南京信息工程大学气象站系统论文

1 南京信息工程大学滨江学院南京信息工程大学滨江学院 姓名姓名 学号学号20112334074 专业班级专业班级通信通信 2 班班 指导老师指导老师宦海宦海 成绩成绩 2 自动气象观测站自动气象观测站 概述 TSRM K 型自动气象观测站采用一体化设计 专门为学校科研教 学 小气候观测 流动气象观测哨 短期科学考察 季节性生态监测等开发生产 的多要素自动气象站 可测量风向 风速 温度 湿度 气压 雨量 太阳辐射 量 太阳紫外线 土壤温湿度等常规气象要素 同时根据微气象学中空气动力学 方法 自动计算并存储风寒指数 ET 蒸腾蒸发量及温 湿度 光照 风指数 该气 象站已成为目前为止国内测量气象要素最全面的小气候观测站 应用领域 主要应用于科研教学 微气象学研究 军事运用的支援 临 时气象观测点 如突发事件 如火灾 洪涝灾害 的响应及突发性灾害性天气的 现场监控 大中小学的气象观测台站 农业农情灌溉气象环境指标监测 森林火 险气象指标监测等 又可作为环境科研监测的补充观测仪器 3 一 概述 技术特点 1 气象观测要素 可根据要求选顶或组合各种气象传感器 1 大气环境类 环境温度 环境相对湿度 露点温度 大气压力 风速 风 向 降水量 水面蒸发 二氧化碳 叶面湿度 日照时数 光照度 太阳总辐 射 散射辐射 直接辐射 反射辐射 净全辐射 近红外辐射 光合有效辐射 紫外线辐射 远红外辐射等 2 土壤参数类 土壤温度 土壤湿度 土壤热通量 土壤水势 土壤导电率 等 3 生态环境类 多层风 多层温度 多层湿度 多层土壤水份 多层 CO2 等 2 自动气象数据监测记录仪 A TSRM ZS1 型气象生态环境监测仪功能全面 数据测量精度高 最多可采 集几十项气象要素的数据 核心部件采用高性能 16 位微处理器为主控 CPU 内置大容量数据存储器 可连续存储 8000 条数据永不丢失 便携式防震结构 工业控制标准设计 适合在恶劣工业或野外极地环境中使用 大屏幕图形液晶 显示屏 具有汉字及图形显示功能 一屏显示多路气象数据 便于现场直接观 测 减少了通过电脑监测数据带来的不便 B 系统具有交直流两用供电方式 当交流电停电后 可自动由充电电池供电 节能环保设计 主机电池一次充电使用时间可保证连续工作 48 小时以上 配备 TDC 25 型太阳能供电装置 可用于野外无电地区常年使用 C U 盘数据存储功能 将移动存储器 U 盘 与监测仪器的 U 盘控制器相连 就可完成监测数据的连续存储 存储时间任意设定 然后可将 U 盘数据直接导 4 入微机 由于 U 盘存储容量大 可保证数据长时间永久存储 因此系统具有无 限量存储特点 3 自动气象站监测软件 TSRM K 型自动气象站软件完全满足国家 自动气象 站标准规范 要求 界面友好 图形数据显示 有线 无线 多种通讯方式 动态组网 可支持百台以上监测站点并发通讯 在 Windows2000 以上系统环境 即可运行 与打印机相连自动打印存储数据 数据存储格式为 EXCEL 标准格 式 可生成气象数据图表 供其它软件调用 4 方便快捷数据联网功能 提供了有线传输和无线传输两种方式 有线传输方式 通过标准 RS232 RS485 USB 通讯接口 与监测中心 PC 机 有线连接 最长有线通讯距离可达 1000 米 实时传送采集数据 也可通过网络 接口实现一个中心对多个站点的实时监测 无线传输方式 可根据通讯距离的不同分为短距离无线数传 中距离无线 数传 长距离无线数传三种无线传输方式 1 短距离无线数传方式 采用先进的微波射频通讯传输模块 通讯距离 在 0 300 米范围之内 主要适合于校园内 场区内等短距离范围内数据传输 无任何通讯费用 2 中距离无线数传方式 采用电台方式进行数据传输 通讯距离在 0 2000 米范围之内 主要适合于对气象监测站和气象监测中心位置较远同时不合 适于有线进行通讯的情况下进行使用 