孫 琦，傅 軍

（海軍工程大學(xué) 電氣工程學(xué)院，湖北 武漢 430033）

0 引 言

氣象預(yù)報對當(dāng)今人們合理調(diào)控生產(chǎn)生活起到重要作用，正確的氣象預(yù)報依賴于長期、準確、實時的氣象觀測數(shù)據(jù)。從20世紀90年代后期開始，我國大力加強地面氣象觀測業(yè)務(wù)能力建設(shè)，已初步建立了與國民經(jīng)濟建設(shè)發(fā)展相適應(yīng)的觀測網(wǎng)。但是在沙漠、高山、海島等環(huán)境條件惡劣、人煙稀少的地區(qū)，交通、供電、通信等基礎(chǔ)設(shè)施薄弱，給人工值守和依賴地面通信網(wǎng)絡(luò)的氣象觀測站點帶來了巨大的建設(shè)和運行成本，然而獲取完整翔實的水文氣象資料是開展相關(guān)科研工作和氣象服務(wù)決策的重要基礎(chǔ)。

近幾十年來，隨著電子信息和計算機技術(shù)的發(fā)展，逐漸出現(xiàn)了無人值守、無需經(jīng)常維護的自動無人氣象站，解決了傳統(tǒng)氣象站中，部分氣象站人力成本高、難以維護和數(shù)據(jù)采集困難的問題。自動氣象站的應(yīng)用和普及，可以很大程度地增加氣象數(shù)據(jù)采集時空密度，有效地提高氣象觀測效果以及可靠性，滿足觀測可比性等方面的要求，減少氣象觀測站的運營費用[1]。

自動氣象觀測站按照通信方式可以分為兩類，即有線遙測氣象站和無線遙測氣象站[2]。有線遙測氣象站是傳統(tǒng)的氣象監(jiān)測方式，感應(yīng)部分和接收處理部分相隔幾十米或者幾千米，其間用有線通信電路傳輸。傳感器將數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)線傳輸?shù)絇C機上。這種方式適合于有人值守區(qū)。無線遙測氣象站大部分采用物聯(lián)網(wǎng)模式，通過GPRS數(shù)據(jù)傳輸方式，將數(shù)據(jù)上傳至網(wǎng)絡(luò)平臺，凡是有網(wǎng)絡(luò)的地方，都可以隨時登錄平臺，查看氣象站現(xiàn)場數(shù)據(jù)，且有短信預(yù)警提示的功能。這種又被稱為無人氣象站。

在公共移動通信網(wǎng)尚未完全覆蓋的人煙稀少地區(qū)，使用GPRS體制工作的氣象站因網(wǎng)絡(luò)覆蓋盲區(qū)的問題，難以滿足氣象傳輸要求。因此，有必要使用可靠、無網(wǎng)絡(luò)覆蓋盲區(qū)的北斗短報文通信技術(shù)作為氣象站的信息通路[3]，以提高氣象站的適用性和可靠性。

針對以上現(xiàn)狀，本文設(shè)計了基于北斗的無人值守氣象站。使用太陽能蓄電池作為電源，氣象站傳感器和主控單元之間使用RS 485-ModBus協(xié)議，利用北斗系統(tǒng)的短報文通信功能與北斗/GSM通信服務(wù)網(wǎng)關(guān)結(jié)合使用，在終端用戶側(cè)可實現(xiàn)隨時通過手機發(fā)送特定字符獲取遠端水文氣象數(shù)據(jù)服務(wù)[4]，技術(shù)人員也可以遠程隨時查詢氣象水文站的工作狀態(tài)，便于及時進行故障處置。

