傳統(tǒng)的氣象數(shù)據(jù)采集通常采用人工氣象站的方式，需要測(cè)量人員攜帶測(cè)量儀器實(shí)地進(jìn)行測(cè)量，自動(dòng)化程度低。隨著現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了基于Internet的氣象數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。這種系統(tǒng)利用Internet實(shí)現(xiàn)氣象站和數(shù)據(jù)中心的通信，具有可靠性高、實(shí)時(shí)性好、傳輸距離遠(yuǎn)的優(yōu)點(diǎn)；但它也存在一些明顯的不足，如網(wǎng)絡(luò)設(shè)備購置、運(yùn)行和維護(hù)的成本較高、嚴(yán)重依賴于Internet，在某些特殊場(chǎng)合如野外氣象探測(cè)或高空氣象探測(cè)中無法采用等。本文介紹的遠(yuǎn)程無線氣象數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有效地彌補(bǔ)了上述兩種方式的不足，利用無線模塊" title="無線模塊">無線模塊實(shí)現(xiàn)氣象站和數(shù)據(jù)中心的通信，具有高精度、高可靠性、遠(yuǎn)傳輸距離、低功耗、自動(dòng)化程度高、方便靈活的特點(diǎn)，可以應(yīng)用于野外氣象探測(cè)和高空氣象探測(cè)等場(chǎng)合。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
　　如圖1所示，系統(tǒng)主要包括兩大部分：數(shù)據(jù)中心和氣象站。數(shù)據(jù)中心主要由PC機(jī)、無線模塊及上位機(jī)軟件構(gòu)成。氣象站主要由各種傳感器、A/D" title="A/D">A/D轉(zhuǎn)換器、無線模塊、單片機(jī)及下位機(jī)軟件等構(gòu)成。系統(tǒng)中通常包含一個(gè)數(shù)據(jù)中心和若干個(gè)氣象站，不同的氣象站被分配不同的地址用以互相區(qū)分,系統(tǒng)中氣象站的最大個(gè)數(shù)為256個(gè)。數(shù)據(jù)中心作為系統(tǒng)的中心節(jié)點(diǎn)，可與各氣象站進(jìn)行全雙工通信，負(fù)責(zé)完成控制幀發(fā)送、數(shù)據(jù)接收、解碼、后處理及顯示、保存等。氣象站接收到數(shù)據(jù)中心發(fā)送的控制幀后，檢測(cè)控制幀中的8bit地址，若與本地地址一致，則啟動(dòng)溫度、濕度、壓強(qiáng)的測(cè)量，測(cè)量結(jié)束后將測(cè)量數(shù)據(jù)回送給數(shù)據(jù)中心。系統(tǒng)包含兩種幀：控制幀和數(shù)據(jù)幀?？刂茙糜谙滦袀鬏?數(shù)據(jù)中心→氣象站)，其作用是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心對(duì)氣象站的控制；數(shù)據(jù)幀用于上行傳輸(氣象站→數(shù)據(jù)中心)，用于氣象站向數(shù)據(jù)中心回送數(shù)據(jù)。控制幀和數(shù)據(jù)幀的格式如圖2所示。

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　　控制幀長度為24bits，包含8bits地址及16bits的固定后綴。數(shù)據(jù)幀長度為168bits，其中最高的8bits為本地地址，其后依次是溫度、濕度、氣壓以及用于將來擴(kuò)展的風(fēng)向、風(fēng)速、海拔、經(jīng)度、緯度等數(shù)據(jù)，分別用16bits表示。由于無線信道誤碼率較高，因此采用了32bits的CRC校驗(yàn)，以確保數(shù)據(jù)的正確性，校驗(yàn)和放在數(shù)據(jù)幀尾部。
2 硬件設(shè)計(jì)
2.1數(shù)據(jù)中心
　　數(shù)據(jù)中心的硬件部分包括PC機(jī)和無線模塊兩部分。無線模塊采用上海桑瑞電子生產(chǎn)的微功率無線模塊SRWF-108，它是一個(gè)全雙工無線模塊，工作在433MHz頻段，采用FSK調(diào)制方式，具有8個(gè)可用信道；具有1W的典型發(fā)射功率及-105dBm的接收靈敏度，在視距情況下，天線高度大于3米,有效通信距離大于3公里。具有兩個(gè)串口" title="串口">串口、三種接口方式，可支持RS232/485接口或CMOS/TTL電平的UART口，同時(shí)支持1200bps、2400bps、4800bps、9600bps、19200bps等多種通信速率。在本系統(tǒng)中，SRWF-108與PC機(jī)采用RS232接口進(jìn)行連接。
2.2 氣象站
　　氣象站中主要包含5V電源、溫度傳感器、濕度傳感器" title="濕度傳感器">濕度傳感器、氣壓傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)、無線模塊等。各模塊之間的連接如圖3所示。

