硬件平台。系统硬件平台的设计从信息采集、信息处理和存储、信息传输 和电源管理模块四个方面进行；同时，也包括了硬件选型。 第四章，气象数据采集系统软件设计。首先介绍了自主研发a s i xo s 嵌入式操作系统，从整体 上讨论了系统软件的设计结构。重点介绍了g p r s 无线通讯协议的实现，详细阐述了p p p 协议的三部 分的实现，建立了p p p 数据链路、提供了网络安全以及协商了链路上传输的数据包的格式和类型；并 基于此实现了t c p ，i p 协议。 第五章，系统测试与运行结果。代码运行结果验证了p p p 协议功能；采集终端协议工作流程通过 串口也可以得到验证。最后，本章简单介绍了数据处理中心的实现。 第六章，总结与展望。对本文工作进行总结，展望进一步研究的方向。 3 东南大学硕士学位论文 第二章气象数据采集系统方案设计 自动气象站采集的气象数据要传输到数据处理中心，本文采用了g p r s 的无线传输方式。g p r s 技术以其高效稳定、经济实惠、组网灵活等诸多优点在无线通信领域得到了广泛应用本文即采用 g p r s 无线传输方式。本节将介绍g p r s 技术及系统采用的组网方案，进而将讨论g p r s 网络协议 及气象数据采集系统的整体框架。 2 1g p r s 技术 在移动通信领域中，蜂窝无线网起着重大作用，自从9 0 年代初开始，数字蜂窝很快淘汰模拟蜂 窝网，即第二代( 2 g ) 在各地普遍开放使用，促使第一代( 1 g ) 完美关闭；目前已逐渐进化为第三代( 3 g ) 。 在2 g 蜂窝网中，g s m ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ，全球移动通信系统) 使用最为广 泛。为了移动无线网的移动用户互通数据信息，并各自于停歇时间利用“i n t e m e t ( 因特网) ”接入， 蜂窝无线网采用g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 是通用分组无线业务。g p r s 把电路交换改进为 i p 分组交换方式，便于开放数据通信业务，将数字速率提高至1 4 4 k b s ，以适应用户接入i n t e r n e t 所 急需。被称为2 g 到3 g 的过渡。 g p r s 采用与g s m 同样的无线调制标准、同样的频带、同样的t d m a 帧结构。这种新的分组 数据信道与当前的电路交换的话音业务信道极其相似，因此现有的基站子系统只要增加一些模块即 可提供g p r s 服务。g p r s 允许用户在分组交换模式下发送和接收数据，从而提供了一种高效、低 成本的无线分组数据业务。 g p r s 在单个发送实体与一个或多个接收实体之间提供数据传输服务，这个实体可以是移动终 端也可以是其他终端设备。后者可以直接连接到g p r s 网络上的，也可以是其它外部数据网络。其 中i n t e n e t 就是最大的外部分组数据网络。g p r s 采用分组交换技术，每个用户可同时占用多个无线 信道，同一无线信道又可以由多个用户共享，资源被有效的利用，数据传输速率高达1 6 0 k b p s 。 g p r s 网络是在现有g s m 网络中增加g g s n ( g a t e w a yg p r ss u p p o r t i n gn o d e ，网关网络节点) 和s g s n ( s e r v i n gg p r ss u p p o r t i n gn o d e ，服务网络节点) 来实现的，使得用户能够在端到端分组 方式下发送和接收数据。g p r s 系统结构如图2 1 所示。 图2 1g p r s 系统结构 在图2 1 中，移动终端通过串行或无线方式连接到g p r s 蜂窝电话上；g p r s 蜂窝电话与g s m 基站通信，但与电路交换式数据呼叫不同，g p r s 分组是从基站发送到g p r s 服务支持节点( s g s n ) ， 而不是通过移动交换中心( m s o ) 连接到语音网络上。s g s n 与g p r s 网关支持节点( g g s n ) 进行通信； g g s n 对分组数据进行相应的处理，再发送到目的网络，如因特网或x 。2 5 网络。来自因特网标识有 4 第二章气象数据采集系统方案设计 移动台地址的i p 包，由g g s n 接收，再转发到s g s n ，继而传送到移动台上。 