1 總體功能設(shè)計

無人氣象站承擔(dān)在惡劣環(huán)境下的氣象觀測任務(wù)，因此設(shè)備應(yīng)具有以下指標(biāo)：

（1）通信質(zhì)量穩(wěn)定、無通信盲區(qū)、丟包少、可以實現(xiàn)雙向通信、接收用戶指令；

（2）設(shè)備應(yīng)該具有寬電壓輸入、供電設(shè)備輸出電壓穩(wěn)定；

（3）通信延遲小、通信帶寬大、傳感器設(shè)備工作可靠；

（4）兩種幀協(xié)議的接收解析與封裝發(fā)送[5]。

依據(jù)要求通信質(zhì)量必須穩(wěn)定，而GPRS/GSM存在通信盲區(qū)及信號不穩(wěn)定等因素，采用北斗衛(wèi)星通信的數(shù)據(jù)傳輸模式，保證數(shù)據(jù)可靠上傳。北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)覆蓋范圍廣，沒有通信盲區(qū)，信息加密傳輸安全?！氨倍啡枴眳^(qū)域短報文通信服務(wù)，服務(wù)容量提高1 000萬次/h以上，單次通信能力[6]1 000漢字（14 000 bit），短報文通信傳輸時延[7]約3.8 s。本設(shè)計中報文長度不會超過200個漢字，數(shù)據(jù)采集間隔在分鐘級，因此，“北斗三號”區(qū)域短報文服務(wù)完全可以滿足重點服務(wù)區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸對通信容量和實時性的要求。由于戶外供電不便，設(shè)計上采用太陽能蓄電池供電方式，保證在陰雨天氣下，系統(tǒng)連續(xù)工作3天以上。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 硬件組成

系統(tǒng)硬件主要由北斗模塊及天線、氣象傳感器、單片機模塊和太陽能電源四部分組成。氣象結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 氣象站結(jié)構(gòu)

綜合衛(wèi)星報文處理速度和接口資源的考慮，本設(shè)計采用基于Cortex-M4內(nèi)核的微控制器STM32F429IGT6作為主控芯片，進行通信協(xié)議解析與封裝、數(shù)據(jù)傳輸與控制，利用USART串口和RS 485接口實現(xiàn)主控單元與各個模塊的數(shù)據(jù)傳輸，底板電源使用MP2482DN電源管理芯片，支持6～12 V直流電壓輸入，低壓差線性穩(wěn)壓器1086-3.3控制電路輸入電壓為3.3 V，3.3 V過流保護防止底板電流過大。為了防止使用過程中靜電以及瞬時大電流對芯片的影響，在重要芯片、接口、復(fù)位電路等部位采用TVS管和ESD管保護。

北斗板卡用于與遠端的各種水文氣象自動觀測設(shè)備進行短報文通信。本設(shè)計采用海聊科技的T2北斗短報文板卡，此板卡兼容北斗用戶終端通用數(shù)據(jù)接口2.1和4.0協(xié)議，集RNSS，RDSS為一體，具有全天候的定位導(dǎo)航和雙向報文通信功能，工作溫度-40～85 ℃，平均故障間隔≥5 000 h，成功率≥99%，模塊待機功率約為0.65 W，發(fā)射瞬態(tài)功率約為15 W，支持7～18 V直流供電，使用三級民用北斗卡，通信頻次60 s。

氣象站要求傳感器可靠性好、使用壽命長、精度高、傳輸信號穩(wěn)定。本設(shè)計采用PR-300BYH-M型系列氣象傳感器。數(shù)據(jù)傳輸采用標(biāo)準ModBus-RTU通信協(xié)議、RS 485標(biāo)準，通信距離最大可達2 000 m，可以實現(xiàn)溫濕度、大氣壓力、光照度的測量。主要技術(shù)指標(biāo)如圖2所示。

圖2 氣象站主要技術(shù)指標(biāo)

考慮到無人氣象站在戶外工作，因此使用太陽能電池板作為氣象站的電源。陽光充足的條件下保持設(shè)備運行并給蓄電池充電，蓄電池充電時間8～16 h。在無光狀態(tài)下使用蓄電池內(nèi)的電能，蓄電池最大輸出可達到12 V/5 A，功率60 W，可以滿足使用要求，電池容量20 A·h。RD0538T1模塊發(fā)射瞬間功率小于15 W，待機功率小于0.65 W，發(fā)射瞬間持續(xù)時間小于0.3 s。若每分鐘發(fā)射一條報文，則模塊平均功率為（15/60）×0.3+0.65=0.725 W，氣象站百葉窗的功率為0.8 W，主控單元功率小于1 W，則在無光狀態(tài)下，氣象站可以連續(xù)運行（12×20）/（0.725+0.8+1）=95 h，實現(xiàn)了無人氣象站不斷電運行。整個供電系統(tǒng)通過太陽能控制電路來控制蓄電池的充放電，主要功能是在夜間電池板電壓輸出為0時，防止電池中的電能回流到電池板中，此外它在防止過度充電方面同樣發(fā)揮著關(guān)鍵作用。使用FP5139芯片和Π型濾波電路，控制北斗端電壓為恒定值，防止電壓變化過大而損壞RD芯片。

