基于单片机气象处理系统

1、 学年论文题目气象要素的采集和处理系统院系专业自动化学生姓名学号指导教师职称二一一年十二月六日 气象要素的采集和处理系统 摘要:本文设计了一个基于GPRS的双要素自动气象站，并基本实现了气象要素采集的自动化和网络化。文中以分析了温度、湿度气象要素的性能和特点为主。介绍了温度、湿度信号的电路连接;最后介绍了自动气象站软件系统及气象数据的传输和组网。该课题从实际工作出发，结合气象部门的实际条件，分析各种气象传感器采集气象要素的原理，并通过设计的数据采集器进行数据采集和计算处理，同时利用GPRS无线传输方式将气象数据传输到数据处理中心。关键词: 自动气象站;ARM;嵌入式系统;数据采集;GPRS无线

2、通信;组网 第一章 气象采集与处理系统1.1气象采集技术的发展随着大规模集成电路的技术进步，尤其是以计算机为核心的信息产业的发展，数据采集技术从各方面都得到了飞越式的发展。新一代的气象数据采集系统应该具有多功能、多参数、模块化、标准化、高效率等特点。随着现代气象数据传输要求的不断变化，甚至需要将加密观测时段缩短到巧分钟，高密度的气象数据采集需要具备全天候工作能力的自动采集系统，才能准确及时的自动采集和处理各种气象观测数据。新一代数据采集产品采用了先进的数据采样技术和数据处理技术，根据中国气象局自动气象站观测规范的技术标准要求，实现了高度智能化和模块化，有很强的兼容性、可扩展性和可靠性。1.2气

3、象处理技术的发展自动气象站利用仪器自动地进行观测和发送观测数据，并根据需要将观测数据转换成电码形式。自动气象站数据的传输方式主要有有线传输和无线传输两种，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、不宜维护等缺点，尤其在人烟稀少的偏僻地区其弊端更加显著。为了提供优秀良好的气象服务，迫切需要建立一个能够同时自动获取多个气象要素且稳定可靠的自动气象站，满足大范围气象观测的需求。 第二章 嵌入式系统概述如果有人告诉你，现在每个人都生活在一个满是嵌入式的世界里，你是否会感到惊奇?但事实如此，不得不信，小到MP3, PDA等微型数字化产品，大到网络家电、智能家电、车载电子设备，无一不

4、是嵌入式产品，让人顿生目不暇接之感。目前，各种各样的新型嵌入式系统设备在应用数量上已经远远超过了通用计算机，正逐步改变着传统的工业生产和服务方式，并且更有进一步扩大的趋势。2.1嵌入式系统的概念虽然嵌入式系统是近几年才风靡起来的，但其历史可追溯到20世纪70年代。经过30多年的发展，在硬件和软件双螺旋式交替发展的支撑下，嵌入式技术趋于稳定和成熟，已被广泛应用于工业控制、交通管理、信息家电、家庭智能管理系统、POS网络及电子商务、环境检测、机器人等各个领域。毫不夸张的说，嵌入式系统己经无所不在。所以，研究和开发嵌入式系统有着十分重要的意义。2.2嵌入式系统的定义根据正EE(国际电气和电子工程师协

5、会)的定义，嵌入式系统是“控制、监视或辅助设备、机器和车间运行的装置，(原文为:devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants )，这主要是从应用上加以定义的。不过，上述定义并不能充分体现出嵌入式系统的精髓。目前，国内一个普遍被认同的定义是:以应用为中心、以计算机为基础，软、硬件可裁减，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。由于嵌入式系统本身是一个外延极广的名词，凡是与产品结合在一起的具有嵌入式特点的控制系统都可以叫嵌入式系统

6、，很难给它一个明确的定义。因此，目前通常把嵌入式系统概念的重点放在“系统”(即操作系统)上，指能够运行操作系统的软硬件综合体。 2.3嵌入式系统的特点从前面对嵌入式系统所作的定义，可以看出，嵌入式系统具有以下几个重要特征:系统内核小。由于嵌入式系统一般应用于小型电子装置，系统资源相对有限，所以内 核较之传统的操作系统要小得多。比如，ENEA公司的OSE分布式系统，内核只有 SKB，而Windows的内核则要大得多。专用性强。嵌入式系统的个性化很强，其中的软件系统和硬件结合非常紧密，一般要 针对硬件进行系统的移植;同时，针对不同的任务，往往需要对系统进行较大的更改。 另外，程序的编译下载要和系统

