張廣超，馬尚昌，劉 鈞

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

日照數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

張廣超1，馬尚昌1，劉 鈞2

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

針對(duì)目前在氣象研究領(lǐng)域中日照采集系統(tǒng)作業(yè)質(zhì)量效果和實(shí)時(shí)性差、系統(tǒng)智能化程度低以及科技含量低等問(wèn)題，對(duì)日照采集系統(tǒng)的通信方式、傳輸平臺(tái)、通信形式、位置定位及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等方面進(jìn)行了研究，提出了一種基于 GPRS 的遠(yuǎn)程無(wú)線采集日照數(shù)據(jù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)以 GPRS 網(wǎng)絡(luò)和Internet作為遠(yuǎn)程信號(hào)的傳輸平臺(tái)，采用了 STM32 處理器和 SIM900A 作為基本的硬件平臺(tái)。日照傳感器采用良好的感應(yīng)元件和材料，其感應(yīng)部件和數(shù)據(jù)采集處理單元集成在光筒內(nèi)；計(jì)算機(jī)端軟件實(shí)現(xiàn)了對(duì)日照數(shù)據(jù)的定時(shí)接收處理和查詢歷史數(shù)據(jù)操作等功能。

日照數(shù)據(jù)采集；網(wǎng)絡(luò)傳輸；GPRS通信；數(shù)據(jù)處理

0 引言

世界氣象組織對(duì)日照時(shí)數(shù)的定義是:在給定時(shí)段內(nèi)直接太陽(yáng)輻照度達(dá)到或超過(guò)120 W/m2的各分段時(shí)間的總和[1-2]。日照時(shí)長(zhǎng)數(shù)據(jù)的測(cè)量是太陽(yáng)輻射時(shí)間分布測(cè)量的重要組成部分。日照時(shí)數(shù)資料的主要用途是表征當(dāng)?shù)氐臍夂蚝兔枋鲞^(guò)去的天氣狀況，可以認(rèn)為日照時(shí)數(shù)較長(zhǎng)的地區(qū)有強(qiáng)烈的太陽(yáng)光，產(chǎn)生使人可以保持良好狀態(tài)的心理效應(yīng)；另外，合理利用氣候資源，研究每日的日照時(shí)長(zhǎng)數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)，在農(nóng)業(yè)上也有很大用途。同時(shí)日照時(shí)長(zhǎng)數(shù)據(jù)的采集有助于了解太陽(yáng)、地球表面和大氣間的輻射過(guò)程、能量轉(zhuǎn)換規(guī)律以及各輻射量的時(shí)空分布，研究大氣成分如懸浮微粒、水汽、臭氧等的分布和變化，滿足醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、建筑、工業(yè)和家庭等對(duì)太陽(yáng)能技術(shù)和輻射資料的要求。此外，輻射的分光譜測(cè)量可用來(lái)取得氣溶膠的光學(xué)厚度和大氣渾濁度，在農(nóng)業(yè)生物和醫(yī)療衛(wèi)生方面有著廣泛的用途。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

日照數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究主要針對(duì)硬件平臺(tái)的建立、通信系統(tǒng)的搭建、上位機(jī)的編寫三大部分來(lái)展開，其中硬件平臺(tái)核心采用STM32處理器[3]，通用分組無(wú)線服務(wù)技術(shù) (General Packet Radio Service,GPRS)通信芯片采用客戶識(shí)別模塊(Subscriber Identification Module,SIM900A)，SIM900A是緊湊型、高可靠性的無(wú)線模塊，采用表面貼裝技術(shù)(Surface Mount Technology,SMT)封裝的雙頻全球移動(dòng)通信系統(tǒng)(Global System for Mobile Communication,GSM)/GPRS模塊，上位機(jī)框架采用WinForm[4]形式編寫，主要負(fù)責(zé)日照數(shù)據(jù)、全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System,GPS)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程采集以及終端設(shè)備的定位，并且對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。數(shù)據(jù)傳輸(含日照數(shù)據(jù)和GPS數(shù)據(jù))的設(shè)計(jì)采用Socket通信方式完成數(shù)據(jù)通信，由于傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不是很大，但要求數(shù)據(jù)可靠，故采用傳輸控制協(xié)議(Transmission Control Protocol,TCP)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，保證傳輸?shù)目煽啃浴２杉瘮?shù)據(jù)時(shí)，輸入的端口號(hào)與IP(Internet Protocol)配置正確時(shí)，上位機(jī)啟動(dòng)，等待接收數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫(kù)采用SQL Server 2008設(shè)計(jì)。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

