一種獨(dú)立供電系統(tǒng)的野外遠(yuǎn)程小型氣象站設(shè)計(jì)*

蔡植善，洪斯星 ，蔡嘉燦，曾永西

(1.泉州師范學(xué)院物理與信息工程學(xué)院，福建 泉州 362000;2.泉州豐澤華譽(yù)電子器件研究所，福建 泉州 362000)

加強(qiáng)防災(zāi)減災(zāi)體系建設(shè)，加快建立環(huán)境和地質(zhì)監(jiān)測(cè)預(yù)警體系，是國(guó)家在“十二五規(guī)劃”中的一項(xiàng)重要內(nèi)容［1］。沿海和山區(qū)縣的野外環(huán)境，由于受地形地貌、地質(zhì)條件、氣候條件等綜合因素的影響，發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害具有點(diǎn)多、面廣、危害性大、突發(fā)性強(qiáng)等共同特點(diǎn)。特別是每年的6 月～9 月間，是暴雨和臺(tái)風(fēng)的多發(fā)季節(jié)，頻繁發(fā)生滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害，嚴(yán)重威脅人民的生命財(cái)產(chǎn)安全，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生與當(dāng)?shù)氐臍庀髼l件、特別是實(shí)時(shí)雨量和歷史雨量有密切的關(guān)系［2－4］。因此，對(duì)氣象元素的數(shù)據(jù)采集，是地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)與預(yù)警的一項(xiàng)重要組成部分。

在條件惡劣的山區(qū)、野外、海島等不適宜有人值守的地區(qū)，不僅市電不易到達(dá)，而且有線傳輸既不方便也不經(jīng)濟(jì)。采用互補(bǔ)性很強(qiáng)的風(fēng)能發(fā)電和太陽(yáng)能發(fā)電作為獨(dú)立型的供電系統(tǒng)就成為很好的選擇。本系統(tǒng)是山體滑坡地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的子系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

小型氣象站系統(tǒng)硬件由MCU 最小系統(tǒng)、5 元素氣象參數(shù)傳感器(雨量、風(fēng)力、風(fēng)向、溫度和濕度)電路、時(shí)鐘模塊、外擴(kuò)閃存(16 K)模塊、故障自診斷電路、按鍵、GPRS 數(shù)據(jù)傳輸模塊、12864LCD 液晶顯示電路、風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)組成，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件組成框圖

考慮到本氣象站是山體滑坡地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的子系統(tǒng)，氣象參數(shù)采集后還需與其它監(jiān)測(cè)參數(shù)匯集和融合，匯集時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸采用ZigBee 短程無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，免去有線數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟季€與施工;而且，氣象參數(shù)的測(cè)量以及故障自診斷也都需要對(duì)多個(gè)模擬量進(jìn)行測(cè)量，所以選用美國(guó)TI 公司的CC2530 芯片，可以較好的滿(mǎn)足要求。由于CC2530 芯片的I/O 口數(shù)量有限，所需測(cè)量量及外圍模塊較多，所以增加了I/O 接口電路。選用帶漢字庫(kù)的LCD12864 作為本地顯示界面，顯示內(nèi)容豐富;設(shè)計(jì)了8個(gè)按鍵，便于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和操作。