不收取任何通讯费用数据传输稳定 3 长距离无线数传方式 采用 GSM 网 GPRS 网通讯技术 结合 Internet 网络通讯协议 配备无线通讯控制器可实现监测中心对各个站点进行实时监测 远程采集各监测站点的气象数据 不受距离限制 数据传输可靠 GSM 通 讯方式利用短信方式进行数据的透明传输 只要网络信号覆盖的地区都可以进 行数据传输 不受地理环境的限制 可根据用户使用需要将当前环境的气象参 数按照指定的间隔时间 发送到用户设定的手机号码上 通讯费用按信息服务 资费计算 适合站点较少 数据量小的系统使用 GPRS 无线通讯方式是 在现有 GSM 系统上发展出来的一种新的无线数据传数业务 目的是给中国移 动用户提供高速无线 IP 或 X 25 服务 GPRS 理论带宽可达 171 2Kbit s 在此 信道上提供 TCP IP 连接 可以用于 INTERNET 连接 数据传输等应用 GPRS 允许用户在端到端分组转移模式下发送和接收数据 而不需要利用电路交换模 式的网络资源 GPRS 永远在线 按流量计费 从而提供了一种高效 低成本 的无线分组数据业务 特别适用于间断的 突发性的和频繁的 点多分散 中 小流量的数据传输 也适用于偶尔的大数据量传输 5 观测支架 可一体化三角观测支架 钢质结构设计 外形美观 功能齐全 安装方便 也可根据客户要求配置车载式观测支架 应用于不同的环境监测应 急车辆 6 特殊环境下的可选配仪器 该套气象站可针对不同的使用环境 配置不同类型的气象传感器及相关配 件 现有我公司自行研发生产的 TBQ 系列水下太阳辐射表 EL8 1 型螺旋桨式 5 联合风向风速传感器及 TSRM K 型车载式气象观测支架等仪器 可适用于海洋 环境监测或移动环境监测车辆等特殊条件下的环境监测使用 主要技术指标 名称 型 号 测量范围 分 辨 率 准 确 度 环境温度 PTS 3 50 80 0 1 0 1 相对湿度 PTS 3 0 100 0 1 2 80 时 5 80 时 露点温度 PTS 3 40 50 0 1 0 2 风向 EC 9X 0 360 3 3 风速 EC 9S 0 70m s 0 1m s 0 3 0 03V m s 降 水 量 L3 0 999 9 mm 0 1mm 0 4mm 10mm 时 4 10mm 时 土壤温度 PTWD 2A 50 80 0 1 0 1 土壤湿度 TDR 3 0 100 0 1 2 土壤热通量 HF 1 500 500 W 1 W 5 土壤水势 TDR 2 0 1500kPa 1kpa 10kPa 叶面 湿度 YMS D1 0 100 0 1 10 大气压力 QA 1 550 1060hPa 0 1hPa 0 3hPa 蒸发 ZFL1 0 100mm 0 1mm 1 5 二氧化碳 ES D 0 2000ppm 1ppm 20ppm 紫 外 线 TBQ ZW 2 0 500W 1 W 5 总 辐 射 TBQ 2 0 2000W 1 W 5 直接辐射 TBS 2 2 0 2000W 1 W 5 日照时数 TBS 2 2 0 24h 0 1h 0 1h 光合有效辐射 TBQ 5 0 500W 1 W 5 光 照 度 TBQ 6 0 20 万 Lux 7 ET TSRM ZS1 天 0 999 9mm 月 0 1999 9mm 年 0 1999 9mm 0 1mm 5 风寒指数 TSRM ZS1 79 54 1 1 紫外线指数TSRM ZS1 0 16 0 1 5 气象生态环境监测仪 TSRM ZS1 二十气象参数0 1 高精度观测支架 三角式或车载式 TSRM KZJ 3m 户外使用 钢结构 外观喷塑防腐 含防雷保护装置 太阳能供电 系统 TDC 25 功率 25W 太阳能电池 充电电池 保护器 可选配 无线通讯控制 器 GSM GPRS 短 中 长距离传输 免费 收费传输 可选配 