勇婭詢，劉懷芝

(1.江蘇科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，鎮(zhèn)江 212003；2.中船重工鵬力(南京)大氣海洋信息系統(tǒng)有限公司)

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嵌入式系統(tǒng)的小型自動(dòng)氣象站設(shè)計(jì)※

勇婭詢1，劉懷芝2

(1.江蘇科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，鎮(zhèn)江 212003；2.中船重工鵬力(南京)大氣海洋信息系統(tǒng)有限公司)

摘要:隨著社會進(jìn)步，人們對周圍氣象信息的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性提出了更高的要求，由于市場上的自動(dòng)氣象站價(jià)格較高，因而設(shè)計(jì)了基于嵌入式的小型自動(dòng)氣象站。系統(tǒng)以高性能的ARM Cortex-M3微控制器 LPC1788為硬件核心，擴(kuò)展了外圍接口電路。以嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II為軟件平臺，移植了μC/GUI圖形用戶界面，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集、處理、存儲及顯示等功能。通過3G模塊與數(shù)據(jù)監(jiān)控中心主機(jī)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸。經(jīng)測試，系統(tǒng)具有體積小、成本低、功耗低、采集速度快等優(yōu)點(diǎn)，在氣象監(jiān)測行業(yè)中具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞:Cortex-M3；μC/OS-II；μC/GUI；小型自動(dòng)氣象站

引言

自動(dòng)氣象站是一種集氣象數(shù)據(jù)的采集、存儲、傳輸和管理于一體的無人值守的氣象采集系統(tǒng)，在電子設(shè)備或計(jì)算機(jī)控制下自動(dòng)進(jìn)行氣象觀測和資料的收集傳輸[1]。小型自動(dòng)氣象站主要觀測氣壓、氣溫、相對濕度、風(fēng)向、風(fēng)速等基本氣象要素，也可根據(jù)需求增加測量要素，如光照、蒸發(fā)量、雨量等。小型自動(dòng)氣象站具有成本低、功耗低、安裝方便等優(yōu)勢，既適用于氣象、海洋、機(jī)場、港口、城市以及工業(yè)/農(nóng)業(yè)區(qū)環(huán)境監(jiān)測，也適合學(xué)校和科研機(jī)構(gòu)等使用，應(yīng)用十分廣泛[2]。

1總體設(shè)計(jì)方案

小型自動(dòng)氣象站主要由6大功能模塊組成，分別為主控模塊、信號采集模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、人機(jī)交互模塊、通信模塊和電源模塊。小型自動(dòng)氣象站的組成框圖如圖 1所示[3]。

1.1主控模塊

考慮到設(shè)計(jì)要求與經(jīng)濟(jì)因素，本系統(tǒng)選擇了恩智浦基于Cortex-M3內(nèi)核的LPC1788微控制器作為主控核心，其資源豐富，主頻可達(dá)120 MHz，支持SDRAM和NAND FLASH擴(kuò)展、具有512 KB的FLASH和96 KB的RAM、 4個(gè)定時(shí)器、5個(gè)UART、8通道12位A/D轉(zhuǎn)換器，1路SPI以及3路I2C、帶LCD_TFT控制，支持USB 2.0(host/device/OTG)、支持SD卡、具有內(nèi)部RTC等，滿足設(shè)計(jì)要求[4-6]。

以LPC1788微控制器為核心的主控模塊負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，為其他各個(gè)模塊提供接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、處理、顯示、存儲與傳輸。

圖1　小型自動(dòng)氣象站的組成框圖

1.2電源模塊

在電源電路中，采用DC 9～18 V電源輸入，供電圖如圖2所示。首先通過DC-DC將輸入電壓變?yōu)?2 V，其中12 V分為兩路，一路為系統(tǒng)提供電壓，另一路為外設(shè)供電。然后，12 V通過DC-DC變?yōu)? V，5 V也分為兩路，一路可以給3G/GPRS模塊供電；另一路通過低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)變?yōu)?.3 V，為系統(tǒng)供電。DC-DC電源芯片選用的是LM2596，其輸出的電壓可以調(diào)節(jié)，擁有3 A負(fù)載電流輸出。LDO選擇AMS1117-3.3 V，此芯片最大電流可以達(dá)到1 A，兩種芯片均滿足應(yīng)用需要。

