文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B
文章編號： 0258-7998(2014)06-0036-03
盡管我國自動氣象站數(shù)目已達(dá)到3萬多個，但在很多無人區(qū)仍很少有氣象站。隨著氣象業(yè)務(wù)需求的提高，氣象站的密度也要不斷提高，特別是對于偏遠(yuǎn)地區(qū)和惡劣環(huán)境下，氣象站的長時間工作就是一個亟需解決的問題[1]。
自動氣象站的核心是數(shù)據(jù)采集器，數(shù)據(jù)采集器包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)運算、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制以及數(shù)據(jù)傳輸。國內(nèi)在低功耗方面的研究工作主要集中在數(shù)據(jù)傳輸和低功耗芯片的選擇上[2]。本文從業(yè)務(wù)需要角度出發(fā)，設(shè)計出一款低功耗的自動氣象站數(shù)據(jù)采集器。該采集器中將數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)采集任務(wù)分離，由兩個CPU分別完成數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理任務(wù)。利用MSP430F5438作為氣象要素采集芯片(分采集器)，AT91RM9200作為數(shù)據(jù)處理芯片(主采集器)。在進(jìn)行基本氣象要素采集時，主采集器進(jìn)入低功耗睡眠模式，根據(jù)氣象要素采集規(guī)范，在每分鐘內(nèi)，分采集器將采集到的數(shù)據(jù)保存在存儲器中，此時，主采集器退出低功耗睡眠模式，讀取分采集存儲器中的氣象數(shù)據(jù)。在系統(tǒng)的每分鐘內(nèi)，絕大部分時間主采集器處于深度休眠狀態(tài)，從而達(dá)到降低裝置平均功耗的目的。
該款低功耗自動氣象站的數(shù)據(jù)采集器可應(yīng)用于偏遠(yuǎn)地區(qū)自動氣象站，具有較好的市場前景。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計
自動氣象站數(shù)據(jù)采集器主要由AT91RM9200主采集器模塊、基本氣象要素的數(shù)據(jù)采集模塊以及軟件部分組成，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理、存儲和傳輸?shù)墓δ?sup>[3]。數(shù)據(jù)的采集主要通過MSP430F5438（分采集器）來完成，分采集器主要按照國家氣象局標(biāo)準(zhǔn)的采樣頻率對各個氣象要素進(jìn)行采集和存儲，在每分鐘采集完之后，分采集器將1 min內(nèi)采集的數(shù)據(jù)通過SPI接口發(fā)送給以AT91RM9200為核心的主采集器，主采集器模塊按氣象數(shù)據(jù)處理規(guī)范對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后存儲在Flash中，以便數(shù)據(jù)的實時傳輸和顯示。軟件部分以Linux嵌入式操作系統(tǒng)為軟件平臺，與終端微機(jī)或遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心進(jìn)行交互以協(xié)同完成自動氣象站數(shù)據(jù)采集的功能。采集器的系統(tǒng)組成如圖1所示。
2 硬件設(shè)計
2.1 主采集器
主采集器是整個自動氣象站的心臟，由嵌入式硬件和軟件組成。
主采集器采用Atmel公司的AT91RM9200作為系統(tǒng)的CPU，AT91RM9200內(nèi)含MMU虛擬內(nèi)存管理單元、16 KB SRAM和128 KB ROM、1個主/從SPI(串行設(shè)備接口)等[4-5]。AT91RM9200負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)內(nèi)部各模塊之間的協(xié)調(diào)工作，整個主采集器結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。