U盘存储控制器 FS 1 可选配 1 年以上存储量 可选配 系统基本配置 1 具有液晶显示汉字与图形显示功能的 TSRM ZS1 气象站记录仪 1 台 2 传感器 温度 湿度 风速 风向 气压 太阳总辐射 雨量 地温 土壤 湿度 各 1 台 3 TSRM KZJ 气象专用观测支架 1 套 4 TSRM K 实时监测系统 分析软件 1 套 5 数据通讯及传感器连接电缆 1 套 6 GSM GPRS 无线通讯控制 器 选配 7 TDC 25 太阳能供电系统 选配 8 FS 1 U 盘存储控制器 选 配 国产 TSRM K 供应 TSRM K 型自动气象站 全要素数字气象站 图 二 系统设计 1 设计背景 自动气象站与人工站相比 观测自动化 数据的采集密度和规范性是人工站 不能比拟的 但自动气象站属于电子设备 气象要素传感器的使用误差和数据采 集设备的系统误差也是客观存在的 为此中国气象局规定自动气象站每两年检定 一次 主要检定内容为传感器部分 6 由于自动站检定只涉及传感器部分 而数据采集器部分没有涉及到 这就引出一 个问题 自动站数据采集器的系统误差和传感器的误差的叠加结果 可能造成总 误差超标 一个问题摆在我们面前 那就是如何确定自动气象设备中数据采集器部分工 作是否正常 这关系到气象信息的正确与否 因为自动气象设备提供的数字信息 不直观 只有通过大量数据比对分析才能作出判断 这就要求观测员具有相当的 责任心和专业技能 开发形成具有自主知识产权的多要素检测设备通用核心部件 除在气象系统 内使用之外 还可作为其它行业内涉及相关诸如温度 湿度等参数采集及检测中 灵活应用 提高设备的保障维护水平 优化设备资源 自动站数据采集器自动校准系统是为自动气象站配备的辅助测试设备 它可 输出非常标准的常规气象传感器的输出信号和接收采集器发送的气象数据 既可 作为自动气象站采集器各测量通道的标校设备 又可用于自动气象站各类传感器 的故障判别设备 2 硬件平台设计 核心单元 采用 ATEML 的 AT91RM40008CPU 外接 2M 字节 FLASH 作为程序存储器 本身具备 256k SRAM 风速 雨量等脉冲信号 直接 GPIO 输出 输出频率由软件根据 CPU 定时器控 制 格雷码作为特殊 I O 输出 采用 AT91RM40008 的 cs3 8 位数据方式锁 存 573 输出 风向 DAC 湿度 DAC 气压 DAC 等 采用 SPI 接口的 DAC 芯片输出 数据加密和保存采用 I2C 总线的 EEPROM 二个 RS232 的电平转换利用美信 232 3 底部软件开发 AT91RM9200 是 ARM7TDMI 的核 选择 28M 主频 软件开发环境 ADS1 2工具 samICE 软件工程内容包括 初始化 中断控制 串口中断处理 定时器中断处理 LCD 驱动 键盘处理 图形库 SDK 环境等 7 数据采集设计 传统的气象数据采集通常采用人工气象站的方式 需要测量人员携带测量仪 器实地进行测量 自动化程度低 随着现代网络技术的发展 出现了基于 Internet 的气象数据采集系统 这种系统利用 Internet 实现气象站和数据中心 的通信 具有可靠性高 实时性好 传输距离远的优点 但它也存在一些明显的 不足 如网络设备购置 运行和维护的成本较高 严重依赖于 Internet 在某 些特殊场合如野外气象探测或高空气象探测中无法采用等 本文介绍的远程无线 气象数据采集系统有效地弥补了上述两种方式的不足 利用无线模块实现气象站 和数据中心的通信 具有高精度 高可靠性 远传输距离 低功耗 自动化程度 高 方便灵活的特点 可以应用于野外气象探测和高空气象探测等场合 1 1 系统组成系统组成 如图 1 所示 系统主要包括两大部分 数据中心和气象站 数据中心主要由 PC 机 无线模块及上位机软件构成 气象站主要由各种传感器 A D 转换器 无 线模块 