2.2 系統(tǒng)硬件連接關(guān)系

傳感器的RS 485A/B與單片機的RS 485A/B分別對應(yīng)連接，主控底板中RS 485接口部分采用SP3485E芯片，兩線制RS 485是一種半雙工方式，所以需要切換收發(fā)狀態(tài)，用PB8引腳的高低電平來控制接收和發(fā)送。當(dāng)PB8輸出低電平的時候，控制主控單元RS 485接口為接收狀態(tài)，當(dāng)PB8為高電平的時候，控制主控單元RS 485接口為發(fā)送狀態(tài)。單片機內(nèi)部連接RS 485的引腳分別是PD5，PD6，PD5是發(fā)送引腳，PD6是接收引腳。單片機RS 485接口硬件原理圖如圖3所示。系統(tǒng)硬件連接如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)硬件連接

圖3 單片機RS 485接口硬件原理

3 軟件設(shè)計

3.1 功能分析

（1）主控單元作為主機與氣象站傳感器進行通信，使用ModBus-RTU協(xié)議可以獲取溫濕度、大氣壓力、光照度等信息。

（2）RDSS數(shù)據(jù)幀的接收解析與封裝發(fā)送。用戶向氣象站北斗端發(fā)送查詢命令，無人氣象站北斗天線接收到的信號經(jīng)過模塊內(nèi)部的處理，轉(zhuǎn)換成串口數(shù)據(jù)并輸出到主控單元。原始串口數(shù)據(jù)經(jīng)過幀協(xié)議解析后，得到用戶數(shù)據(jù)。識別提取其中的特定命令后，主控單元做出響應(yīng)通過RS 485總線查詢對應(yīng)寄存器的數(shù)據(jù)。再封裝成協(xié)議幀輸出到串口，氣象站北斗端將得到的串口數(shù)據(jù)經(jīng)過內(nèi)部信號處理后，通過天線發(fā)射出去，完成整個工作過程。

3.2 系統(tǒng)軟件模塊設(shè)計

3.2.1 總體設(shè)計方案

總體設(shè)計程序分為初始化部分、控制傳感器部分、控制北斗部分，如圖5所示。初始化部分主要進行北斗、RS 485通信使用的USART外設(shè)、引腳的初始化、系統(tǒng)時鐘的使能以及北斗模塊的自檢。這一部分的軟件編寫圍繞各種寄存器的操作以及北斗短報文協(xié)議來展開。

圖5 程序整體設(shè)計流程

初始化成功之后輸入目標(biāo)的北斗號碼，為了提高程序的效率，在主函數(shù)中設(shè)置兩層嵌套循環(huán)，第一層循環(huán)是判斷北斗信號強度，直到滿足通信條件為止，第二層循環(huán)是主要的接收和發(fā)送代碼、數(shù)據(jù)處理代碼等。進入到第二層后，不會返回第一層。一二層之間入口是判斷北斗接收置位情況。

對北斗報文進行解析與遍歷，判斷是否存在特定的字符。程序分支執(zhí)行北斗定位申請和ModBus問詢幀發(fā)送函數(shù)，處理從機發(fā)送過來的應(yīng)答幀后，提取寄存器中氣象數(shù)據(jù)以及DWR語句中的經(jīng)緯度、時間等信息，經(jīng)過字符串的拼接整合與轉(zhuǎn)換格式，通過北斗發(fā)送函數(shù)，最后回到判斷北斗接收置位處。

3.2.2 單片機控制傳感器部分

STM32控制氣象站百葉窗，初始化RS 485通信使用的USART外設(shè)及相關(guān)引腳。編寫控制SP3485E芯片進行收發(fā)數(shù)據(jù)的函數(shù)，根據(jù)ModBus通信協(xié)議編寫收發(fā)的數(shù)據(jù)幀。