2 2 系统方案拟定 2 2 1g p r s 基本组网方案 通常，在g p r s 无线网络的应用中，终端设备都是通过g p r s 模块传输信息的。但数据中心的 应用方案可以划分为多种，但大多数都是将i n t e r n e t 网络作为g p r s 网络的外部分组网络。根据数据 中心组网方式不同，无线组网可以有专线联网、企业公网联网、拨号联网、g p r s 内网联网等几种 方式【1 1 - 12 1 。 ( 1 ) 专线联网 专线联网方式的系统构成包括：业务处理系统、网关设备、g g s n 、g p r s 网络、基站和无线端 末设备。无线端末设备应先通过基站以无线方式登陆到无线网络，获得p 地址，然后与业务处理中 心建立t c p 连接，带有业务处理系统i p 地址的数据包由移动运营商的g g s n 经数据连接至用户的 数据中心。其特点是：数据安全性好、通信速度快、通信质量稳定、系统初期建设成本高。主要适用 于对安全性和实时性要求较高的场合，如：金融行业无线交易的应用方案、移动联通营业厅的应用方 案、大型油田检测监控系统、环境监测系统和电力监测系统。 ( 2 ) 企业公网联网 企业公网联网的系统构成包括：无线业务处理中心、企业公网服务器、i n t e m e t 网络、g p r s 网 络、基站和无线端末设备。首先将企业网络服务器的i p 和端口映射到无线业务处理中心。无线端末 设备通过基站以无线方式登陆到无线网络，并获得i p 地址后与业务处理中心建立t c p 连接。然后， 无线端末设备就可以寻址到无线业务处理中心进行双向通信了。其特点是：通信速度快、通信质量 稳定、可以利用现有网络资源，系统建设投资小，适合实时性要求较高、安全性要求适中的应用场 合。主要应用在移动联通营业厅应用方案，无线终端在移动营业厅、大型油田检测监控系统、环境 检测系统应、电力检测控制系统。 ( 3 ) 拨号联网( a d s l 拨号或电话拨号或无线拨号) 拨号联网的系统构成包括：无线业务处理中心、p 地址服务中心、m o d e m 、i n t e m e t 网络、基 站、无线端末设备等设备组成。业务处理中心通过拨号登陆到公众网，获得分配的动态全局i p 地址。 然后，通信双方在i p 地址服务中心注册或从d 地址服务中心获得对方i p 地址，就可以通过i n t e m e t 进行数据通信了。其特点：通信速度适中、通信质量较为稳定、网络建设工作量小、通信费用低、 适合对通信费用较为敏感的应用场合。主要应用在全国大型连锁商场库存管理系统、全国连锁书店 管理系统、环境检测系统、电力检测控制系统。 ( 4 ) g p r s 内网联网 g p r s 内网联网的系统构成包括：无线业务处理中心、基站、无线m o d e m 、无线端末设备等 设备组成。无线业务处理中心首先通过无线m o d e m 登陆到无线网络，获得无线网络分配的动态或 静态的全局i p 地址，然后告知无线端末设备自己的i p 地址或获得无线端末设备的i p 地址，最后接 受无线端末设备的业务处理请求或主动向无线端末设备发起业务处理请求。而无线端末设备从i p 地 址服务中心获得无线业务处理中心i p 地址，链接无线处理中心，请求无线业务处理中心服务；或者 等待无线业务处理中的业务处理请求。其特点：g p r s 内网联网方式具有通信速度适中、通信质量 稳定中等、组网费用低、系统组网简单、可以快速完成组网测试、适合于对网络q o s ( q u a l i t yo f s e r v i c e ，服务质量) 要求不高的应用场合。主要应用在全国大型连锁商场库存管理系统、全国连锁 5 东南大学硬学位论文 书店管理系统、环境检测系统、电力检测控制系统。 2 2 2 系统组网方案 通过对g p r s 四种组网方式的分析，可以得知，专线联阿方式在安全性和实时性方面的性能堆 高，但系统初期建设成本高；企业公网联网方式安全性和实时性较差但系统建设投资小：拨号联网 方式通信费用低和g p r s 内阿联网方式组网费用低，但安全性和实时性最差。实际系统中选取哪种 组厢方案耍根据实际的应用需求来定。本文是根据对基于g p r s 的自动气象站的研究，从建设成 本不能太高系统组网简单，以及无需实时传输数据的角度进行考虑所以选取g p r s 内阿联网方 式作为系统组网方案。本文将g p r s 内网联网方式简化后如图2 - 2 所示，系统由数据处理中心、g p r s 网络、数据采集模块、g p r s 模块组成。