单片机及下位机软件等构成 系统中通常包含一个数据中心和若干个气 象站 不同的气象站被分配不同的地址用以互相区分 系统中气象站的最大个数 为 256 个 数据中心作为系统的中心节点 可与各气象站进行全双工通信 负责 完成控制帧发送 数据接收 解码 后处理及显示 保存等 气象站接收到数据 中心发送的控制帧后 检测控制帧中的 8bit 地址 若与本地地址一致 则启动 温度 湿度 压强的测量 测量结束后将测量数据回送给数据中心 系统包含两 种帧 控制帧和数据帧 控制帧用于下行传输 数据中心 气象站 其作用是实 现数据中心对气象站的控制 数据帧用于上行传输 气象站 数据中心 用于气 象站向数据中心回送数据 控制帧和数据帧的格式如图 2 所示 8 控制帧长度为 24bits 包含 8bits 地址及 16bits 的固定后缀 数据帧长度 为 168bits 其中最高的 8bits 为本地地址 其后依次是温度 湿度 气压以及 用于将来扩展的风向 风速 海拔 经度 纬度等数据 分别用 16bits 表示 由于无线信道误码率较高 因此采用了 32bits 的 CRC 校验 以确保数据的正确 性 校验和放在数据帧尾部 2 2 硬件设计硬件设计 2 12 1 数据中心数据中心 数据中心的硬件部分包括 PC 机和无线模块两部分 无线模块采用上海桑瑞 电子生产的微功率无线模块 SRWF 108 它是一个全双工无线模块 工作在 433MHz 频段 采用 FSK 调制方式 具有 8 个可用信道 具有 1W 的典型发射功率及 105dBm 的接收灵敏度 在视距情况下 天线高度大于 3 米 有效通信距离大于 3 公里 具有两个串口 三种接口方式 可支持 RS232 485 接口或 CMOS TTL 电平的 UART 口 同时支持 1200bps 2400bps 4800bps 9600bps 19200bps 等多种通信速 率 在本系统中 SRWF 108 与 PC 机采用 RS232 接口进行连接 2 22 2 气象站气象站 气象站中主要包含 5V 电源 温度传感器 湿度传感器 气压传感器 A D 转换器 单片机 无线模块等 各模块之间的连接如图 3 所示 单片机采用 Atmel 公司的 51 系列 Flash 单片机 AT89S52 它具有成本低 性 能高的特点 其内部集成了一个增强型 8051 内核 256Byte 的 RAM 8KByte 的 Flash ROM 3 个 16bit 定时器 1 个全双工 UART 口 2 个外部中断源 32 个通 用 I O 口 部分为复用管脚 系统时钟最高可达 33MHz 无线模块仍采用 SRWF 108 因为单片机的 UART 口为 CMOS 电平 因此将其 与 SRWF 108 的 UART 口相连即可 温度传感器采用 Microchip 公司的 TC72 其分辨率为 10 位 0 25 bit 温度测量范围为 55 125 具有 0 5 的典型精度 40 85 范围内的最大 误差为 2 可工作在连续测量和单次测量两种模式下 连续测量模式下的电 流消耗仅为 250 A 关断模式下低于 1 A 接口方式为 SPI 口 可直接与 AT89S52 接口 在设计中采用了单片机 P2 口的 0 1 2 3 脚构成软件 SPI 口 与 TC72 进行接口 如图 4 所示 9 湿度传感器采用Honeywell 公司的HIH3610 它是带温度补偿的湿度传感器 具有 2 的精度 输出随相对湿度线性增长的模拟电压 电压范围大约为 0 8 3 9V 不同温度下 不同器件的输出略有不同 应参照与具体器件配套的参 数表 气压传感器采用了 Freescale 公司的 MAX4115AP 它是一款带片上信号调理 及温度补偿功能的绝对压强传感器 气压测量范围为 15 115kPa 0 85 内最大 测量误差为 1 5 输出模拟电压随绝对压强线性增长 典型范围大约在 