基于STM32的海洋氣象要素采集系統(tǒng)設(shè)計*

祁安俊，楊志勇，劉 鈞

(1.成都信息工程大學 電子工程學院，四川 成都 610225； 2.華云升達(北京)氣象科技有限責任公司，北京 102200)

基于STM32的海洋氣象要素采集系統(tǒng)設(shè)計*

祁安俊1，楊志勇2，劉 鈞2

(1.成都信息工程大學 電子工程學院，四川 成都 610225； 2.華云升達(北京)氣象科技有限責任公司，北京 102200)

隨著海洋發(fā)展戰(zhàn)略受到國家的不斷重視，為解決海洋氣象要素采集問題，設(shè)計了一種以Cortex-M4內(nèi)核為核心的STM32F407ZGT6處理器的海洋氣象數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)搭載于海洋浮標中,能夠按照設(shè)計好的程序指令自主完成對所處的海洋氣象數(shù)據(jù)的采集、傳輸、轉(zhuǎn)換和處理。由于浮標要投入海洋中隨著洋流漂流，本系統(tǒng)采用北斗通信的方式與外界進行信息交換。系統(tǒng)把采集到的信息存儲在Flash中并將采集到的數(shù)據(jù)上傳至岸上的服務器，地面工作人員用上位機軟件提取服務器數(shù)據(jù)再通過人機界面進行數(shù)據(jù)分析。

海洋浮標；海洋氣象；北斗通信；人機界面

0 引言

20世紀以來海洋以其蘊藏的無法估量的自然資源備受人們的關(guān)注。隨著陸地人口的急劇增加和陸地自然資源的日益短缺以及海洋戰(zhàn)略位置日益突出的重要性，沿海各國對于海洋資源的重視程度日益提高。為了加大對海洋資源的開發(fā)力度和強度，海洋氣象的研究也因此被國家列為重要的研究項目，當然海洋的研究與開發(fā)不像在陸地上那么容易。因此，海洋氣象數(shù)據(jù)的收集就成為海洋開發(fā)中一項必不可少的內(nèi)容。海洋環(huán)境氣象數(shù)據(jù)的收集可以為海洋的開發(fā)帶來諸多便利。因此，開發(fā)一種可采集深海資源環(huán)境信息的設(shè)備，對深入海洋資源具有極其重要的作用[1]。近幾年得益于科學技術(shù)的日益快速發(fā)展，氣象探測技術(shù)更加趨于成熟，具有智能化、自動化無線傳輸數(shù)據(jù)等優(yōu)勢。海洋的天氣觀測在海洋開發(fā)中扮演著越來越重要的角色，各國也正在爭相研究海洋氣象，在某種程度上，海洋氣象決定了一個國家的海洋開發(fā)的地位與榮譽。本采集系統(tǒng)是針對海洋氣象檢測的重要技術(shù)裝備，可在海洋環(huán)境惡劣的情況下，無人看守地進行連續(xù)、長期、不定點、自動、全面綜合地對海洋水文氣象諸多要素進行采集[2]。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本系統(tǒng)主控芯片選用意法半導體的32位基于ARM的控制器TM32F407ZGT6。硬件總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)圖

1.1 采集模塊電路

采集模塊電路主要負責海洋環(huán)境氣象數(shù)據(jù)的采集。采集模塊是由溫度傳感器模塊、氣壓傳感器模塊及溫鹽傳感器模塊組成，這些模塊根據(jù)自身的功能性，把外界變化的信息采集起來，并將采集到的信息傳輸給核心模塊進行處理，這些模塊采集信息的準確性很大程度上決定了系統(tǒng)的測量精度。氣壓傳感器采用的是PTB220數(shù)字氣壓表,其能夠測量出大范圍的環(huán)境氣壓，不管處在室溫下還是處在惡劣環(huán)境下都能穩(wěn)定工作。溫度傳感器采用的是Pt100金屬鉑電阻傳感器,為降低線阻誤差,其測量線路采用四線制,把1～2 mA的激勵電流加載到Pt100鉑電阻兩端，然后測量其兩端電壓,換算成電阻,繼而得到溫度觀測數(shù)據(jù)[3]。溫鹽傳感器采用的是能夠?qū)崟r監(jiān)測海洋的水溫和鹽度的YZY4—1型溫鹽傳感器。溫度的測量是利用有熱敏電阻的電路來完成，而鹽度測量是利用所測量的溫度值與電導率值之間有一個固定關(guān)系式推倒出來的。該模塊電路如圖2所示。

