基于大氣折射指數(shù)的多點數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

王 悅，王春雨

(海軍工程大學(xué) 海洋電磁環(huán)境研究所，湖北 武漢430033)

在低空海面上大氣波導(dǎo)是經(jīng)常出現(xiàn)的一種異常大氣折射現(xiàn)象。大氣波導(dǎo)對海面無線電信息系統(tǒng)的傳播有重要影響，例如影響雷達(dá)、測控系統(tǒng)、遙感等電子武器系統(tǒng)的工作性能［1］。海洋環(huán)境中通常存在3類大氣波導(dǎo)，即表面波導(dǎo)、懸空波導(dǎo)和蒸發(fā)波導(dǎo)［2］，可通過獲取大氣折射指數(shù)垂直分布廓線來確定其波導(dǎo)的存在和厚度，而大氣折射指數(shù)主要由溫度、相對濕度和氣壓3個參數(shù)決定。

對于大氣折射指數(shù)的測量，目前已發(fā)展出各種點探測設(shè)備以滿足折射指數(shù)時空變化研究的需要。常見的點探測設(shè)備主要有微波折射率儀、氣球探空儀［3］等。但大多存在功耗高、架設(shè)不便、無法同時測量多點數(shù)據(jù)及成本高等缺點。本系統(tǒng)較好地克服了上述缺點，且使用方便，可同時測量多點數(shù)據(jù)，且精度高、功耗低。

1 硬件設(shè)計

1.1 數(shù)據(jù)采集板設(shè)計

數(shù)據(jù)采集板主要由微控制器、溫度傳感器、濕度傳感器和氣壓傳感器組成，如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集板硬件結(jié)構(gòu)

圖2 手持接收終端硬件結(jié)構(gòu)

由于大氣中，尤其是海面上空，溫濕壓各項指標(biāo)均可能在短時間內(nèi)發(fā)生變化，而微小的變化即會對電磁波的傳播特性造成較大影響，這便要求本系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確、快速地測量出該變化。因此本系統(tǒng)需要精度高，響應(yīng)快的傳感器。國內(nèi)市場上的測量溫濕度數(shù)字型傳感器雖種類繁多、開發(fā)方便，但響應(yīng)時間均較長，不符合本系統(tǒng)要求，故考慮使用熱敏電阻和濕敏電容等器件。

綜合考慮精度、響應(yīng)時間、開發(fā)難度等因素，系統(tǒng)采用愛爾蘭Betatherm公司生產(chǎn)的I系列高精度熱敏電阻30K5A1A［4］。濕度傳感器采用法國Humirel公司的HS1110/1101［5］。氣壓傳感器采用芬蘭VTI公司生產(chǎn)的一款測量絕對氣壓的高精度數(shù)字式氣壓傳感器SCP1000－D01［6］。

由于傳感器的輸出既有數(shù)字信號，也有模擬信號。模擬信號需通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，而增加專門的A/D轉(zhuǎn)換器會使成本變大，同時電路也將變得復(fù)雜。因此考慮采用集成A/D轉(zhuǎn)換器的微控制器。同時由于單獨(dú)增加通信模塊同樣會使電路變復(fù)雜，成本變大，開發(fā)難度增加，微控制器的選擇應(yīng)集A/D轉(zhuǎn)換、通信、微處理器于一體，綜合考慮采用TI公司的CC2530F256芯片［7］，該芯片無線通信基于ZigBee技術(shù)［8］。ZigBee協(xié)議是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其使用中的便捷性，適用于無線傳感網(wǎng)絡(luò)。

在此僅給出測溫、濕、壓的電路圖，分別如圖3～圖5所示。

圖3 溫度測量電路圖

圖4 濕度測量電路

圖5 氣壓測量電路

1.2 手持?jǐn)?shù)據(jù)終端設(shè)計

手持?jǐn)?shù)據(jù)接收終端主要由微控制器、顯示屏和鍵盤組成，組成框圖如圖2所示。微控制器采用TI公司的CC2530F256，顯示模塊采用北京維信諾科技有限公司的VGG12864L［9］。鍵盤采用常用的4×4矩陣鍵盤，可有效提高單片機(jī)系統(tǒng)中I/O引腳的利用率。

2 軟件設(shè)計

CC2530芯片開發(fā)采用IAR Assembler for 8051，7.51A/W32(7.51.1.3)集成開發(fā)環(huán)境。該環(huán)境將工程管理器、編輯器、8051C/C++編譯器、8051匯編器、鏈接器、庫管理工具和調(diào)試工具完全集成，可支持CC2530芯片的變成要求，為其提供配置文件。并可將程序下載至CC2530芯片中，方便調(diào)試。

2.1 通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計

ZigBee的節(jié)點有協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點3種類型。網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一般有3種形式:星形拓?fù)?、樹形拓?fù)浜途W(wǎng)狀拓?fù)洹?/p>