1.1 主控MCU 的選擇

對(duì)MCU 的選擇參考以下幾個(gè)因素:①野外環(huán)境監(jiān)測(cè)往往是監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)多點(diǎn)數(shù)據(jù)采集，這些數(shù)據(jù)需要匯集到基站，再由GPRS/GSM 網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程傳輸。越來(lái)越多的匯集途徑采用的是無(wú)線傳輸，而近年來(lái)出現(xiàn)的ZigBee 技術(shù)可以很好的把多點(diǎn)傳感器進(jìn)行無(wú)線組網(wǎng)。②功耗 如果采用電池供電，功耗問(wèn)題往往是首先考慮的因素。本系統(tǒng)雖然采用風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)供電，但由于要求系統(tǒng)每天24 h、長(zhǎng)達(dá)多年的工作，MCU本身的低功耗對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)、太陽(yáng)能電池板、蓄電池的功率容量要求就更低。③是否為片上系統(tǒng)級(jí)(SoC)芯片。因?yàn)槠舷到y(tǒng)芯片的功能都較強(qiáng)，片內(nèi)一般帶有若干個(gè)通道的A/D、D/A、豐富的外設(shè)接口、可編程的I/O 端口，內(nèi)嵌硬件仿真調(diào)試電路，足夠大的ROM和RAM，外圍電路簡(jiǎn)單，這些都為系統(tǒng)開(kāi)發(fā)帶來(lái)了方便，也使系統(tǒng)電路更可靠。④I/O 端口的數(shù)量是否滿(mǎn)足使用要求。根據(jù)這些要求，TI 公司的CC2530 是個(gè)較好的選擇。CC2530 內(nèi)嵌工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)增強(qiáng)型8051MCU、自帶8 路12 bit A/D 轉(zhuǎn)換器、21個(gè)可編程GPIO、2個(gè)USART、自帶電池監(jiān)視器和溫度傳感器、強(qiáng)大的5 通道DMA，特別是芯片嵌入的2.4-GHz IEEE802.15.4 的無(wú)線收發(fā)電路，大大方便了短距離無(wú)線收發(fā)、組網(wǎng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)并有效的降低開(kāi)發(fā)成本。CC2530 的最小系統(tǒng)可參考TI 公司的數(shù)據(jù)手冊(cè)(參考資料［5］)。小型氣象站的MCU(CC2530)以ZigBee 無(wú)線組網(wǎng)的方式加入山體滑坡地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)，可以與其他測(cè)量參數(shù)進(jìn)行匯聚、融合。CC2530 使用TI 公司推薦的巴比倫單極子不平衡天線，使用高頻0402 封裝的分立電感和電容實(shí)現(xiàn)。由于無(wú)線收發(fā)的頻率是2.4 GHz 的射頻，所以PCB 天線的布設(shè)成為關(guān)鍵，同時(shí)也是難點(diǎn)。因?yàn)椴煌挠脩?hù)對(duì)最小系統(tǒng)進(jìn)行PCB 設(shè)計(jì)時(shí)，排版不盡相同，材料參數(shù)也不盡相同，所以除按TI 公司提供的說(shuō)明、要求布設(shè)外，布好的PCB 天線通常要利用軟件如Ansys 公司的HFSS V12 進(jìn)一步仿真［6］，得到較理想的仿真效果后再交由電路板生產(chǎn)廠家制版。如果PCB 天線沒(méi)設(shè)計(jì)好，那么傳輸距離會(huì)大大縮短，甚至無(wú)法通信。如果沒(méi)有布設(shè)天線的經(jīng)驗(yàn)，最好采用成品模塊。

1.2 傳感器接口電路設(shè)計(jì)

氣象元素傳感器包括雨量傳感器、溫濕度傳感器和風(fēng)力風(fēng)向傳感器，其中:雨量傳感器和風(fēng)力傳感器的輸出都是脈沖頻率信號(hào)，溫濕度傳感器的輸出都是模擬電壓量，風(fēng)向傳感器的輸出是8 路TTL 信號(hào)。故障自診斷功能需要對(duì)4 路模擬信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，加上時(shí)鐘電路(采用SPI 接口)、外擴(kuò)閃存(采用I2C 接口)、GPRS模塊、液晶顯示器(采用SPI 接口)和按鍵，I/O 端口顯然不夠，所以設(shè)計(jì)了I/O 接口擴(kuò)展電路，如圖2所示。其中，P1.3～P1.5 作為芯片的片選，P1.0～P1.2 作為芯片內(nèi)地址線，結(jié)合軟件的掃描，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)8個(gè)獨(dú)立式按鍵的掃描、風(fēng)向的判斷和模擬量的輪流測(cè)量。需要注意的是，數(shù)字量的切換選用74HC151，為了使MCU 對(duì)信號(hào)的識(shí)別更可靠，最好在74HC151 的輸出端加一個(gè)74HC74 整形;而模擬量的切換，選用CD4051，并在CD4051 的輸出加電壓跟隨。

圖2 傳感器接口電路

1.3 氣象參數(shù)測(cè)試電路

由于氣象站的工作環(huán)境惡劣，特別是在雷雨天氣容易受強(qiáng)干擾信號(hào)影響，所以所有的氣象元素傳感器的信號(hào)都不能直接送入MCU 進(jìn)行采集，要加入隔離電路。