1.2 電源供電模塊電路

此模塊是整個系統(tǒng)功能的重要部分，系統(tǒng)能否正常工作，全取決于此模塊是否能正常提供電能。根據(jù)采集器要在深遠海域長時間運行的特點，通過太陽能電池板為鋰電池提供充電，以滿足采集器系統(tǒng)長時間運行的需要；為提高充電效率，充電電路采用MPPT[4](最大功率點跟蹤技術(shù))控制方式。太陽能板的基本技術(shù)指標為：16 V充電電壓，大于300 mA的充電電流；電路中包括有微處理器控制的充電使能管理和電池充電狀態(tài)監(jiān)測電路；充電控制電壓計算：VMPPSET=2.1+[1-R3/R4]V，鋰電池電壓配置計算：VMPPSET=2.1+[1-R16/R17]V，通過設(shè)置合適的電阻值滿足輸入輸出電壓需要，充電狀態(tài)由發(fā)光二極管D2、D3指示，充電使能控制由微處理器控制充電使能端完成。該充電控制方式有助于增加電池壽命和提高充電效率。太陽能充電電路如圖3所示。

圖3 電源供電模塊電路

1.3 北斗通信模塊

北斗通信模塊是系統(tǒng)與其他遠距離設(shè)備交換信息的通道，也是人機信息交互的橋梁。海洋浮標的投放地點都是海上，包括遠海地區(qū)[5]。為了滿足實時遠距離通信，觀測數(shù)據(jù)實時上傳，保證數(shù)據(jù)的安全性，選擇以國產(chǎn)北斗衛(wèi)星通信為主通信手段，每個海洋測站端配置北斗通信終端通信單元，把測站數(shù)據(jù)上傳至北斗衛(wèi)星。北斗衛(wèi)星把測站上傳的數(shù)據(jù)分別傳至用戶指定的指揮通信機和地面總站。在岸基數(shù)據(jù)處理中心配置指揮通信機，接收由北斗衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)過來的各測站的觀測數(shù)據(jù)，由中心處理服務器接收入庫。除了主通信信道之外，可根據(jù)布設(shè)海域的手機信號狀況，特別是在近海地區(qū)，由于北斗衛(wèi)星通信的帶寬限制為≤70 B/min，所以海洋檢測站的數(shù)據(jù)通信頻率選擇為每10 min通信一次。空余時間用于發(fā)送報警數(shù)據(jù)和中心站主動補傳數(shù)據(jù)[6]。北斗通信終端安裝在浮標上支架立桿頂部，通過RS232傳輸信號線與主采集系統(tǒng)的RS232主通信端口連接。部件的安裝設(shè)計采用密封防水方式，電纜及連接器不外露。指揮機數(shù)據(jù)接收單元放置在室內(nèi)，通過RS232接口方式，與接收服務器連接。在特殊應急應用情況下指揮機也可以采用車載方式。指揮機數(shù)據(jù)接收單元的蘑菇形[7]全向天線安置在無遮擋的建筑物外部，通過20 m～100 m的電纜與指揮機連接。北斗通信模塊工作原理圖如圖4所示。

圖4 北斗通信模塊原理圖

2 軟件設(shè)計

漂流浮標采集器主要任務是完成深遠海域常規(guī)氣象要素傳感器信號的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)自動傳輸?shù)?；并在遇到一定問題時能夠自我重啟恢復，具備自身運行狀態(tài)監(jiān)測等功能。程序初始化主要完成對系統(tǒng)運行必須的參數(shù)配置、運行變量、MCU的初始狀態(tài)、端口設(shè)置、外圍部件等初始化處理。主循環(huán)是整個程序正常運行與按照要求完成工作的關(guān)鍵，主循環(huán)主要是查詢“時間事件”的標志位，并進行處理事件，主要完成對時間事件、操作事件的查詢處理及對看門狗的管理；為了防止程序跑飛，電路中設(shè)計有看門狗管理；硬件資源可以使用低功耗模式降低能耗，對浮標系統(tǒng)來說有效增加了運行時長。主循環(huán)查啟動后，程序運行是處在主循環(huán)的不斷查詢處理中，從而得以控制系統(tǒng)運行處理時序?？刂扑惴ㄐ盘柫鞒虉D如圖5所示。