g p r s 模块采用德国西门子的m c 3 5 i ，该模块建立通信链路， 实现数据的无线传输；g p r s 网络采用i n t e m e t 网络作为外部分组网络进行网络鼓据传输；数据处理 中心进行采集数据处理：数据采集模块对气象参数进行实时采集，同时存储历史数据。系统所采用 的组网方案如图2 - 2 所示。 震模捷 # g p r s 模块 女* a q 圈2 - 2 系统组网方案 系统采用定时传辅模式作为应用模式，数据处理中心和数据采集模块采集采的数据进行定时交 换。g p r s 网络是数据处理中心和数据采集模块之间数据传输的桥粱，采集来的数据将被打成m 包， 经g p k s 接八无线g p r s 网络，经过i n t e m e t 传输到数据处理中心。使自动气象站所采集的数据能够 及时传送到气象中心的计算机中。数据处理中心是用于处理采集数据，各数据采集模块发回的数据 经整理后存八数据库，并通过网页浏览方式提供给其他用户。数据处理中心一方面通过g p r s 网络 与数据采集模块进行职向通信收发数据，另一方面进行数据库管理和w e b 网页浏览服务。 2 3g p r s 网络协议 系统中采用g p r s 内同联网方式作为组网方式，数据采集模块采集到的数据需要经过g p r s 两 络才能传送到数据处理中心。基于g p r s 的自动气象站系统利用无线网络连接i n t e m e t 进行数据传输， 在传输过程中主要应用了p p p ( p o i n t - t o - p o i n t p r o t o c 0 1 ) 、i p 、t c p 、u d p 等协议。这几种协议位于 传输协议的不同层上，需要分析下传输协议的分层结构， 2 3 1t c p ，i p 协议 t c p f l p ( t r a n s m i s s i o n c o n 的lp r o t o e o l i n t e m e t p r m o c o l ，传输控制协议，互联网络协议1 协议1 ”| 是一 组完整的网络协议集，主要用于实现不同的网络结构和不同的操作系统之间的互连。它提供了一整 哗 ，廖 熙 第二章气象数据采集系统方案设计 套方便实用、并能应用于多种网络上的协议，使网络互联变得容易起来，并且使越来越多的网络加 入其中，成为i n t e m e t 的事实标准。t c p i p 协议组中的协议并不是平面分布的，而是分层次分布的， 它遵守一个四层的模型概念：应用层、传输层、网络层和链路层，t c p i p 协议的体系结构如表2 1 所示。 表2 1t c p i p 协议的体系结构 应用层 t e h c tf t ps m t pd n sh t r p a p p l i c a t i o nl a y e ) 传输层 t c p u d p t r a n s f e rl a y e r 网络层 i p i c v 妒a r p r a r p n e t w o r kl a y e r 链路层 s l i p p p p d a t al i n kl a y e r 应用层：它定义了应用程序使用互联网的规程，应用程序将通过这一层访阀网络。应用层是所有 用户所面向的应用程序的统称。t c p i p 协议族在这一层面有着很多协议来支持不同的应用，如我们进 行万维网( w w w ) 访问用到了h t y p 协议、文件传输用f t p 协议、电子邮件发送用s m t p 、域名 的解析用d n s 协议等等。 传输层：为两个用户进程( 程序) 之间建立、管理和拆除可靠而又有效的端到端连接的协议， 即负责起点到终点的通信。这一层的的主要功能是提供应用程序间的通信。包括t c p ( 传输控制) 和u d p ( 用户数据报) 两个协议。 网络层：本层定义了互联网中传输的“信息包”格式，以及从一个用户通过一个或多个路由器到 最终目标的“信息包”转发机制。包括网际协议i p ，地址解析协议a r p ，网际控制消息协议i c m p ， 互联组管理协议i g m p 。这一层也是t c p i p 协议族中非常关键的一层。 链路层：由控制同一物理网络上的不同机器间传送数据的底层协议组成，实现本层协议且属于 t c p i p 协议组，是t c p i p 协议与各种物理网络之间的接口。 