1.3.1 雨量傳感器接口

本設(shè)計(jì)采用HA2012 雨量傳感器，分辨率0.2 mm/min。其工作原理是:承水口收集的雨水，經(jīng)過(guò)漏斗注入計(jì)量翻斗—翻斗是用工程塑料注射成型的用中間隔板分成兩個(gè)等容積的三角斗室。它是一個(gè)機(jī)械雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，當(dāng)一個(gè)斗室接水時(shí)，另一個(gè)斗室處于等待狀態(tài)，當(dāng)所接雨水容積達(dá)到預(yù)定值時(shí)(這個(gè)值就是分辨率)，由于重力作用使自己翻倒，處于等待狀態(tài)，另一個(gè)斗室處于接水工作狀態(tài)。當(dāng)其接水量達(dá)到預(yù)定值時(shí)，又自己翻倒，處于等待狀態(tài)。在翻斗兩側(cè)壁上各裝有一個(gè)磁鋼，兩側(cè)磁鋼翻落處各有一個(gè)舌簧管。磁鋼隨翻斗翻動(dòng)時(shí)從干式舌簧管旁?huà)呙?，使干式舌簧管通斷。翻斗每翻倒一次，兩個(gè)干式舌簧管便都接通一次送出一個(gè)開(kāi)關(guān)信號(hào)(脈沖信號(hào))，開(kāi)關(guān)信號(hào)的極性相反。

雨量傳感器接口保護(hù)電路和整形電路如圖3所示。保護(hù)電路主要采用圖3 中D1～D4組成的網(wǎng)絡(luò)。正向脈沖由C1和C2吸收尖峰后，由D1、D2阻斷，負(fù)脈沖則由D3、D4鉗位，達(dá)到保護(hù)作用。TLP521 是一個(gè)光耦，在干簧管輸出負(fù)脈沖期間，1～2 間的二極管導(dǎo)通，信號(hào)由5 輸出，就起到隔離作用。光耦輸出也是脈沖信號(hào)，送入MCU 的I/O 口(P0.4)計(jì)數(shù)。

圖3 雨量傳感器接口

1.3.2 風(fēng)速、風(fēng)向傳感器接口

風(fēng)速的測(cè)量選用HA2010 風(fēng)速傳感器，其核心部件是霍尼韋爾傳感器。該傳感器采用傳統(tǒng)的三杯式結(jié)構(gòu)，風(fēng)杯選用碳纖維材料，機(jī)械強(qiáng)度高，啟動(dòng)風(fēng)速≤0.3 m/s，啟動(dòng)性能好;工作電壓DC 5 V～12 V，最大功耗4 W。內(nèi)帶精密信號(hào)處理單元可根據(jù)用戶(hù)需求輸出各種信號(hào)。本系統(tǒng)選擇脈沖信號(hào)輸出形式，其輸出阻抗≥1 kΩ，輸出信號(hào)頻率與風(fēng)速成正比，即每個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)著0.2 m/s。風(fēng)速輸出的脈沖信號(hào)頻率在0～200 Hz 之間，經(jīng)R6接入光耦，C5電容可以吸收尖峰干擾風(fēng)速傳感器與MCU 的連接如圖4(a)所示。

圖4 風(fēng)速/風(fēng)向傳感器接口

風(fēng)向的測(cè)量選用HA2011 風(fēng)向傳感器，其核心部件是磁阻傳感器。該傳感器采用傳統(tǒng)的尾翼式低慣性風(fēng)標(biāo)結(jié)構(gòu)，啟動(dòng)風(fēng)速≤0.3 m/s，啟動(dòng)性能好;工作電壓DC 5 V～12 V，最大功耗4 W。TTL 信號(hào)輸出形式，其輸出阻抗≥1 kΩ。連接線共9 條，其中1 條公共接線，使用時(shí)接Vcc，另外8 條線對(duì)應(yīng)著正北、東北、正東、東南、正南、西南、正西、西北。當(dāng)風(fēng)標(biāo)隨著風(fēng)向的變化而轉(zhuǎn)動(dòng)，代表著各個(gè)風(fēng)向的輸出線會(huì)有一條或同時(shí)兩條與公共線通過(guò)磁阻導(dǎo)通，把這8 條線經(jīng)光耦接入I/O 接口(74HC151 的D0～D7)的輸入端如圖4(b)所示。圖中的開(kāi)關(guān)相當(dāng)于磁阻開(kāi)關(guān)。