圖5 控制算法信號流程圖

3 Tam Viewer遠程客戶端的使用

中心站數(shù)據(jù)接收處理是在具有海洋監(jiān)測數(shù)據(jù)處理能力的CAWSAnyWhere區(qū)域自動站上完成的。該平臺可以全方位地適用和管理國家一般地面業(yè)務觀測站網(wǎng)和地方性加密監(jiān)測站網(wǎng)。目前該采集器系統(tǒng)已完成實驗室測試，通過中心站數(shù)據(jù)接收綜合管理軟件可以了解各站點通信狀態(tài)及實時數(shù)據(jù)，如需要獲得某個站點實時氣象水文數(shù)據(jù)，點擊該站點可以查看其詳細的狀態(tài)及數(shù)據(jù)信息，如圖6為正常通信下采集器運行結(jié)果以及部分歷史數(shù)據(jù)查詢結(jié)果。

圖6 結(jié)果查詢

4 結(jié)論

本文在已有的相關(guān)文獻中基礎(chǔ)上，設(shè)計完成了一種基于STM32F407的32位處理器的海洋氣象信息采集系統(tǒng)，克服采樣精度低等缺點,經(jīng)過在威海、海南等地實驗，表明它滿足了海洋氣象數(shù)據(jù)采集的需要及在海面上長時間工作的要求。但系統(tǒng)仍然存在一些不足，如采樣數(shù)據(jù)不完整、北斗定位信息獲取慢及北斗發(fā)送數(shù)據(jù)存在響應時間過長等缺點，在以后的工作中需要進一步改善。

[1] 戴洪磊,牟乃夏,王春玉，等.我國海洋浮標發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢[J].氣象水文海洋儀器,2014(2):118-125.

[2] 姚作新.基于北斗衛(wèi)星短信通信方式的無人值守自動氣象站網(wǎng)[J].氣象科技, 2012,40(3): 340-344.

[3] 張勇,陳蘇婷,張燕.基于北斗衛(wèi)星的自動氣象站數(shù)據(jù)傳輸管理系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應用,2014,40(5).

[4] 盧琳,殳國華,張仕文.基于MPPT的智能太陽能充電系統(tǒng)研究[J].電力電子技術(shù),2007,41(2):96-98.

[5] 王波,李民,劉世萱，等.海洋資料浮標觀測技術(shù)應用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].儀器儀表學報，2014,35(11)：2401-2414.

[6] 洪常委.北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)在海洋浮標中的應用[J].聲學與電子工程,2014(2):41-43.

[7] 于家傲,姜永金,李友權(quán)，等.小型化北斗導航圓極化天線研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù), 2014,37(7): 79-81.

Design of marine meteorological elements acquisition system based on STM32

Qi Anjun1, Yang Zhiyong2, Liu Jun2

(1. College of Electrical Engineering, Chengdu University of Information Technology, Chengdu 610225, China; 2. Hua Yun Sheng Da (Beijing) Meteorological Science and Technology Co., Ltd, Beijing 102200, China)

With the development of ocean strategy has been continuously promoted by the state, in order to solve the problem of marine meteorological elements gathering, a marine meteorological data acquisition system with STM32F407ZGT6 processor which with Cortex-M4 core as the core is designed. The system is installed in the ocean buoy and can collect, transmit, transform and process the marine meteorological data independently according to the designed program instructions. As the buoy to be put into the ocean drifting with the ocean currents, the system uses Beidou communication to exchange information with the outside world. The collected information is stored in Flash and the collected data is uploaded to the server on shore, the ground staff use a machine software to extract the server data and through the man-machine interface for data analysis.

ocean buoy; marine meteorological; Beidou communication; the man-machine interface

國家重大科學儀器設(shè)備開發(fā)專項(2014YQ110787)

P732; TP31

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.15.008

祁安俊，楊志勇，劉鈞.基于STM32的海洋氣象要素采集系統(tǒng)設(shè)計[J].微型機與應用，2017,36(15)：29-31，34.

2017-03-09)

祁安俊(1992-)，通信作者，男，在讀碩士，主要研究方向：氣象觀測儀器與計量技術(shù)。E-mail：1121472259@qq.com。

楊志勇(1959-)，男，本科，高級工程師，主要研究方向：大氣探測信息處理。

劉鈞(1976-)，男，碩士，主要研究方向：大氣探測信息處理地面氣象觀測自動化，圖形圖像處理技術(shù)。