王 悅，王春雨

(海軍工程大學 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是經常出現的一種異常大氣折射現象。大氣波導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、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，即表面波導、懸空波導和蒸發(fā)波導［2］，可通過獲取大氣折射指數垂直分布廓線來確定其波導的存在和厚度，而大氣折射指數主要由溫度、相對濕度和氣壓3個參數決定。

對于大氣折射指數的測量，目前已發(fā)展出各種點探測設備以滿足折射指數時空變化研究的需要。常見的點探測設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、架設不便、無法同時測量多點數據及成本高等缺點。本系統(tǒng)較好地克服了上述缺點，且使用方便，可同時測量多點數據，且精度高、功耗低。

1 硬件設計

1.1 數據采集板設計

數據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 數據采集板硬件結構

圖2 手持接收終端硬件結構

由于大氣中，尤其是海面上空，溫濕壓各項指標均可能在短時間內發(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)能夠準確、快速地測量出該變化。因此本系統(tǒng)需要精度高，響應快的傳感器。國內市場上的測量溫濕度數字型傳感器雖種類繁多、開發(fā)方便，但響應時間均較長，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、響應時間、開發(fā)難度等因素，系統(tǒng)采用愛爾蘭Betatherm公司生產的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公司生產的一款測量絕對氣壓的高精度數字式氣壓傳感器SCP1000－D01［6］。

由于傳感器的輸出既有數字信號，也有模擬信號。模擬信號需通過A/D轉換器轉換為數字信號，而增加專門的A/D轉換器會使成本變大，同時電路也將變得復雜。因此考慮采用集成A/D轉換器的微控制器。同時由于單獨增加通信模塊同樣會使電路變復雜，成本變大，開發(fā)難度增加，微控制器的選擇應集A/D轉換、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［8］。ZigBee協(xié)議是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的無線網絡技術，其使用中的便捷性，適用于無線傳感網絡。

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 手持數據終端設計

手持數據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，可有效提高單片機系統(tǒng)中I/O引腳的利用率。

2 軟件設計

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，方便調試。

2.1 通信網絡的設計

ZigBee的節(jié)點有協(xié)調器、路由器和終端節(jié)點3種類型。網絡的拓撲結構一般有3種形式:星形拓撲、樹形拓撲和網狀拓撲。

協(xié)調器負責建立網絡，并讓其他類型節(jié)點加入網絡;路由器負責在同一網絡內轉發(fā)信息以及允許終端節(jié)點通過自身加入網絡;終端節(jié)點只負責發(fā)送和接收信息。星形拓撲是最簡單的一種拓撲形式，包含一個協(xié)調器和若干個終端節(jié)點;樹形拓撲包含一個協(xié)調器以及若干個路由器和終端節(jié)點;網狀拓撲和樹形拓撲的節(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)采用星形拓撲，首先由一個節(jié)點用作協(xié)調器建立網絡，其他節(jié)點作為終端節(jié)點加入網絡。

2.2 軟件主流程圖

數據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 數據采集板軟件流程圖

圖7 手持接收終端軟件流程圖

3 測量結果數據分析

選用江蘇無線電科學研究所有限公司的ZQZCY移動式自動氣象站來對比本系統(tǒng)的各項指標，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指標如表1所示。

表1 自動氣象站溫濕壓技術指標

通過軟件延時將3個傳感器均設置為1 s輸出一次數據，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內的平均數據與自動氣象站相應的輸出數據相比較。

3.1 溫度測量數據分析

圖8是該樣本數據的溫度曲線結果，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℃，所測數據的方差為0.002 4，說明數據穩(wěn)定，波動較小。且可看出，－0.1℃的絕對誤差是隨機出現的。

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)所測數據的平均值為61.33 %，方差為0.22，較為穩(wěn)定，誤差也是隨機出現的。

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

氣壓數據一般提取實驗開始15 min后的數據，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行修正。

圖10 氣壓曲線比較

4 結束語

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

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

［2］ 戴福山，李群，董雙林，等.大氣波導及其軍事應用［M］.北京:解放軍出版社，2002.

［3］ 李偉，刑毅，馬舒慶.國產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用［J］.儀表技術與傳感器，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技術實踐教程［M］.北京:北京航空航天大學出版社，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.