1.3.3 溫濕度接口

設(shè)計(jì)使用了HA2005A 溫濕度傳感器。該傳感器采用原裝進(jìn)口瑞士主芯片，工作電壓DC 5 V～24 V，經(jīng)調(diào)理電路轉(zhuǎn)化為0～2 V模擬輸出，響應(yīng)速度小于1 s。其中測(cè)溫范圍為－30℃～+70℃，對(duì)應(yīng)著0～2 V模擬輸出，線性變化;測(cè)濕范圍為0% RH～100% RH，對(duì)應(yīng)著0～2 V模擬輸出，線性變化。這兩個(gè)量直接接入MCU 的A/D 轉(zhuǎn)換輸入端轉(zhuǎn)換。為了防止太陽(yáng)對(duì)儀器的直接輻射和地面對(duì)儀器的反射輻射，保護(hù)儀器免受強(qiáng)風(fēng)、雨、雪等的影響，溫濕度傳感器完全包圍在輕型百葉箱里面，儀器感應(yīng)部分有適當(dāng)?shù)耐L(fēng)，能真實(shí)地感應(yīng)外界空氣溫度和濕度的變化。溫濕度傳感器的輸出接入CD4051 的X0和X1。

1.4 故障自診斷電路設(shè)計(jì)

由于采用離網(wǎng)獨(dú)立供電系統(tǒng)，所以供電系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和可靠性直接關(guān)系到氣象站的有效性。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的故障診斷電路是為了及時(shí)發(fā)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)和太陽(yáng)能電池板因?yàn)槭軔毫犹鞖饣蛟O(shè)備本身的原因而產(chǎn)生的故障。風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須有備用電池，通常備用電池在風(fēng)力發(fā)電機(jī)和太陽(yáng)能電池板同時(shí)完全失效時(shí)可供電至少10 天(對(duì)本系統(tǒng)而言)，所以當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)和太陽(yáng)能電池板其中一個(gè)或者兩個(gè)同時(shí)產(chǎn)生故障無(wú)法輸出電能時(shí)，故障自診斷電路就可及時(shí)檢測(cè)出來(lái)并短信及時(shí)通知管理人員進(jìn)行處理。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的故障檢測(cè)手段是:①檢測(cè)風(fēng)力發(fā)電控制器的風(fēng)力部分的穩(wěn)壓輸出。風(fēng)力部分的穩(wěn)壓輸出約12 V～14 V，經(jīng)分壓后接入CD4051 的X2，再切入MCU 的A/D 轉(zhuǎn)換器檢測(cè)，并定義為連續(xù)10天無(wú)電壓時(shí)為故障。②檢測(cè)風(fēng)力發(fā)電控制器的機(jī)芯溫度，當(dāng)連續(xù)5 h 機(jī)芯工作溫度超過(guò)80℃時(shí)開(kāi)始預(yù)報(bào)警，超過(guò)85℃停止運(yùn)行(廠家提供的數(shù)據(jù))。選用常用的測(cè)溫器件DS18B20，既方便安裝，又只需占用1 條I/O 口線，直接接入MCU 的P0.7 進(jìn)行讀數(shù)。太陽(yáng)能電池板的故障檢測(cè)手段是:在電池板上安裝一個(gè)光敏電阻監(jiān)測(cè)光照量，同時(shí)檢測(cè)太陽(yáng)能發(fā)電控制器上的太陽(yáng)能部分的穩(wěn)壓輸出。太陽(yáng)能部分的穩(wěn)壓輸出也是在12 V～14 V，經(jīng)分壓后接入CD4051的X3，再切入MCU 的A/D 轉(zhuǎn)換器檢測(cè)，并定義為能檢測(cè)到一定光照強(qiáng)度后無(wú)電壓輸出或連續(xù)10 天無(wú)電壓時(shí)為故障(視使用地區(qū)日照歷史情況而定)。