7、相结合。系统精简。嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的明显区分，不要求其功能的设 计及实现过于复杂，这样既利于控制系统成本，也利于实现系统安全。高实时性的操作系统软件是嵌入式软件的基本要求，而且软件要求固化存储，以提高 速度;软件代码要求高质量和高可靠性。嵌入式软件开发要想走向标准化，就必须使用多任务操作系统。嵌入式系统的应用程 序可以没有操作系统而直接在芯片上运行，但为了更合理的调度多任务，利用系统资 源、系统函数以及专家库函数接口，用户必须自行选配RTOS开发平台，以保证程序 执行的实时性、可靠性，并减少开发时间，保障软件质量。嵌入式系统开发需要专门的开发工具和环境。由于嵌入式系统本身不

8、具备自主开发能 力，即使完成设计后，用户通常也不能对其中的程序功能进行修改，因此必须有一套 基于通用计算机的开发工具和环境才能进行开发。2.4嵌入式系统的选型原则 嵌入式开发的硬件平台的选择主要是嵌入式处理器的选择，这主要取决于应用的领域、用户的需求、成本、开发的难易程度等因素。表2-1列出了几种常见嵌入式处理器的特性。表2-1常见的嵌入式处理器确定了嵌入式处理器内核以后，就是结合实际情况，考虑系统外围设备的需求情况，选择一款合适的处理器，基本思路如下: 系统总线的需求; 系统有无通用串行接口(UART ) ; 系统是否需要USB总线; 系统是否需要以太网接口; 系统内部是否需要IZC总线、S

9、PI总线; 音频D/A连接的ISA总线; 系统是否需要外设接口; 系统是否需要A/D或D/A接口; 系统是否需要I/O控制接口。另外，还要考虑处理器的寻址空间，有没有片上Flash存储器，处理器是否容易调试，仿真调试工具的成本和易用性等相关信息。第三章 气象要素采集处理的电路原理分析及设计无人自动站工作原理是自然环境气象状况的变化，引起自动气象站各传感器的感应元件输出的电量产生变化，这种变化量被CPU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，得出各个气象要素值，并按一定格式存储在采集器中，采集器每分钟向数据处理微机发送数据，实时将气象要素显示在计算机屏幕上，

10、在定时观测时刻，将气象要素值存入规定格式的定时数据文件中。根据业务需要实现各种气象报告的编发，形成各种气象记录报表和气象3.1数据采集器工作原理3.1.1数据采集器构成数据采集器由接口单元、信号处理、电源变换、单片机部分、通讯控制、显示及键盘单元和存储单元构成。原理框图如图3.1 图3.1采集器原理框图3.1.2数据采集器工作原理数据采集器主要由一个单片机及信号处理转换电路组成，在功能上可分为接口电路、数据采集、数据处理、数据存储、键盘显示、通信接口等部分。主要完成对传感器出来的各要素信号进行处理、换算为气象信息，供储存、显示、并输入计算机。在系统采集软件的支持下，数据采集器，中央处理器(CP

11、U)按时间顺序对气温、湿度、风向、风速、降水、气压等信号依次进行定时采集、运算、处理、显示、存储和通讯。3.1.3数据采集器采样自动气象站的数据采样在采集器中完成，采样顺序:气温、湿度、降水量、风向、风速、气压、地温。其中气温、湿度、气压、地温的采样速率为每分钟6次，去掉一个最大值和一个最小值，余下的4次采样值求算术平均。1分钟平均值为瞬时值。风向、风速的采样速率为每秒钟1次，求3秒钟、2分钟、10分钟的滑动平均值。3秒钟的平均值为瞬时值。降水量采样速率为每分钟1次。平均值在等时间间隔内取得，时间间隔不能超过传感器的时间常数。3.1.4温度信号采集温度传感器采用PT100铂电阻，利用其阻值随温

12、度变化的特性，经过电路处理，换算出相应的温度值。 图3.2温度信号处理框图采用集成恒流源芯片LM134，外加电阻输出恒定的电流，经滤波后给传感器提供稳定的电流。激励源经过接线端子加到温度传感器电缆上，在该PT 100铂电阻上产生一个电压信号，此电压信号的高端和低端经过传感器的电缆分别回传到模拟板上，经过电阻、防雷管,传到电子开关上，经过切换送到主仪表放大器上，经过21倍放大与参考电压比较后，输出信号加到电子开关,隔离驱动,插座，传到数字板上的AD转换器;经过单片机解算出此时的电压值。另外，本电路还同时采集到温度的标准信号。采集过程是这样的:激励源送到标准电阻上，产生一个电压信号，此电压信号的高