ModBus協(xié)議是基于RS 485物理層來實現(xiàn)的，在RS 485通信中信號頻率越高，越容易產(chǎn)生反射波干擾。通常傳輸速率在1 200～19 200 b/s之間選取。通信距離1 km以內(nèi)，從通信效率、節(jié)點數(shù)、通信距離[8]等綜合考慮可選用4 800 b/s；通信距離 1 km 以上時，應(yīng)考慮通過增加中繼模塊或降低速率的方法提高數(shù)據(jù)傳輸可靠性。綜合可靠性和有效性，本文采用9 600 b/s作為RS 485接口的速率。STM32作為主機實現(xiàn)ModBus協(xié)議的核心在于對數(shù)據(jù)幀結(jié)束的判斷。ModBus協(xié)議沒有停止位，規(guī)定當(dāng)數(shù)據(jù)之間間隔大于3.5個字節(jié)的時間時，代表一個數(shù)據(jù)幀發(fā)送或者接收的完成。那么延遲時間大于（1/9 600）×8×3.5≈2.92 ms 時，即代表一個數(shù)據(jù)幀的結(jié)束，考慮到硬件的延遲，定義時間大于4 ms時數(shù)據(jù)幀結(jié)束。因此，初始化定時器的時間為4 ms，開始處于關(guān)閉狀態(tài)。串口接收中斷函數(shù)中設(shè)置定時器使能和清0代碼，定時器溢出中斷函數(shù)中設(shè)置定時器使能和接收完成置位代碼。

在進行串口初始化后，使RS 485常態(tài)處于接收態(tài)，中斷函數(shù)接收到第一個字節(jié)后，開啟計時器，在不發(fā)生溢出的情況下，每接收一個字節(jié)都將定時器清0。當(dāng)定時器發(fā)生溢出中斷時，表明時間間隔大于4 ms，即一幀接收完成，ModBus接收標(biāo)志位置位，關(guān)閉定時器用于下一次幀停止的判斷。幀停止邏輯流程如圖6所示。

圖6 幀停止邏輯流程

為了防止變量混亂，設(shè)計程序時將ModBus相關(guān)的變量、數(shù)組、緩存區(qū)都放到一個結(jié)構(gòu)體之中，方便程序設(shè)計。

STM32作為主機需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，將主機端RS 485接口置于發(fā)送態(tài)，將發(fā)送緩存區(qū)中的帶有地址碼和功能碼的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送，通過RS 485收發(fā)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成特定的電平信號在總線上傳輸。ST內(nèi)置的庫函數(shù)中USART_FLAG_TXE，USART_FLAG_TC這兩個標(biāo)志位有一定的區(qū)別，USART_FLAG_TXE表示數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)已經(jīng)被發(fā)送移位寄存器取走了，但發(fā)送移位寄存器中可能還沒有啟動發(fā)送過程，發(fā)送移位寄存器中的數(shù)據(jù)往外面發(fā)送的時間相對于CPU指令執(zhí)行時間來說是比較耗時的。USART_FLAG_TC代表一個數(shù)據(jù)幀發(fā)送完成事件，由于RS 485標(biāo)準對于發(fā)送的時間要求比較高，因此選擇USART_FLAG_TC作為發(fā)送完成的標(biāo)志位。否則在實驗時會出現(xiàn)不能正常發(fā)送的情況。問詢幀結(jié)構(gòu)見表1所列。

表1 問詢幀結(jié)構(gòu) B

3.2.3 單片機控制北斗部分

使用混合傳輸模式，漢字先轉(zhuǎn)化為GB2312碼，然后每個字節(jié)的高低4位分別轉(zhuǎn)化為一個字節(jié)，變成可打印字符。

根據(jù)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)用戶終端通用數(shù)據(jù)接口2.1協(xié)議來設(shè)計建立結(jié)構(gòu)體，用來存放發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)、標(biāo)志位等。由于報文長度很長，若單獨每一種報文都建立相應(yīng)的結(jié)構(gòu)體就會占用很多的內(nèi)核內(nèi)存，造成不必要的浪費，所以可以采用結(jié)構(gòu)體嵌套聯(lián)合體的方式以節(jié)省內(nèi)存資源。

