張廣超1，馬尚昌1，劉鈞2

　?。?.成都信息工程大學(xué) 電子工程學(xué)院，四川 成都 610225； 2. 華云升達(dá)(北京)氣象科技有限責(zé)任公司，北京 102200）

　　摘要：針對(duì)目前在氣象研究領(lǐng)域中日照采集系統(tǒng)作業(yè)質(zhì)量效果和實(shí)時(shí)性差、系統(tǒng)智能化程度低以及科技含量低等問(wèn)題，對(duì)日照采集系統(tǒng)的通信方式、傳輸平臺(tái)、通信形式、位置定位及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等方面進(jìn)行了研究，提出了一種基于 GPRS 的遠(yuǎn)程無(wú)線采集日照數(shù)據(jù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)以 GPRS 網(wǎng)絡(luò)和Internet作為遠(yuǎn)程信號(hào)的傳輸平臺(tái)，采用了 STM32 處理器和 SIM900A 作為基本的硬件平臺(tái)。日照傳感器采用良好的感應(yīng)元件和材料，其感應(yīng)部件和數(shù)據(jù)采集處理單元集成在光筒內(nèi)；計(jì)算機(jī)端軟件實(shí)現(xiàn)了對(duì)日照數(shù)據(jù)的定時(shí)接收處理和查詢歷史數(shù)據(jù)操作等功能。

　　關(guān)鍵詞：日照數(shù)據(jù)采集；網(wǎng)絡(luò)傳輸；GPRS通信；數(shù)據(jù)處理

　　中圖分類(lèi)號(hào)：TP399文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.10.024

　　引用格式：張廣超，馬尚昌，劉鈞.日照數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36（10）：85-88.

0引言

　　*基金項(xiàng)目：國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開(kāi)發(fā)專(zhuān)項(xiàng)(2012YQ110205)

　　世界氣象組織對(duì)日照時(shí)數(shù)的定義是:在給定時(shí)段內(nèi)直接太陽(yáng)輻照度達(dá)到或超過(guò)120 W/m2的各分段時(shí)間的總和［12］。日照時(shí)長(zhǎng)數(shù)據(jù)的測(cè)量是太陽(yáng)輻射時(shí)間分布測(cè)量的重要組成部分。日照時(shí)數(shù)資料的主要用途是表征當(dāng)?shù)氐臍夂蚝兔枋鲞^(guò)去的天氣狀況，可以認(rèn)為日照時(shí)數(shù)較長(zhǎng)的地區(qū)有強(qiáng)烈的太陽(yáng)光，產(chǎn)生使人可以保持良好狀態(tài)的心理效應(yīng)；另外，合理利用氣候資源，研究每日的日照時(shí)長(zhǎng)數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)，在農(nóng)業(yè)上也有很大用途。同時(shí)日照時(shí)長(zhǎng)數(shù)據(jù)的采集有助于了解太陽(yáng)、地球表面和大氣間的輻射過(guò)程、能量轉(zhuǎn)換規(guī)律以及各輻射量的時(shí)空分布，研究大氣成分如懸浮微粒、水汽、臭氧等的分布和變化，滿足醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、建筑、工業(yè)和家庭等對(duì)太陽(yáng)能技術(shù)和輻射資料的要求。此外，輻射的分光譜測(cè)量可用來(lái)取得氣溶膠的光學(xué)厚度和大氣渾濁度，在農(nóng)業(yè)生物和醫(yī)療衛(wèi)生方面有著廣泛的用途。

