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探析智能气象站的数据采集和通信传输系统设计与实现

为了更好地适应气象站传感设备动态接入的需求，可以基于MEMS传感器

技术设计智能气象站的数据采集和通信传输系统，进行软硬件开发和设计，通过

以太网通信协议，实现对温湿度、气压、风力、光照、雨量、空气指数等数据的

采集和通信。

标签：智能气象站；传感器；数据采集；通信传输系统

一、智能气象站数据采集与通信传输原理分析

智能气象站基于MEMS传感器进行数据采集和传输，它主要包括网速风向

传感器、气压传感器、温度湿度传感器、固定支架、风扇、通信线缆等部分，能

够将采集的模拟数据转化为数字信号。其中，基于MEMS的路面采集器可以利

用积水厚度传感器、温度检测传感器、冰点（盐度）传感器、路面状态传感器等

模块，进行自补偿、自诊断计算和信息传输。智能气象站的GPRS无线通信基于

GSM网络实现分组数据交换和传输，实现GSM系统的延展通信，在不固定占用

无线信道的前提下，通过Um接口实现用户移动设备与GPRS网络的链接和通信，

有效整合和利用信道资源。

二、智能气象站数据采集与通信传输系统的硬件设计

智能气象站数据采集与通信传输系统由数据采集、处理、传输三部分构成，

在单片机、信号处理转换电路及MEMS传感器的支持下，实现数据采集、处理、

换算等操作，并由主控系统实现数据信息的存储和远程传输。

主控系统的核心控制电路主要包括有以下部分：（1）GPRS模块。它主要采

用RS232串口和LVTTL串口实现硬件流的控制，支持PAP密码验证协议、

TCP/UDP通信和FTP/HTTP服务，实现对数据、短信、语音数据的传输。（2）

网络模块。主控系统利用该模块实现与MEMS气象采集器的数据传输，内置串

行外设接口ENC28J60芯片，实现对数据包的过滤和限制。同时，主控系统还利

用内置的DMA模块，快速吞吐数据并进行IP校验和计算。（3）存储模块。该

模块是借由SDIO接口实现对数据的读取、写入、存储等控制。（4）UART模块。

该模块面向GPRS模块发送AT指令，设置系统相关参数，并对输出TTL电平进

行转化，有效滤除电容器件中的高频噪声，实现GPRS无线网络的数据传输。（5）

电源模块。该模块采用正电压输出的低压降三端线性稳压电路芯片，为主控系统

提供稳定的电压。（6）时钟电路模块。该模块包括有高速内部时钟、高速外部时

钟、低速内部时钟、低速外部时钟、锁相环倍频输出等时钟源。

三、智能氣象站数据采集与通信传输系统软件设计

（一）系统核心软件架构

1.Чc/OS-II操作系统

该系统中各个任务依据其优先级进行运行，是一个开源性、抢占式的内核，

可以依据硬件信息进行修改和移植。其具体的层级结构为：上部为应用层，借由

底层驱动支持实现对不同硬件的屏蔽和隔离操作，用户可以基于这个多任务平台

编写应用程序。中间层则利用与硬件相关的代码进行系统裁剪和移植。最低层主

要存储与处理器相关的函数及宏定义。

2.驱动层

智能气象站数据采集与通信传输系统主要采用SDIO接口驱动和SPI接口驱

动的方式，对硬件进行访问。其中：SDIO接口驱动包括有AHB总线接口、SDIO

适配器，AHB总线接口可以控制SDIO适配器模块中的寄存器，发送或中断DMA

请求信号；SDIO适配器由寄存器单元、控制单元、命令通道、数据通道、数据

FIFO所构成，可以产生时钟，传送指令和数据。

（二）应用层软件设计

1.数据采集软件

利用MEMS传感器采集温度、湿度、气压、风力、雨量等气象数据，基于

以太网进行通信传输，并将模拟信号转化为数字信号，降低主控系统与数据采集

单元的耦合性，使系统得以延展和适用。

2.数据存储软件

该软件部分主要包括有上层接口、逻辑层、数据处理层和底层接口，其中：

上层接口主要提供给用户调用的函数；底层接口主要包括扇区的读写功能函数；

逻辑层和数据处理层则是FATFS文件系统的实现部分。

3.命令处理软件