无线远程气象数据采集系统设计.doc

无线远程气象数据采集系统设计 摘　要： 提出了一种采用无线方式远程采集大气温度、湿度、气压等数据的气象数据采集系统的设计方案。通过在元器件选型及软硬件设计上的精心考虑，以相对较低的成本实现了一个高精度、远传输距离、低功耗、宽工作温度范围的远程气象数据采集系统。　　关键词： 气象 数据采集 无线 单片机 　　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 系统总体设计　　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。 　　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 硬件设计2.1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。2.2 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250μA，关断模式下低于1μA。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。 　　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F