圖3 GPS模塊及其外圍電路

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 GPRS模塊

系統(tǒng)選擇了SIMCOM公司的SIM900A作為GPRS數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮诵哪K，SIM900A模塊傳輸速度一般在20 kb/s左右，本系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的速率大概為2 kb/s，所以SIM900A可以很好地滿足需求。SIM900A出廠默認(rèn)設(shè)置TCP/IP協(xié)議，用戶可以通過(guò)擴(kuò)展的標(biāo)準(zhǔn)指令集輕松地使用該模塊進(jìn)行基于TCP/IP協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸。同時(shí)，SIM900A模塊在低功耗和高度節(jié)能方面也非常出色，當(dāng)模塊處于待機(jī)狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)電流僅為1 mA。SIM900A支持標(biāo)準(zhǔn)的8線制串行接口，同時(shí)也支持2線制串行接口，便于調(diào)試測(cè)試。SIM900A模塊支持外部SIM卡，直接與3.0 V SIM卡或1.8 V SIM卡連接。模塊自動(dòng)檢測(cè)和適應(yīng)SIM卡類型。SIM卡電路如圖2所示。

圖2 SIM卡電路

2.2 GPS模塊

由于日照采集站點(diǎn)要布設(shè)多個(gè)，分布廣且數(shù)量多，因此需要將采集站點(diǎn)位置信息發(fā)送給監(jiān)控中心。同時(shí)日照數(shù)據(jù)分析時(shí)也需要采集站點(diǎn)經(jīng)緯度信息?；诔杀?、開發(fā)難度及產(chǎn)品現(xiàn)狀的考慮，系統(tǒng)中采用美國(guó)GPS定位系統(tǒng)作為采集系統(tǒng)的定位模塊。其中，本系統(tǒng)采用U-BLOX公司的NEO-6M作為日照采集系統(tǒng)GPS模塊接收芯片，這款芯片能夠在偏遠(yuǎn)或信號(hào)較弱的地區(qū)接收到衛(wèi)星信號(hào)，定位精度最高可達(dá)2.5 m，能夠很好地滿足本系統(tǒng)的需要；能夠提供較高的時(shí)間脈沖，其提供的脈沖時(shí)間精度能夠達(dá)到15 ns，同時(shí)能夠接收GPS完整信號(hào)；具有接收50個(gè)衛(wèi)星信號(hào)通道的功能，能夠接收不同系統(tǒng)的定位信號(hào)；接口通信協(xié)議簡(jiǎn)單，易于集成。GPS與STM32模塊的通信[5]是通過(guò)串口實(shí)現(xiàn)的，本系統(tǒng)利用USART接收GPS模塊的經(jīng)緯度信息。GPS模塊及其外圍電路如圖3所示。

2.3 日照采集設(shè)計(jì)

2.3.1 采集模塊設(shè)計(jì)

日照采集模塊是基于總輻射-散射輻射測(cè)量原理實(shí)現(xiàn)日照的自動(dòng)觀測(cè)。日照采集模塊要實(shí)現(xiàn)兩大功能：一是感應(yīng)太陽(yáng)輻射的變化；二是完成數(shù)據(jù)的采集運(yùn)算處理[6]、存儲(chǔ)和傳輸，與STM32芯片進(jìn)行通信。

數(shù)據(jù)采集核心控制電路板以TI公司的MSP430F1611低功耗微處理器為控制核心。MSP430F1611內(nèi)部具有一個(gè)強(qiáng)大的16位RISC CPU、16位的寄存器以及常數(shù)發(fā)生器，能夠最大限度地提高代碼效率；系統(tǒng)在短時(shí)間內(nèi)采集到一定量的數(shù)據(jù)需要緩存，而MSP430F1611的RAM達(dá)到10 KB，足夠提供緩存空間；MSP430F149內(nèi)部帶有12位ADC模塊，可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)光電感信號(hào)的采集；MSP430F1611系列微控制器工作環(huán)境溫度范圍為-40℃～80℃，能夠適應(yīng)氣象探測(cè)所需求的外界環(huán)境。綜上，其性能指標(biāo)能夠很好地滿足系統(tǒng)需求。