　　單片機(jī)采用Atmel公司的51系列Flash單片機(jī)AT89S52,它具有成本低、性能高的特點(diǎn)。其內(nèi)部集成了一個(gè)增強(qiáng)型8051內(nèi)核、256Byte的RAM、8KByte的Flash ROM、3個(gè)16bit定時(shí)器、1個(gè)全雙工UART口、2個(gè)外部中斷源、32個(gè)通用I/O口(部分為復(fù)用管腳)，系統(tǒng)時(shí)鐘最高可達(dá)33MHz。
　　無線模塊仍采用SRWF-108。因?yàn)閱纹瑱C(jī)的UART口為CMOS電平，因此將其與SRWF-108的UART口相連即可。
　　溫度傳感器采用Microchip公司的TC72，其分辨率為10位(0.25℃/bit),溫度測(cè)量范圍為-55~+125℃。具有±0.5℃的典型精度，-40~+85℃范圍內(nèi)的最大誤差為±2℃；可工作在連續(xù)測(cè)量和單次測(cè)量兩種模式下，連續(xù)測(cè)量模式下的電流消耗僅為250μA，關(guān)斷模式下低于1μA。接口方式為SPI口，可直接與AT89S52接口。在設(shè)計(jì)中采用了單片機(jī)P2口的0、1、2、3腳構(gòu)成軟件SPI口，與TC72進(jìn)行接口，如圖4所示。

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　　濕度傳感器采用Honeywell公司的HIH3610。它是帶溫度補(bǔ)償?shù)臐穸葌鞲衅鳎哂小?%的精度，輸出隨相對(duì)濕度線性增長的模擬電壓，電壓范圍大約為0.8~3.9V(不同溫度下、不同器件的輸出略有不同，應(yīng)參照與具體器件配套的參數(shù)表)。
　　氣壓傳感器采用了Freescale公司的MAX4115AP。它是一款帶片上信號(hào)調(diào)理及溫度補(bǔ)償功能的絕對(duì)壓強(qiáng)傳感器，氣壓測(cè)量范圍為15~115kPa,0~85℃內(nèi)最大測(cè)量誤差為±1.5%。輸出模擬電壓隨絕對(duì)壓強(qiáng)線性增長，典型范圍大約在0.204~4.794V之間。
　　HIH3610的驅(qū)動(dòng)能力較弱，因此必須在它和A/D轉(zhuǎn)換器之間增加一個(gè)緩沖級(jí)。另一方面，MPX4115AP輸出電壓范圍超出了A/D轉(zhuǎn)換器的量程，因此在它和A/D轉(zhuǎn)換器之間插入一個(gè)2/3比例運(yùn)放" title="運(yùn)放">運(yùn)放級(jí)，將它的輸出變換到A/D轉(zhuǎn)換器的量程之內(nèi)。同時(shí)，為了降低噪聲干擾，提高測(cè)量的準(zhǔn)確性，需要對(duì)濕度傳感器和氣壓傳感器的輸出進(jìn)行低通濾波。為了有效濾除噪聲，要求濾波器的截止頻率盡可能地低。但另一方面，濾波器通帶越窄，傳感器的響應(yīng)時(shí)間也越長。綜合噪聲濾除和響應(yīng)時(shí)間兩方面來考慮，選取了直流增益為1、截止頻率為50Hz的二階Butterworth低通濾波器對(duì)傳感器的輸出進(jìn)行濾波。具體如圖5所示。
　　LMV324ID為TI公司的四路運(yùn)放，它采用5V電源供電，具有滿擺幅輸出、低靜態(tài)功耗、低溫漂、低失調(diào)、共模抑制比高的特點(diǎn)。圖5中，R2、R3、C5、C7及運(yùn)放單元2構(gòu)成一路Butterworth低通濾波器，用于對(duì)濕度傳感器的輸出進(jìn)行濾波，同時(shí)也起到緩沖器的作用。R1、R4、C6、C8及運(yùn)放單元1構(gòu)成另一路Butterworth低通濾波器，用于對(duì)氣壓傳感器的輸出進(jìn)行濾波。該濾波器與由R5、R6、R7及運(yùn)放單元4構(gòu)成的2/3比例運(yùn)算器級(jí)聯(lián)，完成濾波、緩沖、比例運(yùn)算，結(jié)果從運(yùn)放單元4的OUT腳輸出。為保證足夠精度，比例運(yùn)算器中的電阻R5、R6、R7采用絕對(duì)誤差為±0.5%、溫度系數(shù)為50ppm的精密電阻。
　　運(yùn)放輸出的濕度、氣壓模擬量分別占用了A/D轉(zhuǎn)換器MCP3004的通道3、4。MCP3004為Microchip公司的4通道10bit A/D轉(zhuǎn)換器，它集成了片上采樣/保持電路，最大采樣速率為200ksps(VDD=5V時(shí))，最大DNL和INL均為1LSB。MCP3004與單片機(jī)的接口圖如圖6所示。