圖2　電源供電圖

供電系統(tǒng)采用市電和太陽能發(fā)電互補(bǔ)，主電采用交流220 V市電，副電采用太陽能發(fā)電，通過自動(dòng)開關(guān)進(jìn)行切換，保證在無市電的情況下本系統(tǒng)能可靠運(yùn)行。

1.3信號采集模塊

信號采集模塊以傳感器為核心，負(fù)責(zé)獲取氣象要素信息。本設(shè)計(jì)考慮氣象站的小型化、低功耗、安裝便捷、價(jià)格等因素，選取了國產(chǎn)的PH-YT超聲波一體化傳感器用來測量風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度、氣壓共五項(xiàng)基本氣象要素，技術(shù)參數(shù)如表1所列。

PH-YT超聲波一體化傳感器通過RS485接口連接采集主控模塊，通信協(xié)議采用標(biāo)準(zhǔn)的Modbus通信協(xié)議。

采集板預(yù)留了各種接口，可接擴(kuò)充的各種類型的傳感器。傳感器由采集板供電，電源可控，電路設(shè)計(jì)中,為了避免傳感器短路故障而影響系統(tǒng)工作，在各個(gè)供電部分都加入了自恢復(fù)保險(xiǎn)絲，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

1.4數(shù)據(jù)存儲模塊

自動(dòng)氣象站常工作在野外環(huán)境中，需要大量存儲數(shù)據(jù)，當(dāng)系統(tǒng)存儲容量不夠，又需要保存大量數(shù)據(jù)的時(shí)候，可以用SD卡存儲臨時(shí)數(shù)據(jù)，因而設(shè)計(jì)了SD卡存儲電路。同時(shí)還設(shè)計(jì)了USB接口電路，當(dāng)檢測到有U盤接入時(shí)，將自動(dòng)拷貝SD卡中的數(shù)據(jù)。

1.5人機(jī)交互模塊

人機(jī)交互模塊主要設(shè)計(jì)了 LCD 液晶屏接口電路，提供直觀的菜單操作界面，方便用戶操作。

1.6通信模塊

通信模塊分為兩個(gè)部分：一是智能傳感器通過相應(yīng)的接口將采集的信息傳輸給主控模塊，二是主控模塊與監(jiān)控中心主機(jī)的通信。本設(shè)計(jì)采用的是3G通信，采集處理好的氣象信息，通過3G模塊上傳到數(shù)據(jù)庫。

2軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

考慮到系統(tǒng)的多任務(wù)及實(shí)時(shí)性，系統(tǒng)在軟件上移植了嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II。主要完成的工作為：根據(jù)所選的MCU對OS_CPU.H 頭文件、OS_CPU_C.C源代碼文件、OS_CPU_A.S 匯編代碼文件進(jìn)行編寫與修改，接著移植了圖形用戶界面μC/GUI[7-8]。

在系統(tǒng)的硬件平臺上實(shí)現(xiàn)μC/OS-II系統(tǒng)軟件層和μC/GUI圖形用戶接口后，根據(jù)系統(tǒng)的應(yīng)用功能進(jìn)入嵌入式應(yīng)用軟件開發(fā)。以LPC1788為核心，把各種輸入/輸出設(shè)備相關(guān)的功能劃分成不同的任務(wù)，主要包括GUI界面顯示任務(wù)、串口任務(wù)、數(shù)據(jù)采集任務(wù)、文件系統(tǒng)存儲任務(wù)、按鍵任務(wù)等[9]。系統(tǒng)軟件整體工作流程如圖3所示。

表1　技術(shù)參數(shù)指標(biāo)

圖3　系統(tǒng)軟件整體工作流程

2.1數(shù)據(jù)采集任務(wù)

PH-YT超聲波一體化傳感器采用標(biāo)準(zhǔn)的Modbus通信協(xié)議[9]。通信協(xié)議具體內(nèi)容見表2。

表2　傳感器通信協(xié)議

注：XX XX為風(fēng)速數(shù)據(jù)，高前低后；YY YY為風(fēng)向數(shù)據(jù)，高前低后；TP TP為溫度速數(shù)據(jù)，高前低后；HU HU為濕度數(shù)據(jù)，高前低后；PRE PRE為氣壓數(shù)據(jù)，高前低后；CRC為校驗(yàn)碼。