在整個自動氣象站數(shù)據(jù)采集器系統(tǒng)中，主采集器主要完成兩大功能：(1)讀取基本氣象要素分采集器采集的數(shù)據(jù)，對分采集器讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行控制運算、數(shù)據(jù)計算處理、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制、數(shù)據(jù)記錄存儲，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信和傳輸，并與終端微機(jī)或遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心進(jìn)行交互；(2)擔(dān)當(dāng)管理者角色，對構(gòu)成自動氣象站的所有分采集器進(jìn)行管理，包括網(wǎng)絡(luò)管理、運行管理、配置管理、時鐘管理等以協(xié)同完成自動氣象站的功能[3]。
2.2 分采集器設(shè)計
分采集器系統(tǒng)包括MSP430F5438芯片、組成該最小系統(tǒng)的外圍電路、基本氣象要素傳感器以及信號調(diào)理電路。基本氣象要素數(shù)據(jù)分采集器采用SPI總線通信方式與主采集器進(jìn)行數(shù)據(jù)連接。
2.2.1 MSP430芯片選型
TI公司54系列最新的型號MSP430F5438有很好的低功耗處理能力。它是一款16位RSIC結(jié)構(gòu)的MCU，其最高主頻為25 MHz，內(nèi)含256 KB的Flash、16 KB的RAM、87個I/O、4個串口通信接口、12 bit A/D轉(zhuǎn)換器、SPI通信接口等資源。相比傳統(tǒng)的STC、AVR、PIC、MSP430單片機(jī)，它的資源更加豐富，在超低功耗工作模式下，其使用時間能達(dá)到幾年以上[6-7]。正是由于上述資源的優(yōu)越性，本自動氣象站分采集器中的MCU主要采用MSP430F5438單片機(jī)。
2.2.2 基本氣象要素采集模塊
自動氣象站的基本氣象數(shù)據(jù)采集包括溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、雨量和氣壓。溫濕度測量采用Visala公司的HMP155D傳感器，其輸出的模擬量經(jīng)過四線制差分放大電路之后由模/數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為單片機(jī)可處理數(shù)字信號。風(fēng)速和雨量傳感器分別是EL15-1C型和FDY-02翻斗型，對應(yīng)輸出的是脈沖信號，風(fēng)速的頻率與風(fēng)速成正比，通過單位時間內(nèi)計數(shù)器的值即可完成風(fēng)速測量；翻斗雨量傳感器翻轉(zhuǎn)頻率與雨量成正比，通過單位時間內(nèi)(雨量計翻轉(zhuǎn)的次數(shù))計數(shù)器的值來完成雨量的測量。EL15-2C杯式風(fēng)向傳感器輸出為7 bit格雷碼，通過程序計算得到相應(yīng)的風(fēng)向。DYC1數(shù)字式氣壓傳感器的輸出是通過RS232傳輸，因此在氣壓傳感器與單片機(jī)之間需要有RS232接口電路。采用SPI來實現(xiàn)與AT91RM9200之間的通信。基本氣象要素數(shù)據(jù)采集的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。
2.2.3 SPI接口電路
本系統(tǒng)為主采集器與分采集器之間的通信預(yù)留了很多接口，在基本氣象要素的分采集器中采用了兩個SPI接口與主采集器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，其中一個外接A/D轉(zhuǎn)換器，另一個直接與數(shù)字量傳感器相連。