2 3 2p p p 协议 由t c p 行p 协议的体系结构图中可以看到p p p 协议属于链路层协议，是为在同等单元之间传输数 据包这样的简单链路设计的。这种链路提供全双工操作，并按照顺序传递数据包。设计目的主要是 用来通过拨号或专线方式建立点对点连接发送数据，使其成为各种主机、网桥和路由器之间简单连 接的一种共通的解决方案。 p p p 协议中提供了一整套方案来解决链路建立、维护、拆除、上层协议协商、认证等问题。p p p 协议包含如下几个部分：链路控制协议l c p ( l i n kc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) ；网络控制协议n c p ( n e t w o r k c o n t r o lp r o t o c 0 1 ) ；认证协议，最常用的包括口令验证协议p a p ( p a s s w o r da u t h e n t i c a t i o np r o t o c 0 1 ) 和挑战握手验证协议c h a p ( c h a l l e n g e h a n d s h a k e a u t h e n t i c a t i o np r o t o c 0 1 ) 。 l c p 负责创建，维护或终止一次物理连接。p a p 和c h a p 负责提供网络的口令验证。n c p 是一 簇协议，负责解决物理连接上运行什么网络协议，以及解决上层网络协议发生的问题。由此可知一 个典型的p p p 链路建立过程分为三个阶段：创建阶段、认证阶段和网络协商阶段。 7 东南大学硕士学位论文 2 3 3 其它网络协议 i p 协议属于网络层协议，t c p 协议和u d p 协议属于传输层协议。t c p 协议提供端到端的高可 靠性的数据传输，该协议还负责数据的分组、质量控制和超时重发等。u d p 协议只是提供简单的把 数据包从一端发送到另一端的服务，至于数据是否按时到达、数据是否损坏都必须由应用层进行校 验【1 4 1 。 当p p p 链路创建成功后，我们就可以从中国移动的服务器端获取用于本机在网络上通信的i p 地 址。通过p p p 获取的i p 地址是移动子网内的私有地址，在与外界进行通信时，移动网关会对数据包 进行相应的网络地址转换。为了同后台数据中心传送数据包，系统还要实现i p 协议和u d p 协议。 i p 协议将多个包交换网络连接起来在源地址和目的地址之间传送数据包，它向传输层提供的服 务是一种尽力服务，不提供端到端的的确认以及重发和流量控制。在i p 数据包传输过程中如果出现 错误需要通过i c m p ( i n t e m e tc o n t r o lm e s s a g e sp r o t o c o l ，网间控制报文协议) 报文向发送方报告错误类 型，i c m p 协议需要在i p 协议模块中实现。u d p 协议是定义在计算机网络互联环境下基于包交换的 计算机通信方式，它工作在传输层将应用程序要发送的数据打包传递给网络层或者将网络层传递来 的数据报文交给应用程序处理。 实现了p p p 协议、i p 协议和u d p 协议之后，系统上层应用程序就可以通过相应的接口调用实 现数据的发送和接收操作了。为了正确识别应用程序与数据中心之间发送的信息，应用程序与数据 中心定义了一个用于通信的应用层协议。此外，由于u d p 协议和i p 协议都是不可靠的网络协议，有 可能存在丢失数据包的情况从而影响系统的性能，所以系统的高层应用程序实现了等待应答和超时 重发机制来确保数据在网络上的可靠传输。 2 4 气象数据采集系统的结构 2 4 1 气象数据采集系统 自动气象站是一种集气象数据的采集、存储、传输和管理于一体的无人值守的气象采集系统， 在电子设备或计算机控制下自动进行气象观测和资料的收集传输【l 5 j 【l 6 1 。 自动气象站的气象数据采集系统是传感器、数据预处理电路、数据处理装置和其它数据通信装 置等的有机组合。气象数据采集系统的要素主要包括气压、温度、湿度、风向、风速、雨量等基本 气象要素，经扩充后还可测量其它要素。虽然需要测量的要素很多，但这些要素经传感器感应后的 输出形式不外乎4 种：( 1 ) 模拟量，它包括电压，电流、电阻和电动势四种形式；( 2 ) 频率量， 如风杯风速计的输出，风速的大小与矩形脉冲输出的频率有关；( 3 ) 触发脉冲信号，如翻斗式雨量 计的输出，虽然其波形同样是矩形脉冲，但需要记录的是两个脉冲之间的时间间隔；( 4 ) 数字信号， 如风向标的码盘输出。