協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)，并讓其他類型節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò);路由器負(fù)責(zé)在同一網(wǎng)絡(luò)內(nèi)轉(zhuǎn)發(fā)信息以及允許終端節(jié)點通過自身加入網(wǎng)絡(luò);終端節(jié)點只負(fù)責(zé)發(fā)送和接收信息。星形拓?fù)涫亲詈唵蔚囊环N拓?fù)湫问?，包含一個協(xié)調(diào)器和若干個終端節(jié)點;樹形拓?fù)浒粋€協(xié)調(diào)器以及若干個路由器和終端節(jié)點;網(wǎng)狀拓?fù)浜蜆湫瓮負(fù)涞墓?jié)點類型相同，但通信規(guī)則更加靈活，例如可在路由器與路由器之間通信。

本系統(tǒng)采用星形拓?fù)?，首先由一個節(jié)點用作協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡(luò)，其他節(jié)點作為終端節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)。

2.2 軟件主流程圖

數(shù)據(jù)采集板軟件的主流程如圖6所示。手持終端的軟件主流程如圖7所示。

圖6 數(shù)據(jù)采集板軟件流程圖

圖7 手持接收終端軟件流程圖

3 測量結(jié)果數(shù)據(jù)分析

選用江蘇無線電科學(xué)研究所有限公司的ZQZCY移動式自動氣象站來對比本系統(tǒng)的各項指標(biāo)，該自動氣象站精度高、可靠性好。自動氣象站溫濕壓傳感器的具體技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 自動氣象站溫濕壓技術(shù)指標(biāo)

通過軟件延時將3個傳感器均設(shè)置為1 s輸出一次數(shù)據(jù)，但由于自動氣象站輸出頻率為1 min一次，因此將本系統(tǒng)1 min內(nèi)的平均數(shù)據(jù)與自動氣象站相應(yīng)的輸出數(shù)據(jù)相比較。

3.1 溫度測量數(shù)據(jù)分析

圖8是該樣本數(shù)據(jù)的溫度曲線結(jié)果，從對比曲線可看出，熱敏電阻30K5A1A在相對恒溫的條件下的測溫效果較好，與自動氣象站溫度探頭測得的溫度接近。本系統(tǒng)輸出的平均溫度值為21.94℃，所測數(shù)據(jù)的方差為0.002 4，說明數(shù)據(jù)穩(wěn)定，波動較小。且可看出，－0.1℃的絕對誤差是隨機(jī)出現(xiàn)的。

圖8 溫度曲線比較

3.2 濕度測量實驗及分析

圖9所示是在中等濕度條件下兩個系統(tǒng)之間的濕度曲線比較，本系統(tǒng)所測數(shù)據(jù)的平均值為61.33 %，方差為0.22，較為穩(wěn)定，誤差也是隨機(jī)出現(xiàn)的。

圖9 中等濕度條件下的濕度曲線比較

3.3 氣壓測量實驗及分析

氣壓數(shù)據(jù)一般提取實驗開始15 min后的數(shù)據(jù)，因為此時溫度和氣壓已趨于穩(wěn)定。圖10為兩系統(tǒng)之間的曲線比較結(jié)果。可以看出，系統(tǒng)輸出的氣壓平均值為1 014.24 hPa，方差為0.002 5，較為穩(wěn)定，但氣壓輸出整體上要比自動氣象站輸出的氣壓值高約2.09 hPa，可能存在系統(tǒng)誤差，因此可對氣壓輸出值進(jìn)行修正。

圖10 氣壓曲線比較

4 結(jié)束語

文中主要介紹了大氣折射率剖面數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計及軟件流程，使用該系統(tǒng)進(jìn)行實地測量，并與自動氣象站輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。結(jié)果證明，本系統(tǒng)具有體積小、重量輕、可同時測量多點數(shù)據(jù)、測量精度高、功耗低等優(yōu)點，適用于便攜式氣象數(shù)據(jù)的采集。

［1］ 曾國棟.大氣波導(dǎo)對雷達(dá)探測性能的影響［J］.氣象水文裝備，2008(3):25－26.

［2］ 戴福山，李群，董雙林，等.大氣波導(dǎo)及其軍事應(yīng)用［M］.北京:解放軍出版社，2002.

［3］ 李偉，刑毅，馬舒慶.國產(chǎn)GTS1探空儀與VAISALA公司RS92探空儀對比分析［J］.氣象，2009，10(35):97－102.

［4］Betatherm Sensors.Exponential Model NTC Thermistors－Betatherm Sensors Temperature Solutions［EB/OL］.(2008－08－04)［2012－03－05］http://www.betatherm.com.

［5］ 林敏，于忠得，侯秉濤.HS1100/HS1101電容式濕度傳感器及其應(yīng)用［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2001(10):44－45.

［6］VTI Conpration.scp1000_product_family_specification_rev_0.08［EB/OL］.(2007－10－30)［2012－03－05］http://www.vti.fi.

［7］Anlog Device.CC253x system－on－chip solution for 2.4 GHz IEEE 802.15.4 and ZigBee applications［M］.USA:Anlog Device，2009.

［8］ 高守瑋，吳燦陽.ZigBee技術(shù)實踐教程［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2009.

［9］ 北京維信諾科技有限公司.VGG12864L technology specification［EB/OL］.(2009－06－01)［2012－03－05］http://www.visionox.com.