以獲取風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)為例，其具體程序如下：

void SEND_FSFX_ORDER(void){

//發(fā)送獲得風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)指令

int i;

unsigned char buf[8]={0x01,0x03,0x00,0x00,0x00,

0x02,0xC4,0x0B};

for(i=0;i<8;i++){

UART_Send(UART_1,&buf[i],1,BLOCKING);

}

}

void GET_FSFX_DATA(void){

//獲得風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)

UART_Receive(UART_1,Read_FSFX_Buffer,9,BLOCKING);

}

void SEND_BUFFER_FS(void){

//將風(fēng)速數(shù)據(jù)通過串口0發(fā)送

int i;

for(i=3;i<5;i++){

UART_Send(UART_0,&Read_FSFX_Buffer[i],1,BLOCKING);

}

}

void Dec_BUFFER_FSFX(){//將風(fēng)速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)據(jù)

DEC_FS=(Read_FSFX_Buffer[3]*256+(Read_FSFX_Buffer[4])) ;

}

2.2串口任務(wù)

串行接口(Serial Interface) 簡稱串口，也就是平時(shí)所說的COM口，是采用串行通信方式的擴(kuò)展接口?，F(xiàn)場傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，經(jīng)過終端處理后在電腦上打印，串口任務(wù)如下：

void TRANSMIT_task(void *pdata){

OSTaskSuspend(TRANSMIT_TASK_PRIO);

OSTimeDlyHMSM(0, 0, 0, 500);

for(;;){

DEBUG_LOG("FS->%d.%d ", DEC_FS/100, DEC_FS%100);

DEBUG_LOG("FX->%d ", DEC_FX);

DEBUG_LOG("TP->%d.%d ", DEC_TP/10, DEC_TP%10);

DEBUG_LOG("HU->%d.%d ", DEC_HU/10, DEC_HU%10);

DEBUG_LOG("PRE->%d.%d ", DEC_PRE/10, DEC_PRE%10);

OSTimeDlyHMSM(0, 0, 1,0);

}

}

圖4所示為串口助手顯示的串口打印數(shù)據(jù)。其中FS為風(fēng)速，F(xiàn)X為風(fēng)向，TP代表溫度，HU代表濕度，PRE代表氣壓。

圖4　串口打印數(shù)據(jù)

2.3文件存儲任務(wù)

數(shù)據(jù)保存在自動(dòng)氣象站系統(tǒng)中較為重要，傳感器采集的數(shù)據(jù)保存于本地的SD卡中。歷史數(shù)據(jù)以日期命名，每天產(chǎn)生一個(gè)文件夾，小時(shí)數(shù)據(jù)以小時(shí)命名，每小時(shí)產(chǎn)生一個(gè)txt文檔用于保存每小時(shí)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，代碼里設(shè)置為3 s保存一次數(shù)據(jù)[10]，具體程序如下：

void FATFSData(){

status = f_mount(0, &fs);

Create_files(dir_path,file_path);

Write_Time_file(dir_path,file_path) ;

Write_Uart_file(dir_path,file_path) ;

f_mount(0,NULL);

}

系統(tǒng)在執(zhí)行FATFSData()函數(shù)時(shí)，首先在FATFS上注冊一個(gè)工作區(qū)，然后使用Create_files(dir_path,file_path)函數(shù),以年月日的格式創(chuàng)建文件夾路徑dir_path，以小時(shí)的格式創(chuàng)建txt文件路徑file_path,這樣便于以后的數(shù)據(jù)查找，測試的結(jié)果如圖5所示。Write_Time_file(dir_path,file_path) 和Write_Uart_file(dir_path,file_path) 函數(shù)，在所創(chuàng)建的txt文檔中寫入內(nèi)容，數(shù)據(jù)格式如圖5(c)所示。

圖5　文件系統(tǒng)保存數(shù)據(jù)

2.4GUI顯示任務(wù)