2.3.2 光電傳感器原理

光電感應(yīng)元件由濱松高性能光電二極管和特殊透光材料組成。光電二極管能夠?qū)⒐庑盘?hào)轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)，而且成一定比例關(guān)系?；诳傒椛?散射輻射測(cè)量原理測(cè)量日照，對(duì)三個(gè)光電感應(yīng)器件排布有特殊要求。三個(gè)光電感應(yīng)元件應(yīng)安放于一個(gè)透明玻璃罩內(nèi)，避免外界環(huán)境影響；其中一個(gè)光電感應(yīng)器件用于測(cè)量總輻射，另外兩個(gè)光電感應(yīng)器件分別用于測(cè)量上午和下午的散射輻射，其遮光罩采用特殊的全分天空方式，使二者不能同時(shí)暴露于陽(yáng)光下。

3 系統(tǒng)上位機(jī)設(shè)計(jì)

3.1 軟件設(shè)計(jì)與流程

上位機(jī)數(shù)據(jù)接收軟件是在Visual Studio環(huán)境下開發(fā)的[7-8]，用戶可在該環(huán)境下運(yùn)用不同的程序語(yǔ)言進(jìn)行開發(fā)。本設(shè)計(jì)選用了Visual C#2010，它是一種面向?qū)ο蟮木幊陶Z(yǔ)言，它編寫的應(yīng)用程序可運(yùn)行于.NET Framework上。本設(shè)計(jì)的上位機(jī)軟件希望能夠利用多線程去處理下位機(jī)發(fā)來(lái)的日照數(shù)據(jù)和GPS數(shù)據(jù)并且顯示到不同的接收窗口中，在GPS信息窗口通過(guò)將定位的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后調(diào)用百度地圖API實(shí)現(xiàn)位置的顯示，同時(shí)將顯示在上位機(jī)界面的數(shù)據(jù)存放本地計(jì)算機(jī)，也可以上傳數(shù)據(jù)庫(kù)，本系統(tǒng)采用SQL Server建立數(shù)據(jù)庫(kù)及數(shù)據(jù)表[9]。整個(gè)軟件系統(tǒng)流程圖如圖4所示。

圖4 上位機(jī)端軟件的主流程圖

3.2 上位機(jī)通信

目前大部分的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信都是采用上位機(jī)端和客戶端的形式完成的。這種數(shù)據(jù)通信方式一般通過(guò)兩個(gè)不同的應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)，它們運(yùn)行于不同的機(jī)器上并且通過(guò)建立網(wǎng)絡(luò)連接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。通常客戶端與上位機(jī)的通信方式一般有兩種形式，一種是HTTP的形式，另一種是基于Socket的方式。HTTP通信方式是客戶端先向上位機(jī)發(fā)起連接請(qǐng)求，然后等待上位機(jī)對(duì)其做出應(yīng)答，此時(shí)客戶端才能與上位機(jī)傳輸數(shù)據(jù)，一旦這次數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束后就會(huì)自動(dòng)釋放本次連接,下次傳輸數(shù)據(jù)時(shí)客戶端還需要重新與上位發(fā)起連接，再次等待上位機(jī)的應(yīng)答。而Socket通信形式是客戶端發(fā)起與上位機(jī)建立連接的請(qǐng)求后，上位機(jī)處理請(qǐng)求并與之建立連接，一旦連接建立好了之后即可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，免除了許多拆包、封包等復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程，采用數(shù)據(jù)流的格式進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送，一旦建立連接后不需要每次向上位機(jī)建立連接請(qǐng)求，并且具有數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確率高的優(yōu)點(diǎn)，因此 Socket 這種通信模式被廣泛地運(yùn)用于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸。本系統(tǒng)就是采用基于Socket通信方式來(lái)完成數(shù)據(jù)通信。本系統(tǒng)服務(wù)器與客戶端之間的通信模型如圖5所示。

圖5 服務(wù)器與客戶端之間的通信模型

Socket的通信模型有兩種[10]：TCP和UDP。TCP(面向連接方式)采用IP流的形式數(shù)據(jù)發(fā)送,數(shù)據(jù)的傳輸過(guò)程當(dāng)中丟包少，傳輸可靠。UDP(無(wú)連接服務(wù))采用數(shù)據(jù)報(bào)文的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收送，不保證數(shù)據(jù)的可靠性。由于本系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不是很大，但是要求數(shù)據(jù)可靠，因此為了確保傳輸?shù)目煽啃裕瑴p少丟包，本系統(tǒng)采用了TCP的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。