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

　　日照數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究主要針對(duì)硬件平臺(tái)的建立、通信系統(tǒng)的搭建、上位機(jī)的編寫(xiě)三大部分來(lái)展開(kāi)，其中硬件平臺(tái)核心采用STM32處理器［3］，通用分組無(wú)線服務(wù)技術(shù) (General Packet Radio Service, GPRS)通信芯片采用客戶識(shí)別模塊(Subscriber Identification Module,SIM900A)，SIM900A是緊湊型、高可靠性的無(wú)線模塊，采用表面貼裝技術(shù)(Surface Mount Technology,SMT)封裝的雙頻全球移動(dòng)通信系統(tǒng)(Global System for Mobile Communication,GSM)/GPRS模塊，上位機(jī)框架采用WinForm［4］形式編寫(xiě)，主要負(fù)責(zé)日照數(shù)據(jù)、全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System,GPS)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程采集以及終端設(shè)備的定位，并且對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。數(shù)據(jù)傳輸（含日照數(shù)據(jù)和GPS數(shù)據(jù)）的設(shè)計(jì)采用Socket通信方式完成數(shù)據(jù)通信，由于傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不是很大，但要求數(shù)據(jù)可靠，故采用傳輸控制協(xié)議(Transmission Control Protocol,TCP)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，保證傳輸?shù)目煽啃?。采集?shù)據(jù)時(shí)，輸入的端口號(hào)與IP(Internet Protocol)配置正確時(shí)，上位機(jī)啟動(dòng)，等待接收數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫(kù)采用SQL Server 2008設(shè)計(jì)。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　2.1GPRS模塊

　　系統(tǒng)選擇了SIMCOM公司的SIM900A作為GPRS數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮诵哪K，SIM900A模塊傳輸速度一般在20 kb/s左右，本系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的速率大概為2 kb/s，所以SIM900A可以很好地滿足需求。SIM900A出廠默認(rèn)設(shè)置TCP/IP協(xié)議，用戶可以通過(guò)擴(kuò)展的標(biāo)準(zhǔn)指令集輕松地使用該模塊進(jìn)行基于TCP/IP協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸。同時(shí)，SIM900A模塊在低功耗和高度節(jié)能方面也非常出色，當(dāng)模塊處于待機(jī)狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)電流僅為1 mA。SIM900A支持標(biāo)準(zhǔn)的8線制串行接口，同時(shí)也支持2線制串行接口，便于調(diào)試測(cè)試。SIM900A模塊支持外部SIM卡，直接與3.0 V SIM卡或1.8 V SIM卡連接。模塊自動(dòng)檢測(cè)和適應(yīng)SIM卡類(lèi)型。SIM卡電路如圖2所示。

　　2.2GPS模塊

　　由于日照采集站點(diǎn)要布設(shè)多個(gè)，分布廣且數(shù)量多，因此需要將采集站點(diǎn)位置信息發(fā)送給監(jiān)控中心。同時(shí)日照數(shù)據(jù)分析時(shí)也需要采集站點(diǎn)經(jīng)緯度信息?；诔杀?、開(kāi)發(fā)難度及產(chǎn)品現(xiàn)狀的考慮，系統(tǒng)中采用美國(guó)GPS定位系統(tǒng)作為采集系統(tǒng)的定位模塊。其中，本系統(tǒng)采用UBLOX公司的NEO6M作為日照采集系統(tǒng)GPS模塊接收芯片，這款芯片能夠在偏遠(yuǎn)或信號(hào)較弱的地區(qū)接收到衛(wèi)星信號(hào)，定位精度最高可達(dá)2.5 m，能夠很好地滿足本系統(tǒng)的需要；能夠提供較高的時(shí)間脈沖，其提供的脈沖時(shí)間精度能夠達(dá)到15 ns，同時(shí)能夠接收GPS完整信號(hào)；具有接收50個(gè)衛(wèi)星信號(hào)通道的功能，能夠接收不同系統(tǒng)的定位信號(hào)；接口通信協(xié)議簡(jiǎn)單，易于集成。GPS與STM32模塊的通信［5］是通過(guò)串口實(shí)現(xiàn)的，本系統(tǒng)利用USART接收GPS模塊的經(jīng)緯度信息。GPS模塊及其外圍電路如圖3所示。

　　2.3日照采集設(shè)計(jì)

　　2.3.1采集模塊設(shè)計(jì)

　　日照采集模塊是基于總輻射散射輻射測(cè)量原理實(shí)現(xiàn)日照的自動(dòng)觀測(cè)。日照采集模塊要實(shí)現(xiàn)兩大功能：一是感應(yīng)太陽(yáng)輻射的變化；二是完成數(shù)據(jù)的采集運(yùn)算處理［6］、存儲(chǔ)和傳輸，與STM32芯片進(jìn)行通信。