　　由于氣象站采用電池供電，因此必須盡可能降低系統(tǒng)功耗。在不需要測(cè)量時(shí)，溫度傳感器、氣壓傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、電壓參考、運(yùn)放及無線模塊的發(fā)射部分全部關(guān)斷，單片機(jī)工作在低功耗的空閑模式。其中，氣壓傳感器和運(yùn)放的關(guān)斷控制通過一個(gè)模擬開關(guān)實(shí)現(xiàn)(如圖3所示)。濕度傳感器的功耗較低(電流消耗僅200μA)且啟動(dòng)時(shí)間較長(15秒),為降低測(cè)量等待時(shí)間，對(duì)它不采用關(guān)斷控制。無線模塊在無數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)僅接收部分處于工作狀態(tài)，發(fā)送部分自動(dòng)關(guān)斷，因此不需要專門對(duì)它進(jìn)行控制。
3 軟件設(shè)計(jì)
3.1單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)
　　單片機(jī)負(fù)責(zé)完成控制幀接收、啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集過程、對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼及發(fā)送等任務(wù)。單片機(jī)軟件流程圖如圖7所示。

　　在不需要進(jìn)行測(cè)量時(shí)，系統(tǒng)處于低功耗模式，此時(shí)溫度傳感器、氣壓傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、電壓參考、運(yùn)放處于關(guān)斷狀態(tài)，單片機(jī)處于低功耗模式，無線模塊的接收部分工作，發(fā)送部分關(guān)斷。當(dāng)無線模塊收到數(shù)據(jù)時(shí)，通過串口將數(shù)據(jù)傳給單片機(jī)。單片機(jī)串口接收到數(shù)據(jù)后，產(chǎn)生串口接收中斷，激活單片機(jī)，使單片機(jī)從低功耗模式進(jìn)入正常模式，執(zhí)行完串口中斷子程序后跳入主程序，對(duì)控制幀緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)檢測(cè)到包含本地地址的有效控制幀時(shí)，將啟動(dòng)各模塊完成測(cè)量過程，測(cè)量完畢后進(jìn)行數(shù)據(jù)編碼、發(fā)送，然后系統(tǒng)重新進(jìn)入低功耗模式。若檢測(cè)不到包含本地地址的有效控制幀，則直接進(jìn)入低功耗模式。
　　由于各模塊在啟動(dòng)時(shí)需要一定的啟動(dòng)時(shí)間，并且本系統(tǒng)中A/D轉(zhuǎn)換器及溫度傳感器的時(shí)序均需要通過軟件實(shí)現(xiàn)，因此提供一個(gè)準(zhǔn)確的時(shí)間節(jié)拍是必要的。這里采用單片機(jī)的定時(shí)器0產(chǎn)生一個(gè)間隔為1ms的時(shí)鐘節(jié)拍。定時(shí)器0為16bit定時(shí)器，運(yùn)行在自由計(jì)數(shù)模式下，其初值被預(yù)置為0xFC18，每個(gè)機(jī)器周期(在本系統(tǒng)中為1μs)計(jì)數(shù)加1；當(dāng)計(jì)滿溢出時(shí)，將產(chǎn)生一個(gè)定時(shí)器0溢出中斷，系統(tǒng)跳轉(zhuǎn)至定時(shí)器0中斷子程序，定時(shí)器0被重置為0xFC18，進(jìn)入下一計(jì)數(shù)循環(huán)，同時(shí)時(shí)間變量加1。通過這種方式，能夠提供一個(gè)分辨率為1ms、最大時(shí)間間隔為65535ms(時(shí)間變量為16bit整型時(shí))的準(zhǔn)確定時(shí)。通過查詢時(shí)間變量前后兩次的值，即可獲得準(zhǔn)確的時(shí)間間隔。
3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)
　　數(shù)據(jù)中心硬件較為簡單，主要包含PC機(jī)和無線模塊兩部分，它們之間通過RS-232口進(jìn)行通信?？刂茙陌l(fā)送以及數(shù)據(jù)的接收、解碼、后處理、顯示等通過上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)。上位機(jī)軟件具有一個(gè)可視化的操作界面，如圖8所示。