SPI（串行外設(shè)接口）共由3～4條信號線組成，包括串行時鐘（SCLK）、串行數(shù)據(jù)輸出（SDO）、串行數(shù)據(jù)輸入（SDI）。SPI通信的信號格式無需起始和停止信號同步。分采集器直接將要傳送的數(shù)據(jù)寫入到主機(jī)的數(shù)據(jù)寄存器中。在寫入主機(jī)的過程中自動啟動主機(jī)發(fā)送，在同步信號SCLK的作用下把串行數(shù)據(jù)輸出中的內(nèi)容一位一位地移到引腳數(shù)據(jù)接收端（SDI）。可以看出，用戶編程只需在發(fā)送數(shù)據(jù)時寫數(shù)據(jù)到SPI發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器；在接收數(shù)據(jù)時讀SPI接收數(shù)據(jù)寄存器。其余工作都由SPI內(nèi)部自帶的模塊完成[8]。本系統(tǒng)中MSP430F5438采用四線制的兩路SPI與AT91RM9200的SPI接口進(jìn)行分時復(fù)用通信，其相應(yīng)的接口電路設(shè)計圖如圖4所示。
2.3 自動氣象站的功耗分析
當(dāng)前，制約著自動氣象站廣泛發(fā)展的不是速度和工藝，而是設(shè)備的功耗。在設(shè)計自動氣象站數(shù)據(jù)采集器時，應(yīng)盡量降低自動氣象站的整體功耗。
自動氣象站數(shù)據(jù)采集器的功耗主要包括主采集器功耗、分采集器功耗以及智能傳感器的功耗。而在這些功耗中，主分采集器的功耗起著主導(dǎo)作用。分析主分采集器的功耗問題，對降低系統(tǒng)的整體功耗非常重要。主分采集器的功耗又包括系統(tǒng)的軟硬件功耗。雖然功耗最終是由硬件系統(tǒng)產(chǎn)生的，但是影響功耗的因素并不只是硬件。硬件依賴于運行于其上的軟件來實現(xiàn)其處理信息的功能，軟件本身不會產(chǎn)生功耗，但是軟件的數(shù)據(jù)存取和指令執(zhí)行都會使硬件產(chǎn)生功耗。因此要降低功耗，必須從嵌入式硬件和軟件兩方面著手考慮如何進(jìn)行功耗優(yōu)化。
從硬件來考慮，硬件的功耗主要分為動態(tài)功耗和靜態(tài)功耗。動態(tài)功耗是由硬件的負(fù)載電容充放電造成的，靜態(tài)功耗則是由漏電流造成的[9]。可以用式（1）表示：
其中：C為系統(tǒng)負(fù)載所代表的電容，N為電路每拍的信號翻轉(zhuǎn)次數(shù)，V為系統(tǒng)的輸入電壓，f為時鐘頻率，Ileak為漏電流。由式（1）可知，通過降低電壓和頻率可以降低系統(tǒng)的功耗。
3 實驗與結(jié)果
自動氣象站把數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理分開，使用超低功耗的MSP430F5438進(jìn)行采集，ARM9每隔1 min會進(jìn)行一次系統(tǒng)喚醒。在休眠期間，分采集器采集的數(shù)據(jù)將被存儲于主采集器的存儲器中，之后主采集器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。系統(tǒng)每分鐘內(nèi)只有6 s處于工作狀態(tài)，其余時間均在休眠狀態(tài)。實際系統(tǒng)的功耗單位是以電流為標(biāo)準(zhǔn)，通過量取系統(tǒng)總的平均電流來比較自動氣象站的功耗大小。設(shè)計完成后，系統(tǒng)通過多次測量靜態(tài)功耗（傳感器未工作）和動態(tài)功耗（傳感器正常工作）并取平均值，然后把所得結(jié)果與市場上主流的ZQZ_CⅡ型、CAWS600型和DYYZ-Ⅱ自動氣象站作比較，最終可以得到系統(tǒng)的測試結(jié)果，如表1所示。
本文主要研究了自動氣象站的數(shù)據(jù)采集和功耗問題，設(shè)計了新一代自動氣象站數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。經(jīng)過初步測試，將系統(tǒng)的基本6項氣象要素傳感器全部打開工作，系統(tǒng)功耗較傳統(tǒng)的自動氣象站得到了極大的改善，使得自動氣象站不再受市電供電的束縛，即使在偏遠(yuǎn)地區(qū)也能保證15天以上連續(xù)運行，具有良好的市場應(yīng)用前景。另外，本數(shù)據(jù)采集器的靜態(tài)功耗偏高，對于睡眠模式的軟件編程還需進(jìn)一步優(yōu)化，使之能夠更好地滿足系統(tǒng)長時間工作的要求。
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