盡管我國自動(dòng)氣象站數(shù)目已達(dá)到3萬多個(gè),，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(duì)于偏遠(yuǎn)地區(qū)和惡劣環(huán)境下,，氣象站的長(zhǎng)時(shí)間工作就是一個(gè)亟需解決的問題^[1]。

        自動(dòng)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(yùn)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(jì)出一款低功耗的自動(dòng)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(gè)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(shí)，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(chǔ)器中，此時(shí),，主采集器退出低功耗睡眠模式,，讀取分采集存儲(chǔ)器中的氣象數(shù)據(jù)。在系統(tǒng)的每分鐘內(nèi),，絕大部分時(shí)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(dòng)氣象站的數(shù)據(jù)采集器可應(yīng)用于偏遠(yuǎn)地區(qū)自動(dòng)氣象站,，具有較好的市場(chǎng)前景,。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

        自動(dòng)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集,、處理、存儲(chǔ)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(duì)各個(gè)氣象要素進(jìn)行采集和存儲(chǔ)，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(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后存儲(chǔ)在Flash中，以便數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸和顯示,。軟件部分以Linux嵌入式操作系統(tǒng)為軟件平臺(tái),，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(dòng)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(jì)

2.1 主采集器

        主采集器是整個(gè)自動(dòng)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(gè)主/從SPI(串行設(shè)備接口)等^[4-5],。AT91RM9200負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部各模塊之間的協(xié)調(diào)工作,，整個(gè)主采集器結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

        在整個(gè)自動(dòng)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(duì)分采集器讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行控制運(yùn)算,、數(shù)據(jù)計(jì)算處理,、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制、數(shù)據(jù)記錄存儲(chǔ),，實(shí)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(duì)構(gòu)成自動(dòng)氣象站的所有分采集器進(jìn)行管理,，包括網(wǎng)絡(luò)管理,、運(yùn)行管理、配置管理,、時(shí)鐘管理等以協(xié)同完成自動(dòng)氣象站的功能^[3],。

2.2 分采集器設(shè)計(jì)

        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(hào)調(diào)理電路,。基本氣象要素?cái)?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(hào)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(gè)I/O,、4個(gè)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(shí)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(dòng)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(dòng)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(cè)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(hào),。風(fēng)速和雨量傳感器分別是EL15-1C型和FDY-02翻斗型，對(duì)應(yīng)輸出的是脈沖信號(hào),，風(fēng)速的頻率與風(fēng)速成正比,，通過單位時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)器的值即可完成風(fēng)速測(cè)量；翻斗雨量傳感器翻轉(zhuǎn)頻率與雨量成正比，通過單位時(shí)間內(nèi)(雨量計(jì)翻轉(zhuǎn)的次數(shù))計(jì)數(shù)器的值來完成雨量的測(cè)量,。EL15-2C杯式風(fēng)向傳感器輸出為7 bit格雷碼,，通過程序計(jì)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(shí)現(xiàn)與AT91RM9200之間的通信?；練庀笠?cái)?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(gè)SPI接口與主采集器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,，其中一個(gè)外接A/D轉(zhuǎn)換器,，另一個(gè)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(hào)線組成,，包括串行時(shí)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(hào)格式無需起始和停止信號(hào)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(dòng)啟動(dòng)主機(jī)發(fā)送,，在同步信號(hào)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(shí)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(shí)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(shí)復(fù)用通信,，其相應(yīng)的接口電路設(shè)計(jì)圖如圖4所示。

2.3 自動(dòng)氣象站的功耗分析

        當(dāng)前,，制約著自動(dòng)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(jì)自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)采集器時(shí),，應(yīng)盡量降低自動(dòng)氣象站的整體功耗,。

        自動(dòng)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(duì)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(yùn)行于其上的軟件來實(shí)現(xiàn)其處理信息的功能，軟件本身不會(huì)產(chǎn)生功耗,，但是軟件的數(shù)據(jù)存取和指令執(zhí)行都會(huì)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(dòng)態(tài)功耗和靜態(tài)功耗。動(dòng)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(hào)翻轉(zhuǎn)次數(shù),，V為系統(tǒng)的輸入電壓，f為時(shí)鐘頻率,，I_leak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(shí)驗(yàn)與結(jié)果

        自動(dòng)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(huì)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(chǔ)于主采集器的存儲(chǔ)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(shí)間均在休眠狀態(tài)。實(shí)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(dòng)氣象站的功耗大小,。設(shè)計(jì)完成后，系統(tǒng)通過多次測(cè)量靜態(tài)功耗（傳感器未工作）和動(dòng)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(chǎng)上主流的ZQZ_CⅡ型,、CAWS600型和DYYZ-Ⅱ自動(dòng)氣象站作比較，最終可以得到系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果,，如表1所示,。

        本文主要研究了自動(dòng)氣象站的數(shù)據(jù)采集和功耗問題，設(shè)計(jì)了新一代自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),。經(jīng)過初步測(cè)試,，將系統(tǒng)的基本6項(xiàng)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(dòng)氣象站得到了極大的改善，使得自動(dòng)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(yùn)行,，具有良好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。另外,，本數(shù)據(jù)采集器的靜態(tài)功耗偏高,，對(duì)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(zhǎng)時(shí)間工作的要求,。

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