　　數(shù)據(jù)采集核心控制電路板以TI公司的MSP430F1611低功耗微處理器為控制核心。MSP430F1611內(nèi)部具有一個(gè)強(qiáng)大的16位RISC CPU、16位的寄存器以及常數(shù)發(fā)生器，能夠最大限度地提高代碼效率；系統(tǒng)在短時(shí)間內(nèi)采集到一定量的數(shù)據(jù)需要緩存，而MSP430F1611的RAM達(dá)到10 KB，足夠提供緩存空間；MSP430F149內(nèi)部帶有12位ADC模塊，可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)光電感信號(hào)的采集；MSP430F1611系列微控制器工作環(huán)境溫度范圍為-40℃~80℃，能夠適應(yīng)氣象探測(cè)所需求的外界環(huán)境。綜上，其性能指標(biāo)能夠很好地滿足系統(tǒng)需求。

　　2.3.2光電傳感器原理

　　光電感應(yīng)元件由濱松高性能光電二極管和特殊透光材料組成。光電二極管能夠?qū)⒐庑盘?hào)轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)，而且成一定比例關(guān)系?；诳傒椛洫采⑸漭椛錅y(cè)量原理測(cè)量日照，對(duì)三個(gè)光電感應(yīng)器件排布有特殊要求。三個(gè)光電感應(yīng)元件應(yīng)安放于一個(gè)透明玻璃罩內(nèi)，避免外界環(huán)境影響；其中一個(gè)光電感應(yīng)器件用于測(cè)量總輻射，另外兩個(gè)光電感應(yīng)器件分別用于測(cè)量上午和下午的散射輻射，其遮光罩采用特殊的全分天空方式，使二者不能同時(shí)暴露于陽(yáng)光下。

3系統(tǒng)上位機(jī)設(shè)計(jì)

　　3.1軟件設(shè)計(jì)與流程

　　上位機(jī)數(shù)據(jù)接收軟件是在Visual Studio環(huán)境下開(kāi)發(fā)的［78］，用戶可在該環(huán)境下運(yùn)用不同的程序語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)。本設(shè)計(jì)選用了Visual C#2010，它是一種面向?qū)ο蟮木幊陶Z(yǔ)言，它編寫(xiě)的應(yīng)用程序可運(yùn)行于.NET Framework上。本設(shè)計(jì)的上位機(jī)軟件希望能夠利用多線程去處理下位機(jī)發(fā)來(lái)的日照數(shù)據(jù)和GPS數(shù)據(jù)并且顯示到不同的接收窗口中，在GPS信息窗口通過(guò)將定位的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后調(diào)用百度地圖API實(shí)現(xiàn)位置的顯示，同時(shí)將顯示在上位機(jī)界面的數(shù)據(jù)存放本地計(jì)算機(jī)，也可以上傳數(shù)據(jù)庫(kù)，本系統(tǒng)采用SQL Server建立數(shù)據(jù)庫(kù)及數(shù)據(jù)表［9］。整個(gè)軟件系統(tǒng)流程圖如圖4所示。

　　3.2上位機(jī)通信

　　目前大部分的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信都是采用上位機(jī)端和客戶端的形式完成的。這種數(shù)據(jù)通信方式一般通過(guò)兩個(gè)不同的應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)，它們運(yùn)行于不同的機(jī)器上并且通過(guò)建立網(wǎng)絡(luò)連接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。通常客戶端與上位機(jī)的通信方式一般有兩種形式，一種是HTTP的形式，另一種是基于Socket的方式。HTTP通信方式是客戶端先向上位機(jī)發(fā)起連接請(qǐng)求，然后等待上位機(jī)對(duì)其做出應(yīng)答，此時(shí)客戶端才能與上位機(jī)傳輸數(shù)據(jù)，一旦這次數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束后就會(huì)自動(dòng)釋放本次連接,下次傳輸數(shù)據(jù)時(shí)客戶端還需要重新與上位發(fā)起連接，再次等待上位機(jī)的應(yīng)答。而Socket通信形式是客戶端發(fā)起與上位機(jī)建立連接的請(qǐng)求后，上位機(jī)處理請(qǐng)求并與之建立連接，一旦連接建立好了之后即可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，免除了許多拆包、封包等復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程，采用數(shù)據(jù)流的格式進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送，一旦建立連接后不需要每次向上位機(jī)建立連接請(qǐng)求，并且具有數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確率高的優(yōu)點(diǎn)，因此 Socket 這種通信模式被廣泛地運(yùn)用于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸。本系統(tǒng)就是采用基于Socket通信方式來(lái)完成數(shù)據(jù)通信。本系統(tǒng)服務(wù)器與客戶端之間的通信模型如圖5所示。