尽管如此，多种数据接口的同时存在还是给系统设计带来了很大的不便。 一个典型的气象数据采集系统框图如2 3 图所示： 8 第二章气象数据采集系统方案设计 风 图2 3 气象数据采集系统框图 从气象数据采集系统框图中可以看到典型的气象数据采集系统包括传感器、预处理电路、数据 处理器装置、数据通信模块等。气象数据采集系统利用各种传感器来采集温度、湿度、气压、雨量、 风向、风速等气象要素；采集到的模拟量数据传送至传感器预处理电路，预处理电路将对传感器输 出信号进行调整和变换，如对信号进行放大、调制、变换等处理；数据处理环节将预处理送来的信 号进行a d 或d a 转换、运算、线性化，使其输出信号便于显示、记录，这种信号处理环节可用于 自动控制系统，也可与计算机系统连接，以便对测量信号进行信息处理；数据通信模块主要是建立 通信通道进行数据传输；人机接口为气象数据采集系统提供数据输出和操作输入的手段。 2 5 本章小结 本章详细介绍了g p r s 技术，分析了目前应用比较广泛的几种g p r s 基本组网方案，确定了本 文所采用的g p r s 组网方案。为实现基于g p r s 的自动气象站系统利用无线网络连接i n t e m e t 进行数 据传输，本章简单介绍了几种g p r s 网络协议。最后，给出了气象数据采集系统的整体框架。本章 为后续章节提供了理论基础。 9 东南大学硕士学位论文 第三章气象数据采集系统的硬件设计 在第二章中，我们了解了有关气象采集系统的原理和结构，并且对g p r s 无线数据传输的原理 有了一定的基础知识。本章节将在上一章节的基础上，对气象数据采集系统的硬件进行设计与讨论。 3 1 硬件平台设计 3 1 1a r m 简介 a r m 公司1 9 9 1 年成立于英国剑桥，专门从事基于r 1 s c 技术芯片的设计和开发，主要出售a r m 技术知识产权( i n t e l l i g e n c ep a t e n t , 简称i p ) 核的授权。作为一家妒核供应商，a r m 公司本身不直接从 事芯片生产，通过转让设计许可，由合作公司根据各自不同的应用领域，加入适当的外围电路，形 成自己的a r m 微处理器芯片进入市场i i 。 a r m 公司设计的芯核具有功耗低、成本低等显著优点，因此获得了众多半导体厂家和整机厂商 的大力支持。目前比较流行的嵌入式处理器有：i n t e l 和a m d 公司的x 8 6 系列、f r e e s c a l e 公司的 p o w e r p c 系列、m o t o r o l a 公司的6 8 0 0 0 系列等。a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 系列微处理器有 超过1 5 0 个供应商，包括i n t e l ，f r e e s c a l e ，p h i l i p s ，t i 等。 目前，基于a r m 技术的微处理器( 以下简称a r m 微处理器) 应用约占据了3 2 位r i s c 微处 理器7 5 以上的市场份额，遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各 个领域。目前比较流行的a r m 芯核有a r m 7 t d m i ，s t r o n g , a r m ，a r m 7 2 0 t , ar m 9 t d m i ，a r m 9 2 2 t ， a r m 9 4 0 t ，a r m 9 4 6 t ，a r m 9 6 6 t ，a r m l 0 t d m i 等。a r m 7 t d m i 是公司授权用户最多的一项产 品，它把a r m 7 指令集同t h u m b 扩展指令集组合在一起，大大减少内存容量和系统成本，已广泛用 于工业控制、移动通信、i n t e r a c t 设备、网络和调制解调器设备等多种媒体和嵌入式应用之中。 本文所选用的s e p 3 2 0 3 微处理器就隶属于a r m 7 t d m i ，它是一种自主研发的嵌入式处理器。 它采用a r mv 4 t ( n e w m a n ) 结构，三级流水线处理，具有空间统一的指令与数据c a c h e ，时钟速度 7 5 m h z ，每条指令平均执行时间1 9 个时钟周期，并利用嵌入式i c e 调试技术简化了