0 204 4 794V 之间 HIH3610的驱动能力较弱 因此必须在它和 A D转换器之间增加一个缓冲级 另一方面 MPX4115AP 输出电压范围超出了 A D 转换器的量程 因此在它和 A D 转换器之间插入一个2 3比例运放级 将它的输出变换到A D转换器的量程之内 同时 为了降低噪声干扰 提高测量的准确性 需要对湿度传感器和气压传感器 的输出进行低通滤波 为了有效滤除噪声 要求滤波器的截止频率尽可能地低 但另一方面 滤波器通带越窄 传感器的响应时间也越长 综合噪声滤除和响应 时间两方面来考虑 选取了直流增益为 1 截止频率为 50Hz 的二阶 Butterworth 低通滤波器对传感器的输出进行滤波 具体如图 5 所示 LMV324ID 为 TI 公司的四路运放 它采用 5V 电源供电 具有满摆幅输出 低静态功耗 低温漂 低失调 共模抑制比高的特点 图 5 中 R2 R3 C5 C7 及运放单元 2 构成一路 Butterworth 低通滤波器 用于对湿度传感器的输出进行 滤波 同时也起到缓冲器的作用 R1 R4 C6 C8 及运放单元 1 构成另一路 Butterworth 低通滤波器 用于对气压传感器的输出进行滤波 该滤波器与由 R5 R6 R7 及运放单元 4 构成的 2 3 比例运算器级联 完成滤波 缓冲 比例运算 结果从运放单元 4 的 OUT 脚输出 为保证足够精度 比例运算器中的电阻 R5 10 R6 R7 采用绝对误差为 0 5 温度系数为 50ppm 的精密电阻 运放输出的湿度 气压模拟量分别占用了 A D 转换器 MCP3004 的通道 3 4 MCP3004 为 Microchip 公司的 4 通道 10bit A D 转换器 它集成了片上采样 保 持电路 最大采样速率为200ksps VDD 5V时 最大DNL和INL均为1LSB MCP3004 与单片机的接口图如图 6 所示 由于气象站采用电池供电 因此必须尽可能降低系统功耗 在不需要测量时 温度传感器 气压传感器 A D 转换器 电压参考 运放及无线模块的发射部分 全部关断 单片机工作在低功耗的空闲模式 其中 气压传感器和运放的关断控 制通过一个模拟开关实现 如图 3 所示 湿度传感器的功耗较低 电流消耗仅 200 A 且启动时间较长 15 秒 为降低测量等待时间 对它不采用关断控制 无线模块在无数据发送时仅接收部分处于工作状态 发送部分自动关断 因此不 需要专门对它进行控制 3 3 软件设计软件设计 3 13 1 单片机软件设计单片机软件设计 单片机负责完成控制帧接收 启动数据采集过程 对数据进行编码及发送等 任务 单片机软件流程图如图 7 所示 在不需要进行测量时 系统处于低功耗模式 此时温度传感器 气压传感器 A D 转换器 电压参考 运放处于关断状态 单片机处于低功耗模式 无线模块 的接收部分工作 发送部分关断 当无线模块收到数据时 通过串口将数据传给 单片机 单片机串口接收到数据后 产生串口接收中断 激活单片机 使单片机 11 从低功耗模式进入正常模式 执行完串口中断子程序后跳入主程序 对控制帧缓 冲区的数据进行检测 当检测到包含本地地址的有效控制帧时 将启动各模块完 成测量过程 测量完毕后进行数据编码 发送 然后系统重新进入低功耗模式 若检测不到包含本地地址的有效控制帧 则直接进入低功耗模式 由于各模块在启动时需要一定的启动时间 并且本系统中 A D 转换器及温度 传感器的时序均需要通过软件实现 因此提供一个准确的时间节拍是必要的 这 里采用单片机的定时器 0 产生一个间隔为 1ms 的时钟节拍 定时器 0 为 16bit 定时器 运行在自由计数模式下 其初值被预置为 0 xFC18 每个机器周期 在本 系统中为 1 s 计数加 1 当计满溢出时 将产生一个定时器 0 溢出中断 系统 跳转至定时器 0 中断子程序 定时器 0 被重置为 