GUI界面顯示任務(wù)主要完成了以下工作：①確定界面布局；②顯示文本框，并通過文本框顯示采集的數(shù)據(jù)；③制作字模，建立字母和漢字庫，并在屏幕上顯示；④顯示圖片。為了節(jié)省內(nèi)存，通過字模生成器生成漢字，通過鏈表形式加入。為了在LCD屏幕上顯示bmp圖片，首先要把圖片轉(zhuǎn)換成C文件，這個(gè)C文件由一個(gè)數(shù)組構(gòu)成，數(shù)組大小由LCD上顯示的圖片大小決定。顯示圖片首先通過GLCD_DrawIcos(uint16_t x,uint16_t y,uint16_t width,uint16_t height,uint8_t *icosbase)函數(shù)讀取圖片像素點(diǎn),GLCD_DrawIcos函數(shù)共有5個(gè)變量，前4個(gè)變量分別代表了圖片顯示的位置和寬度、高度，最后一個(gè)參數(shù)是一個(gè)指針，指向存放圖片點(diǎn)陣的數(shù)組。然后用函數(shù)GLCD_SetPixel_16bpp(x,y,temp)一點(diǎn)一點(diǎn)地顯示像素點(diǎn)，直到讀取完所有的像素點(diǎn)為止。

界面顯示如圖6所示。圖中顯示的是2015年8月31日下午15時(shí)49分在測量基地測得的氣象要素，由于未下雨，雨量數(shù)值顯示為0，此時(shí)風(fēng)速為0.3 m/s，風(fēng)向?yàn)?6.7°，溫度為29.0 ℃，氣壓為1006.9 hPa，濕度為58.5%RH。

圖6　界面顯示

3上位機(jī)的實(shí)現(xiàn)

氣象站系統(tǒng)安裝在鹽城市濱海港的江蘇省海洋氣象環(huán)境綜合觀測研究基地，測得的數(shù)據(jù)通過3G模塊傳輸?shù)焦旧衔粰C(jī)數(shù)據(jù)庫中，采用Java語言設(shè)計(jì)了氣象站顯示界面，采用C/S模式，輸入網(wǎng)址獲得的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示界面略——編者注，實(shí)時(shí)顯示了風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度、氣壓的數(shù)值，選擇要素變化趨勢，可以實(shí)時(shí)顯示變化曲線圖。

結(jié)語

至今為止，該設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，功能正常，與研究基地內(nèi)多個(gè)類似觀測產(chǎn)品，以及雷達(dá)監(jiān)測的數(shù)據(jù)相比，數(shù)據(jù)采集和分析處理結(jié)果較為準(zhǔn)確。因?yàn)樾⌒蜌庀笳景惭b便捷、功耗低、性能穩(wěn)定，適合推廣應(yīng)用。

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勇婭詢(碩士研究生)，研究方向?yàn)橹悄茈姎庀到y(tǒng)；劉懷芝(工程師)，研究方向?yàn)閮x器開發(fā)。

Small Automatic Weather Station Based on Embedded System※

Yong Yaxun1,Liu Huaizhi2

(1.School of Electrical and Information,Jiangsu University of Science and Technology,Zhenjiang 212003,China;2.CSIC Pride (Nanjing) Atmosphere Ocean Information System Co.,Ltd.)

Abstract：With the development of the society,people put forward higher requirements for the accuracy and real-time of the weather information around themself.Due to the price of the automatic weather station on the market,therefore a small automatic weather station based on embedded system is designed.The system uses high-performance ARM Cortex-M3 microcontroller LPC1788 as the hardware core,and expands the peripheral interface circuits.The embedded real-time operating system μC/OS-II is used as the software platform,and the μC/GUI graphical interface system is ported to achieve data collection,processing,storage and display and so on.It communicates with the data monitoring center host through the 3G module,and achieves the real-time remote data transmission.The test results show that the system has small size,low cost,low power consumption,acquisition speed,etc,and has a wide range of applications in the weather monitoring industry.

Key words:Cortex-M3;μC/OS-II;μC/GUI;small automatic weather station

收稿日期：(責(zé)任編輯：薛士然2015-09-09)

中圖分類號:TP393

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A