　　Socket的通信模型有兩種［10］：TCP和UDP。TCP(面向連接方式)采用IP流的形式數(shù)據(jù)發(fā)送,數(shù)據(jù)的傳輸過(guò)程當(dāng)中丟包少，傳輸可靠。UDP(無(wú)連接服務(wù))采用數(shù)據(jù)報(bào)文的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收送，不保證數(shù)據(jù)的可靠性。由于本系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不是很大，但是要求數(shù)據(jù)可靠，因此為了確保傳輸?shù)目煽啃?，減少丟包，本系統(tǒng)采用了TCP的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。

　　3.3Socket編程

　　由于本設(shè)計(jì)選用的GPRS模塊內(nèi)部包含TCP協(xié)議，只需要通過(guò)AT指令操作GPRS模塊以TCP客戶端的方式發(fā)送數(shù)據(jù)，因此只需要完成上位機(jī)數(shù)據(jù)接收的應(yīng)用程序編寫(xiě)即可。由于本系統(tǒng)采用的是C#語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)應(yīng)用程序，里面包含許多網(wǎng)絡(luò)編程所需的類(lèi)和方法，在編程的過(guò)程中可調(diào)用這些類(lèi)和方法。首先要實(shí)例一個(gè)Socket對(duì)象［11］，設(shè)置其傳輸?shù)母袷胶推鋫鬏攨f(xié)議，然后創(chuàng)建一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)對(duì)象要包含其IP地址和端口號(hào)，再把實(shí)例好的套接字綁定到對(duì)應(yīng)的IP和端口號(hào)上，并開(kāi)始監(jiān)聽(tīng)來(lái)自下位機(jī)的連接，此處要設(shè)置一下監(jiān)聽(tīng)隊(duì)列長(zhǎng)度即同時(shí)處理請(qǐng)求連接的個(gè)數(shù)，由于本次只實(shí)現(xiàn)了一個(gè)客戶端，但是上位機(jī)軟件監(jiān)聽(tīng)的客戶端數(shù)量可以自由設(shè)置（為了以后組網(wǎng)，方便擴(kuò)展），最后調(diào)用Accept()函數(shù)處理客戶的連接，當(dāng)有客戶向服務(wù)器發(fā)起連接的時(shí)候，就會(huì)分配一個(gè)新的套接字，通過(guò)Send()和Recv()函數(shù)實(shí)現(xiàn)與客戶端之間的通信，循環(huán)接收和送數(shù)據(jù)，為了防止掉線，收到數(shù)據(jù)后自動(dòng)回復(fù)內(nèi)容，相當(dāng)于系統(tǒng)已經(jīng)做了心跳處理。

　　3.4上位機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)

　　本系統(tǒng)不僅能夠把數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示到界面系統(tǒng)上，同時(shí)還能夠把顯示的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)起來(lái)，因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)存放日照數(shù)據(jù)。本設(shè)計(jì)選用微軟公司SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)［12］來(lái)存放數(shù)據(jù)。本程序采用SQL Server 2008R2版本設(shè)計(jì)日照存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)Sundata。同時(shí)能將數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)同步到上位機(jī)軟件的DataGridView控件中，能夠按照時(shí)間查詢歷史數(shù)據(jù)，并且實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)導(dǎo)出至Excel表格。導(dǎo)出表格并沒(méi)有采用官方提供的Excel專(zhuān)門(mén)類(lèi)庫(kù)，在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)用此種方法與Office版本及其卸載殘留有很大關(guān)系，經(jīng)常出錯(cuò)，移植性不好，所以采用了第三方的NPOI.dll，這樣不會(huì)因計(jì)算機(jī)的Office的不同版本而出現(xiàn)問(wèn)題，便于程序的移植和分析數(shù)據(jù)。