幀協(xié)議解析的核心在于對接收到的串口數(shù)據(jù)內(nèi)容進行分割與提取，由于北斗報文之中，每一部分之間通過‘，’或者‘*’分隔開，有一定的規(guī)律性，想要獲取某一部分的數(shù)據(jù)，可以設(shè)計一個指針ptr指向北斗報文，另一個變量tmpLen用于計算區(qū)間字符串長度，當(dāng)遇到‘，’時，字符指針ptr移到區(qū)間字符串的開始，并將從ptr開始的長度為tmpLen的字符串復(fù)制到輸出字符串中，最后將tmpLen清0，準備下一次尋找。

對于經(jīng)緯度DWR報文的解析，由于每個子報文都有作用，故設(shè)計采用字符串分割函數(shù)char *strtok（char s[]，const char *delim）；以‘，*’作為分割條件，在第一次調(diào)用時，strtok（）必須給予參數(shù)s字符串，之后的調(diào)用則將參數(shù)s設(shè)置成NULL。每次調(diào)用成功則返回指向被分割出片段的指針。最后將得到的子串通過switch-case語句分別存儲在相應(yīng)的結(jié)構(gòu)體中，得到經(jīng)緯度和時間信息。

4 測試過程

首先是驗證單片機發(fā)送的北斗報文格式是否正確以及驗證氣象站工作是否正常，采用232轉(zhuǎn)USB線連接到上位機串口7上，模擬單片機接收到北斗報文過程和數(shù)據(jù)回傳的過程。測試情況如圖7所示。串口7（模擬用戶北斗端）發(fā)送北斗報文數(shù)據(jù)‘$BDTXR，0247716，1，2，A4424331323350*34 ’。其中含有特定字符‘P’，用于獲取大氣壓力值。

從圖7中可以看到，單片機與氣象站之間通信正常，得到大氣壓力的值是97.7 Pa。串口7（北斗）收到報文數(shù)據(jù)段B4F3C6F8D1B9C1A6CAC73A39372E37205061，經(jīng)過gb2312解碼之后得到字符串：大氣壓力是97.7 Pa，與串口4顯示的傳感器的數(shù)值相同。

圖7 串口調(diào)試助手模擬情況

第二階段，連接好設(shè)備之后，將北斗天線朝南無遮擋放置，進行調(diào)試，輸入氣象數(shù)據(jù)接收端的北斗卡號，進行北斗強度測試，若強度大于等于3，可以實現(xiàn)通信。利用北斗海聊公司的北斗短報文入網(wǎng)服務(wù)，實現(xiàn)只有1臺北斗設(shè)備情況下報文的發(fā)送和接收（經(jīng)過上百條實際測試該平臺夏季對于長春地區(qū)在16:00以后發(fā)送成功率較高）。接收北斗報文測試情況如圖8所示。

圖8 接收北斗報文測試情況

當(dāng)接收到特定的字符如H后，主控單元響應(yīng)命令獲取當(dāng)前濕度值，通過串口向北斗模塊發(fā)送通信申請報文：$CCTXA，0247716，1，2，A4CAAAB6C8CAC73AB0D9B 7D6D6AE33382E32*00 ，根據(jù)收到的響應(yīng)數(shù)據(jù)‘$BDFKI’來判斷發(fā)送是否成功。

5 結(jié) 語

本文根據(jù)現(xiàn)有的水文氣象觀測數(shù)據(jù)傳輸?shù)默F(xiàn)實需求和北斗發(fā)展現(xiàn)狀論述了基于北斗的無人值守氣象站的設(shè)計，通過串口調(diào)試和仿真測試，實現(xiàn)了氣象數(shù)據(jù)的發(fā)送和北斗報文的接收。設(shè)計的無人氣象站能夠穩(wěn)定、安全可靠地傳輸信息，具有不受距離、地域限制，通信費用低，節(jié)省人力的優(yōu)點，特別適合在偏遠等普通信號無法覆蓋的地區(qū)的氣象觀測，與目前建成的基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的自動氣象站互為補充，對于掌握我國全域氣象數(shù)據(jù)具有重要意義。