0 xFC18 进入下一计数循环 同时时间变量加 1 通过这种方式 能够提供一个分辨率为 1ms 最大时间间隔 为 65535ms 时间变量为 16bit 整型时 的准确定时 通过查询时间变量前后两次 的值 即可获得准确的时间间隔 3 23 2 上位机软件设计上位机软件设计 数据中心硬件较为简单 主要包含 PC 机和无线模块两部分 它们之间通过 RS 232 口进行通信 控制帧的发送以及数据的接收 解码 后处理 显示等通 过上位机软件实现 上位机软件具有一个可视化的操作界面 如图 8 所示 界面主要包括定时发送控制区 发送指示区 接收数据区 串口设置区等几 大部分 各区域的功能分别为 1 串口设置区 用于串口参数设置 包括端口 波特率 数据位 停止位 校验位 流控制等 2 定时发送控制区 用于对测 量进行定时控制 可以指定在未来某一时刻进行单次测量 也可选择具有固定时 延间隔的周期性测量 3 发送指示区 主要提供一些发送指示信息 4 接收数 据区 用于显示接收到的气象数据 包括气象站地址 温度 湿度 气压等 接收到的气象数据在接收数据区中显示的同时 也被存入一个 txt 文件和 一个 ODBC 数据库中 可以打开指定路径下的 txt 文件对数据进行编辑 另外也 可点击界面右下角的 管理气象数据 按钮对 ODBC 数据库进行编辑 上位机软件的流程图相对较复杂 限于篇幅 不再详述 实验表明 该系统完全实现了预期的功能 具有高精度 高可靠性 低功耗 远传输距离 工作温度范围宽的特点 气象站在空闲状态下的电流消耗为 25mA 左右 测量状态下最大电流消耗为 850mA 采用 4 节 5 号干电池供电 每隔 30 12 分钟测量一次 可连续工作 72 小时以上 在市区道路环境中 系统在有轻微遮 挡 树木 汽车等 的情况下 气象站与数据中心相距 1 5 公里时 可靠测量的概 率接近 100 在野外开阔地 视距情况下的有效距离在 3 公里以上 附 附 要素分类 要素分类 一 全自动气象观测站 八要素 一 全自动气象观测站 八要素 型号 TSRM K8 厂商 图圣数据 用于观测降水 温度 风等侵蚀动力要素 观测气象要素包括观测风向 风速 温度 湿度 蒸发 降水 过程 辐射 地温 系统配有线 标准 RS232 RS485 无线 GSM 网接口 两路通讯接口实时传送采集数据 采用 GSM 网通讯技术 不受距离限制 数据传输 可靠 1 1 环境温度 环境温度 通 道 数 1 路 测 量 范 围 50 80 测量精度 0 2 分 辩 率 0 1 2 2 环境湿度 环境湿度 通 道 数 1 路 测 量 范 围 0 100 测量精度 2 RH 分 辩 率 0 1 RH 3 3 风速风速 通 道 数 1 路 测量范围 0 70 米 秒 测量精度 0 3 0 03v 米 秒 分 辩 率 0 1 米 秒 启动风速 0 3 米 秒 4 4 风向 风向 通 道 数 1 路 测 量 范 围 0 360 测量精度 3 分 辩 率 2 5 启动风速 0 3 米 秒 5 5 降水量 降水量 通 道 数 1 路 测 量 范 围 0 999 9mm 测量精度 0 3mm 分 辩 率 0 1mm 6 6 总辐射 总辐射 通 道 数 1 路 测 量 范 围 0 1400 W m 2 测量精度 1 W m 2 分 辩 率 5 7 7 蒸发量 通 道 数 1 路 测量范围 0 100mm 测量精度 0 1mm 分 辩 率 1 5 8 8 地温 地温 通 道 数 1 路 测量范围 50 80 测量精度 0 1 分 辩 率 0 5 二 全自动气象观测站 六要素 二 全自动气象观测站 六要素 型号 TSRM K6 厂商 图圣数据 用于观测风向 风速 温度 湿度 降水 过程 地温 系统配有线 标准 RS232 RS485 无线 GSM 网接口 两路通讯接口 实时传送采集数据 系统采用 GSM 网通讯技