　　3.5地圖功能實(shí)現(xiàn)

　　3.5.1GPS坐標(biāo)解析

　　GPS坐標(biāo)解析輸出數(shù)據(jù)采用的是ASCII碼，內(nèi)容包含了緯度、經(jīng)度、高度、速度、日期、時(shí)間、航向以及衛(wèi)星狀況等信息，常用語(yǔ)句有6 種，包括GGA、GLL、GSA、GSV、RMC 和 VTG。根據(jù)設(shè)計(jì)的需求來(lái)選擇不同的格式，這里采用了常見(jiàn)的GPRMC格式的語(yǔ)句，$GPRMC,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,<10>,<11><CR><LF>各個(gè)字符依次代表著不同的信息，根據(jù)需要提取了重要的經(jīng)度、緯度信息，由于上述經(jīng)度、緯度數(shù)據(jù)格式采用的是：度度分分.分分分分（ddmm.mmmm）格式，在程序中通過(guò)編寫(xiě)函數(shù)將其轉(zhuǎn)化為度的格式，為后面的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換提供方便。

　　3.5.2地圖顯示

　　上位機(jī)地圖是是利用百度地圖API來(lái)實(shí)現(xiàn)的［13］，由于GPS模塊傳來(lái)的GPS信息中的經(jīng)度、緯度信息是真實(shí)的坐標(biāo)，利用地圖服務(wù)商提供的地圖顯示偏差會(huì)很大，因?yàn)槭艿絿?guó)家一些法律法規(guī)限制，所有的電子地圖服務(wù)提供商都需要給地圖數(shù)據(jù)加上偏移和加密。所謂的地圖數(shù)據(jù)加密偏移，其實(shí)就是用一個(gè)偏移算法對(duì)地圖的經(jīng)緯度做一個(gè)加減偏移量，從而達(dá)到與實(shí)際地圖不一致。偏移算法本身是沒(méi)有什么規(guī)律可言的，每家地圖服務(wù)商都有一套自己的加密偏移算法，國(guó)內(nèi)地圖應(yīng)用顯示的都不是真實(shí)的GPS坐標(biāo)，所以百度對(duì)外提供的坐標(biāo)系是百度自己的坐標(biāo)系，而GPS獲得的是原始坐標(biāo)，兩者不在一個(gè)坐標(biāo)系上，所以有很大的誤差，誤差在千米之外，這顯然不能滿足需要。所以必須進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，把兩者換成統(tǒng)一坐標(biāo)系。換成原始GPS坐標(biāo)在國(guó)內(nèi)原則上是違法的，所以只能統(tǒng)一成各個(gè)地圖運(yùn)營(yíng)商自己的坐標(biāo)系，本文選擇百度坐標(biāo)系。

4結(jié)論

　　針對(duì)目前日照采集作業(yè)通信方式單一、作業(yè)場(chǎng)景有缺陷的問(wèn)題，本文以嵌入式系統(tǒng)為平臺(tái)，提出了一種基于 GPRS 的遠(yuǎn)程無(wú)線采集日照數(shù)據(jù)系統(tǒng)，對(duì)當(dāng)?shù)亟?jīng)緯度、直接輻射輻照度、日照分鐘累計(jì)、小時(shí)累計(jì)、日累計(jì)等信息采集獲取技術(shù)進(jìn)行了研究，建立了一套現(xiàn)代化的、適合多場(chǎng)合的數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)。整個(gè)作業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由ARM中央處理器、采集作業(yè)數(shù)據(jù)的相關(guān)傳感器、供電管理電路及GPS模塊、GPRS通信模塊組成。采集的日照數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS通信傳送至計(jì)算機(jī)，用計(jì)算機(jī)當(dāng)作數(shù)據(jù)中心對(duì)獲取的數(shù)據(jù)信息整合處理。用計(jì)算機(jī)不僅可以實(shí)時(shí)獲取所需要的信息，而且提供了對(duì)已有歷史數(shù)據(jù)查詢的功能。

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