1.5 GPRS 數(shù)據(jù)傳輸電路

GPRS(通用分組無(wú)線業(yè)務(wù))是在現(xiàn)有的第二代移動(dòng)通信GSM 系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展的一種基于分組交換傳輸數(shù)據(jù)的高效率方式，可無(wú)縫、直接的Internet 無(wú)線IP 連接。GPRS 能夠在一個(gè)發(fā)送實(shí)體和另一個(gè)或多個(gè)發(fā)送實(shí)體之間提供數(shù)據(jù)傳輸，這些實(shí)體可以是連接到另一個(gè)GPRS 網(wǎng)絡(luò)或者一個(gè)外部數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備，這樣的優(yōu)點(diǎn)尤其適用于間歇性、非周期性數(shù)據(jù)的傳輸;少量數(shù)據(jù)的頻繁傳輸;較大容量數(shù)據(jù)的不頻繁傳輸。因此以GPRS為基礎(chǔ)的無(wú)線數(shù)據(jù)應(yīng)用為氣象站實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸和實(shí)時(shí)監(jiān)控提供了一種新的技術(shù)手段［7］。

設(shè)計(jì)中GPRS模塊采用SIMCOM 公司的GSM/GPRS模塊SIM300。這是一款支持?jǐn)?shù)字、語(yǔ)音、短消息和傳真，處于睡眠狀態(tài)時(shí)電流僅為3 mA 的模塊。模塊工作電壓為單電源3.3 V～4.6 V，模塊工作溫度為－20℃～+55℃，適用于室外安裝。AT 命令集大部分和SIM300模塊兼容。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的RS－232串行接口，用戶(hù)可以用MCU 通過(guò)AT 命令完成對(duì)模塊的操作，達(dá)到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪康?。CC2530 的P0.2和P0.3為串行口口線。

1.6 風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于風(fēng)能和太陽(yáng)能具有天然的互補(bǔ)優(yōu)勢(shì)，即在白天太陽(yáng)光較強(qiáng)而風(fēng)少，夜間沒(méi)有太陽(yáng)光而風(fēng)力較強(qiáng);夏天日照好、風(fēng)弱，而冬季風(fēng)大、日照弱。風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電技術(shù)整合了中小型風(fēng)電技術(shù)和太陽(yáng)能光伏技術(shù)，充分利用了風(fēng)能和太陽(yáng)能資源的互補(bǔ)性，是一種具有較高性?xún)r(jià)比的新型能源發(fā)電系統(tǒng)。

離網(wǎng)型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的框圖如圖5所示。因?yàn)楸鞠到y(tǒng)的負(fù)載全部是直流供電，所以不需要有逆變器部分。風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)順序一般遵循以下5個(gè)步驟［8］:(1)根據(jù)用電設(shè)備配置確定日平均用電量;(2)根據(jù)資源狀況，無(wú)有效風(fēng)速及連續(xù)陰天天數(shù)的長(zhǎng)短，每天必用的最低電量，確定蓄電池容量;(3)根據(jù)日平均用電量，逆變器和蓄電池的效率等測(cè)算日平均發(fā)電量;(4)根據(jù)風(fēng)能和太陽(yáng)能資源狀況、系統(tǒng)可靠性要求等因素，確定風(fēng)力發(fā)電機(jī)和太陽(yáng)能的比例;(5)根據(jù)所需風(fēng)力發(fā)電量及太陽(yáng)能光伏發(fā)電量和資源情況，進(jìn)行發(fā)電機(jī)選型、太陽(yáng)能電池方陣選型。根據(jù)上述原則，留有冗余，系統(tǒng)的風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)配置方案如表1所示。

圖5 離網(wǎng)型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)框圖

表1 風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)配置方案

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 氣象參數(shù)采集

雨量、風(fēng)速的輸出都是TTL 標(biāo)準(zhǔn)的頻率量，測(cè)量時(shí)分別經(jīng)光耦接入CC2530 的引腳P0.4和P0.6，由MCU 進(jìn)行計(jì)數(shù)即可;風(fēng)向傳感器的輸出有8 條，都是TTL 信號(hào)，經(jīng)光耦接入圖2 的74HC151，再由74HC151 的輸出端接入CC2530 的引腳P1.7，由CC2530 編程對(duì)風(fēng)向傳感器的8 條線進(jìn)行掃描;溫濕度傳感器的輸出都是0～2 V 的模擬量，接入圖2 的CD4051，再由CD4051 的輸出端接入CC2530 的引腳P0.0，由CC2530 編程對(duì)溫濕度傳感器進(jìn)行測(cè)量。軟件流程如圖6所示。其中圖6(a)為雨量和風(fēng)速軟件流程，圖6(b)為溫濕度等模擬量的軟件流程。