3.3 Socket編程

由于本設(shè)計(jì)選用的GPRS模塊內(nèi)部包含TCP協(xié)議，只需要通過(guò)AT指令操作GPRS模塊以TCP客戶端的方式發(fā)送數(shù)據(jù)，因此只需要完成上位機(jī)數(shù)據(jù)接收的應(yīng)用程序編寫即可。由于本系統(tǒng)采用的是C#語(yǔ)言來(lái)編寫應(yīng)用程序，里面包含許多網(wǎng)絡(luò)編程所需的類和方法，在編程的過(guò)程中可調(diào)用這些類和方法。首先要實(shí)例一個(gè)Socket對(duì)象[11]，設(shè)置其傳輸?shù)母袷胶推鋫鬏攨f(xié)議，然后創(chuàng)建一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)對(duì)象要包含其IP地址和端口號(hào)，再把實(shí)例好的套接字綁定到對(duì)應(yīng)的IP和端口號(hào)上，并開始監(jiān)聽來(lái)自下位機(jī)的連接，此處要設(shè)置一下監(jiān)聽隊(duì)列長(zhǎng)度即同時(shí)處理請(qǐng)求連接的個(gè)數(shù)，由于本次只實(shí)現(xiàn)了一個(gè)客戶端，但是上位機(jī)軟件監(jiān)聽的客戶端數(shù)量可以自由設(shè)置(為了以后組網(wǎng)，方便擴(kuò)展)，最后調(diào)用Accept()函數(shù)處理客戶的連接，當(dāng)有客戶向服務(wù)器發(fā)起連接的時(shí)候，就會(huì)分配一個(gè)新的套接字，通過(guò)Send()和Recv()函數(shù)實(shí)現(xiàn)與客戶端之間的通信，循環(huán)接收和送數(shù)據(jù)，為了防止掉線，收到數(shù)據(jù)后自動(dòng)回復(fù)內(nèi)容，相當(dāng)于系統(tǒng)已經(jīng)做了心跳處理。

3.4 上位機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)

本系統(tǒng)不僅能夠把數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示到界面系統(tǒng)上，同時(shí)還能夠把顯示的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)起來(lái)，因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)存放日照數(shù)據(jù)。本設(shè)計(jì)選用微軟公司SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)[12]來(lái)存放數(shù)據(jù)。本程序采用SQL Server 2008R2版本設(shè)計(jì)日照存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)Sun-data。同時(shí)能將數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)同步到上位機(jī)軟件的DataGridView控件中，能夠按照時(shí)間查詢歷史數(shù)據(jù)，并且實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)導(dǎo)出至Excel表格。導(dǎo)出表格并沒有采用官方提供的Excel專門類庫(kù)，在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)用此種方法與Office版本及其卸載殘留有很大關(guān)系，經(jīng)常出錯(cuò)，移植性不好，所以采用了第三方的NPOI.dll，這樣不會(huì)因計(jì)算機(jī)的Office的不同版本而出現(xiàn)問(wèn)題，便于程序的移植和分析數(shù)據(jù)。

3.5 地圖功能實(shí)現(xiàn)

3.5.1 GPS坐標(biāo)解析

GPS坐標(biāo)解析輸出數(shù)據(jù)采用的是ASCII碼，內(nèi)容包含了緯度、經(jīng)度、高度、速度、日期、時(shí)間、航向以及衛(wèi)星狀況等信息，常用語(yǔ)句有6 種，包括GGA、GLL、GSA、GSV、RMC 和 VTG。根據(jù)設(shè)計(jì)的需求來(lái)選擇不同的格式，這里采用了常見的GPRMC格式的語(yǔ)句，$GPRMC,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,<10>,<11>各個(gè)字符依次代表著不同的信息，根據(jù)需要提取了重要的經(jīng)度、緯度信息，由于上述經(jīng)度、緯度數(shù)據(jù)格式采用的是：度度分分.分分分分(ddmm.mmmm)格式，在程序中通過(guò)編寫函數(shù)將其轉(zhuǎn)化為度的格式，為后面的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換提供方便。