13、端和低端经过电子开关切换到仪表放大器上，经过21倍放大与参考电压比较后，输出信号加到电子开关,隔离驱动、插座，传到数字板上的AD转换器，每次采集温度信号的同时还要采集此信号，得到的两者电压值相比较，换算出温度值。3.1.5湿度电路连接方式 图3.3湿度信号处理框图湿度信号处理的流程是这样的:从传感器输出的电压信号经过接线端子传到模拟板上，经过防雷管传到电子开关上，经过切换送到主仪表放大器上，经过九倍放大与参考电压比较后，输出信号加到电子开关,隔离驱动、插座，传到数字板的AD转换器;经过单片机解算后显示出湿度值。第4章 自动气象站软件系统支撑自动气象站运行的软件系统通常由采集软件和业务软件组成。

14、采集软件是在采集器内运行，用于完成气象观测数据的采集、质量控制、数据处理、数据存储、运行状态检测和观测数据传送的软件。业务软件是在业务终端或自动气象站网中心站运行的软件，用于实现接收和显示采集器的观测数据，输入人工观测数据，进行数据资料质量控制处理，编发观测数据文件和地面气象观测报告，整理、编制地面气象报表，传送和存储观测资料和系统运行状态监控等。4.1采集软件采集器要以设定的时序和间隔对多个传感器测量通道进行数据采集，并对采集到的多个气象要素信息按规定算法进行加工处理，形成多个气象要素观测数据，并执行外部发送来的命令，进行数据交换。要完成这样的观测过程，通常采集软件将由一个实时多任务(多用户

15、)操作系统和能完成具体处理任务的应用软件组成。实时多任务操作系统按实时时钟的节拍调度和理任务的运行;应用软件则在实时多任务操作系统的调度和管理下执行确定的任务。通过采集软件的这种运行过程，实现采集器对各个气象要素的数据采集、处理、存储、传输等功能，完成地面气象观测业务。为了使自动气象站具有升级扩充能力，采集软件应能提供一个比较灵活的软件环境，即对一些系统配置设定和参数不在软件程序中固化死，而是设置成可按需要进行修改设定;另外在内存设置、数字代码设定等方面也事先考虑到未来扩充的需要，留有一定的余量作为扩充的空间。4.1.1采集软件的结构和基本功能自动气象站是一个具有多个数据通道的连续测量系统，它

16、需对多个传感器进行控制、测量和数据计算，它们的计算方法、测量和计算的时间间隔各不相同，而且要求各个参数分别可以随时修改;另外，它还需和外部通信，执行各种通讯命令。这些操作均需并行执行，互不相干，但有时还需要互相协调。因此，要求自动气象站的运行程序具有多种复杂的控制、管理和处理功能，满足实时采集各种数据的要求。为此自动气象站采用了一个实时多任务操作系统，它可同时运行16个任务，每个任务可独享MCS-51单片机的工作寄存器，以及内部RAM的大部分单元(包括堆栈区)和其他特殊功能寄存器。这个操作系统由任务调度、任务通信、实时时钟、输出输入及中断管理四部分组成。每个任务有三种状态:运行态、就绪态、休眠

17、态。运行态就是该任务处于运行状态，这时它可独占CPU和其他一些资源，但每次只能有一个任务处于运行态;就绪态就是该任务现在己具备运行条件，但由于己有其他任务在运行，故它只能处于等待状态;休眠态就是该任务需等待某项资源或某个事件的发生(如定时时间到)，这时它无法进行运行，处于停止状态，有当条件满足后，才能进入运行态或就绪态。任务的状态和转换见图4.1。任务的这些状态之间的转换由任务调度程序用优先级调度算法来控制，以保证实时性要求较高的任务(例如风速风向)优先得到控制权。图4.1任务的状态和转换各任务之间有时需进行通信，包括同步操作和互斥处理等。本系统采用信号量方法来完成任务通讯，建立资料申请子程序

18、(PSOP)和资料释放子程序(VSOP)，以完成二个任务之间的同步运行，也可完成对各种不可共享资源如A/D转换器，串行通信器，公共数据区等的互斥操作。各个任务的定时操作由定时控制程序和定时器中断处理程序来完成，具有计算年、月、日、时、分、秒、1 Oms的功能，并可完成各任务所需的定时或延时操作。可延时10-2550ms。也可定时10秒，几分钟或每天几点执行一次操作。各任务输入、输出操作采用中断方式。有串行口输入和串行口输出等几种系统调用，前者每调用一次，输入一个字符;后者每调用一次，输出一批数据。数据采集器内部软件框图如图4.2 图4.2采集软件任务框图自动气象站的各个任务处于并行运行状态，但