圖6 氣象參數(shù)和自診斷參數(shù)采集流程

2.2 故障自診斷

故障自診斷的測(cè)量參數(shù)共4個(gè)，除風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)芯溫度外還有3個(gè)，即風(fēng)力發(fā)電機(jī)和太陽(yáng)能電池板發(fā)電后經(jīng)控制器穩(wěn)壓后的輸出及太陽(yáng)能電池板上光敏電阻的電壓輸出，這3個(gè)量都是電壓模擬量，連同氣象元素的溫濕度共5個(gè)電壓模擬量，根據(jù)采集的時(shí)間要求對(duì)上述5個(gè)參數(shù)采集并進(jìn)行數(shù)字濾波處理［9］。如圖6(b)所示。

2.3 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)

ZigBee 是一種網(wǎng)絡(luò)容量大、節(jié)點(diǎn)體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、低速率、低功耗的無(wú)線通信技術(shù)。在ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中，是由3種設(shè)備類(lèi)型組成:協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備構(gòu)成，可以組成星形網(wǎng)、網(wǎng)狀網(wǎng)或簇結(jié)構(gòu)網(wǎng)。本系統(tǒng)以氣象站這個(gè)點(diǎn)為協(xié)調(diào)器組網(wǎng)，其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)如深部位移傳感器、地下水位傳感器等節(jié)點(diǎn)為路由器和終端節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)的測(cè)量和組網(wǎng)的方法另文敘述。

2.4 按鍵和顯示軟件

設(shè)計(jì)按鍵和顯示是為了調(diào)試和檢修的方便。為了節(jié)省I/O 口，把8個(gè)獨(dú)立式按鍵經(jīng)多路開(kāi)關(guān)74HC151 接入CC2530 的P1.6，軟件進(jìn)行掃描即可;顯示部分采用3 線SPI 串行接口方式的漢字圖形點(diǎn)陣液晶模塊12864A－1，3 條接線CS、CLK、SID 與MCU 的P2.0～P2.2 連接。軟件編程時(shí)按鍵程序和液晶顯示程序都設(shè)計(jì)為獨(dú)立子函數(shù)，供主程序調(diào)用。

2.5 數(shù)據(jù)傳輸［10－11］

單片機(jī)通過(guò)GPRS模塊附著到通信運(yùn)營(yíng)商提供的GPRS 網(wǎng)絡(luò)，登陸到Internet 并與連接其上的任意一臺(tái)已知IP 地址的PC 機(jī)建立數(shù)據(jù)鏈路并進(jìn)行全雙工數(shù)據(jù)通信。這個(gè)過(guò)程的核心是GPRS模塊作為移動(dòng)終端連接GPRS 網(wǎng)絡(luò)，GPRS 數(shù)據(jù)經(jīng)SGSN(服務(wù)GPRS 支持節(jié)點(diǎn))發(fā)往GGSN(網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn))，GGSN 對(duì)分組數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，再發(fā)送到Internet，最后再發(fā)送到指定IP 的PC 機(jī)。GPRS模塊與GGSN 的通信要符合PPP (點(diǎn)對(duì)點(diǎn))協(xié)議，才可以接入Internet。單片機(jī)要實(shí)現(xiàn)把采集的數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS 遠(yuǎn)程發(fā)送，從終端底層到上位機(jī)的協(xié)議有串口驅(qū)動(dòng)層、GPRS模塊驅(qū)動(dòng)、PPP 協(xié)議層、IP 協(xié)議層、TCP 協(xié)議層和應(yīng)用層。選用的MC39I模塊已經(jīng)自帶TCP/IP協(xié)議，使得數(shù)據(jù)傳送的軟件設(shè)計(jì)大為簡(jiǎn)化。簡(jiǎn)化后的編程環(huán)節(jié)是:單片機(jī)通過(guò)AT 命令對(duì)GPRS模塊進(jìn)行連接、發(fā)送數(shù)據(jù)，應(yīng)用層采用LabVIEW 編程通過(guò)IP 地址登陸Internet 接收數(shù)據(jù)。單片機(jī)上網(wǎng)、連接到指定IP 地址的遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)到與遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)的收發(fā)數(shù)據(jù)的過(guò)程實(shí)現(xiàn)，都可以先通過(guò)串行調(diào)試助手進(jìn)行，每發(fā)一條AT 命令，都會(huì)返回一個(gè)正確或錯(cuò)誤的信息。單片機(jī)通過(guò)GPRS 遠(yuǎn)程收發(fā)數(shù)據(jù)的調(diào)試過(guò)程是:①用串口調(diào)試助手設(shè)置GPRS模塊的通信波特率，并與單片機(jī)的串行通信波特率一致:AT+IPR=9600;②建立單片機(jī)與遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)的連接:AT+CGDCONT=1，“IP”，“COMNET”，設(shè)置接入網(wǎng)關(guān)為移動(dòng)夢(mèng)網(wǎng);AT+CGATT=1，登陸GPRS 網(wǎng)絡(luò);AT+CGCLASS=“B”，選擇GPRS或GSM 服務(wù)的一種;AT+CGACT=1，1，激活GPRS;AT+CIPSTART=“TCP”，“192.168.1.100”，“8080”，設(shè)置上位機(jī)IP 地址和偵聽(tīng)端口;ATD* 99＊＊＊1#撥號(hào)。然后就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，數(shù)據(jù)傳送的流程如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)發(fā)送流程