3.5.2 地圖顯示

上位機(jī)地圖是是利用百度地圖API來(lái)實(shí)現(xiàn)的[13]，由于GPS模塊傳來(lái)的GPS信息中的經(jīng)度、緯度信息是真實(shí)的坐標(biāo)，利用地圖服務(wù)商提供的地圖顯示偏差會(huì)很大，因?yàn)槭艿絿?guó)家一些法律法規(guī)限制，所有的電子地圖服務(wù)提供商都需要給地圖數(shù)據(jù)加上偏移和加密。所謂的地圖數(shù)據(jù)加密偏移，其實(shí)就是用一個(gè)偏移算法對(duì)地圖的經(jīng)緯度做一個(gè)加減偏移量，從而達(dá)到與實(shí)際地圖不一致。偏移算法本身是沒有什么規(guī)律可言的，每家地圖服務(wù)商都有一套自己的加密偏移算法，國(guó)內(nèi)地圖應(yīng)用顯示的都不是真實(shí)的GPS坐標(biāo)，所以百度對(duì)外提供的坐標(biāo)系是百度自己的坐標(biāo)系，而GPS獲得的是原始坐標(biāo)，兩者不在一個(gè)坐標(biāo)系上，所以有很大的誤差，誤差在千米之外，這顯然不能滿足需要。所以必須進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，把兩者換成統(tǒng)一坐標(biāo)系。換成原始GPS坐標(biāo)在國(guó)內(nèi)原則上是違法的，所以只能統(tǒng)一成各個(gè)地圖運(yùn)營(yíng)商自己的坐標(biāo)系，本文選擇百度坐標(biāo)系。

4 結(jié)論

針對(duì)目前日照采集作業(yè)通信方式單一、作業(yè)場(chǎng)景有缺陷的問(wèn)題，本文以嵌入式系統(tǒng)為平臺(tái)，提出了一種基于 GPRS 的遠(yuǎn)程無(wú)線采集日照數(shù)據(jù)系統(tǒng)，對(duì)當(dāng)?shù)亟?jīng)緯度、直接輻射輻照度、日照分鐘累計(jì)、小時(shí)累計(jì)、日累計(jì)等信息采集獲取技術(shù)進(jìn)行了研究，建立了一套現(xiàn)代化的、適合多場(chǎng)合的數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)。整個(gè)作業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由ARM中央處理器、采集作業(yè)數(shù)據(jù)的相關(guān)傳感器、供電管理電路及GPS模塊、GPRS通信模塊組成。采集的日照數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS通信傳送至計(jì)算機(jī)，用計(jì)算機(jī)當(dāng)作數(shù)據(jù)中心對(duì)獲取的數(shù)據(jù)信息整合處理。用計(jì)算機(jī)不僅可以實(shí)時(shí)獲取所需要的信息，而且提供了對(duì)已有歷史數(shù)據(jù)查詢的功能。

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The design and implementation of sunlight data acquisition system

Zhang Guangchao1,Ma Shangchang,Liu Jun2

(1.College of Electronic Engineering,Chengdu University of Information Technology,Chengdu 610225,China; 2.China Huayun Meteorological Science and Technology Corporation，Beijing 102200,China)

According to the problems of bad operation effect,bad real-time performance,low intelligence and low technology of sunlight acquisition system in the field of atmospheric research,in this paper,the communication mode,transmission platform,communication form,position location and data storage of sunlight acquisition system were studied,and a remote wireless collection sunlight data system based on GPRS was proposed.The system takes GPRS network and Internet as the remote signal transmission platform,and adopts the STM32 processor and SIM900A as the basic hardware platform.The good sensing elements and materials are used as sun sensors,and the inductive components and data acquisition processing unit are integrated within the cone of light.The software in computer realizes regular receiving and processing of sunlight data ,and the software has historical data query function and other functions.

sunlight data acquisition; network transmission; GPRS communication; data processing

國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)(2012YQ110205)

TP399

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.10.024

張廣超，馬尚昌，劉鈞.日照數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(10)：85-88.

2016-11-17)

張廣超(1991-)，通信作者，男，碩士研究生，主要研究方向：地面氣象觀測(cè)自動(dòng)化。E-mail:1072238017@qq.com。

馬尚昌(1971-)，男，博士，教授，主要研究方向：地面氣象觀測(cè)儀器、信息獲取與處理、混雜動(dòng)態(tài)系統(tǒng)理論。

劉鈞(1976-)，男，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向：地面氣象觀測(cè)自動(dòng)化，圖形圖像處理技術(shù)，大氣探測(cè)信息處理。