19、它们具有优先级关系，数据采样计算任务的优先级较高。其中风向、风速采样计算任务优先级最高，因为风速是采用计数器计数来测量的，测量的时刻与计数脉冲的多少有很大关系，所以它的实时性最强。在实时多任务操作系统中各个任务的结构除了任务间通讯外，与只完成单一任务的一般微机程序相同。由于采用了实时多任务操作系统，就可以很方便地实现扩充和修改，这给积木式结构的自动气象站在扩充测量要素(传感器)，增加和减少测量项目带来了很大的便利。也可以很容易地移植到其他应用场合。自动气象站能够采集气温、湿度、地温、气压、风向、风速、雨量等气象要素传感器输出的模拟量或数字量数据，完成数据的预处理、质量控制、计算瞬时值。平均值、

20、极值及其出现的时间，并可按命令的要求从串行通信口输出。各个任务运行之前，采集软件先要进行初始化，如CPU工作寄存器初始化、数据存贮器初始化、v0口初始化、计数器初始化、通信口初始化、日期时间置初值等等。4.1.2采集软件流程图以下列出采集软件中几个主要任务的流程图，包括任务调度(图4.3 ),温度类采样计算任务(图4.4) 图4.3任务调度任务流程图图4.4风向风速采样计算任务流程图第5章 数据传输及组网无人职守自动气象站要实现的最终目标就是将采集到的气象数据及时准确的传输到中心站，所以本章要介绍的就是数据的传输方式和组网功能。无线传输的方式有很多，目前多用的是CDMA, GSM, BLUET

21、OOTH等，每种传输方式都有其特点和优点。根据前文对GPRS和其他传输方式的优缺点分析，GPRS的无线传输方式符合气象部门的实际需求，最适合本课题的实际情况。5.3系统的构成与网络结构设计本系统包含了两种网络结构。一种网络结构GPRS网络结构，实现子站到中心站的数据传输;另外一种网络结构就是气象局已经建立的内部广域或局域网络，实现气象数据在中心站的传输和处理。GPRS网络实现气象信息的无线传输，而气象局内部广域网或局域网实现计算机之间数据的内部交换。本节将从系统网络结构和硬件组成两方面具体阐述本系统的构成和结构设计。5.3.1系统的网络结构设计 自动气象站系统采用的是星形结构的网络拓扑结构，每

22、个子站的数据直接传送到中心站服务器，该服务器同时连接公网和气象局内部网络。气象数据的传输有两种方式:一种方式是气象数据直接通过GPRS无线网络传送到数据中心服务器。另外一种方式是气象数据通过GPRS无线网络传送到地市级中心站，再通过气象局内部现有的局域网或广域网传送到数据中心服务器。根据国家气象局的实际需要，存储在中心服务器的气象数据经过处理后，也可以通过气象局内部网络传输至国家气象局信息中心。如图5.1所示:图5.1自动气象站系统网络结构图5.3.2系统的硬件组成自动采集系统由气象传感器、采集器、GPRS MODEM和计算机组成。各种传感器安装在监测现场，探测各种气象数据，采集器分析存储、发

23、送各种数据信息，通过RS232接口与GPRS MODEM相连，如图5.2所示图5.2自动气象站系统硬件组成图 结论本文在完成了气象要素的采集和处理系统，通过总结完成了该论文。本文介绍了气象采集自动化和网络化的意义及GPRS通讯的优点，分析了自动站的设计要求后，主要讨论了下面几个主要问题:(1)完成了各气象要素的信号采集传感器的选用和性能的分析。选择了合适的传感器,分析了各传感器的对外接口和性能，为我们的电路和处理软件设计提供了设计依据。(2)完成了系统硬件电路设计与传感器的接口，并设计了接口处理电路。同时对温度、湿度信号设计了调理电路。(3)GPRS通讯技术相对其它方式的优点，分析了接口参数和

24、技术要求，设计了可靠的通信接口电路，使气象数据可以可靠地通过GPRS通讯网络传给数据中心。 参考文献1李麟，李效东.气象仪器与观测方法指南.WMO手册中文版.第六版 56-57页2张霭深.现代气象观测.北京大学出版社.2000:87-92页3漫谈分布式自动气象站.中国气象学会2006年年会论文集.2006:2-5页4岳立成.总线制分布式气象要素分布时自动采集.气象水文海洋仪器.2005(3):11一16页5王永林.气象研究与应用.2009: 21-25页6林哗.大气探测学教程.气象出版社.1993: 78-82页7李黄.自动气象站实用手册.气象出版社，2007: 196-198页8习中国华云技

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