3 LabVIEW 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)［12］

LabVIEW 提供的網(wǎng)絡(luò)通信功能的方式包括:TCP、DataSocket、瀏覽器、RDA。本文采用TCP/IP 通信。LabVIEW 提供的TCP/IP 協(xié)議包括TCP和UDP，多數(shù)情況，習(xí)慣使用TCP 協(xié)議。LabVIEW 內(nèi)與TCP 協(xié)議相關(guān)的功能函數(shù)有:網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽(tīng)TCPListen，與指定地址和端口的服務(wù)器建立連接的TCPOpen，從TCP 連接中讀取數(shù)據(jù)的TCPRead，向TCP 連接中寫(xiě)數(shù)據(jù)的TCPWrite 及關(guān)閉網(wǎng)絡(luò)連接的TCPColse?？刹捎梅?wù)器/客戶(hù)機(jī)模式進(jìn)行通信，初始化時(shí)，首先指定網(wǎng)絡(luò)端口，這個(gè)端口號(hào)就是數(shù)據(jù)終端遠(yuǎn)程登陸時(shí)指定的端口號(hào)，一般在0～65535 間取大于1024 的值，并用TCPListen 函數(shù)建立監(jiān)聽(tīng)，等待客戶(hù)機(jī)(即遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)終端)的連接請(qǐng)求，連接建立后采用TCPRead 函數(shù)接收數(shù)據(jù)，也可采用TCPWrite 發(fā)出命令(如設(shè)置數(shù)據(jù)采集間隔時(shí)間)。圖8為L(zhǎng)abVIEW 監(jiān)測(cè)界面。

圖8 LabVIEW 監(jiān)測(cè)界面

4 結(jié)語(yǔ)

氣象參數(shù)的監(jiān)測(cè)是環(huán)境監(jiān)測(cè)的一項(xiàng)重要組成部分。采用離網(wǎng)型的風(fēng)光互補(bǔ)獨(dú)立供電系統(tǒng)，具有節(jié)能、環(huán)保的優(yōu)點(diǎn);采用GPRS 遠(yuǎn)程傳輸數(shù)據(jù)，具有不受時(shí)間、地域的限制特點(diǎn);在供電系統(tǒng)中加入故障監(jiān)測(cè)電路，使系統(tǒng)的可靠性和安全性大大提高。系統(tǒng)經(jīng)過(guò)半年多時(shí)間的運(yùn)行，為遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的上位機(jī)發(fā)回了大量的數(shù)據(jù)，為環(huán)境監(jiān)測(cè)和治理發(fā)揮了很大作用。

［1］中華人民共和國(guó)國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì).中華人民共和國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十二個(gè)五年規(guī)劃綱要［EB/OL］［S］.［2012－1－16］.http://www.sdpc.gov.cn/fzgh/ghwb/gjjh/P020110919592208575015.pdf:64.

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