丁振华 陈富浩 马尚昌

(1.浙江省气象局机关服务中心,浙江 杭州 310000;2.成都信息工程大学,四川 成都 610225;3.中国气象局大气探测重点开放实验室,四川 成都 610225)

0 引 言

地面气象要素传感器类型多种多样,不同类型的气象要素传感器具有多种不同的输出信号类型,不同的输出信号类型又需要采集器设有多种端口与之对应,这会出现设计出来的采集器结构复杂、体积偏大等问题。有线的设计方式使得数据发送方式单一,不具备多种选择性,不能满足将来自动气象站采集终端的功能和技术需求[1]。我国地域辽阔,地势条件错综复杂,很多偏远地区和环境恶劣的山区气象数据采集存在诸多不便。本文设计的多模式无线气象数据采集终端可以很好地解决上述问题,并能根据气象站的地理环境来选用合适的数据采集传输模式。比如,在数据可近距离通信的地区,选择以节点形式通过6LoWPAN(IPv6)模式进行数据的无线采集[2];在远距离无线通信网络可覆盖的地区,选择以终端形式通过4G网络模式进行数据的无线采集;在我国偏远山区无线通信网络无法覆盖的地区或通信网络易受自然灾害损坏的地区,选择利用北斗一代卫星独特的双向短报文技术进行数据的无线采集[3]。物联网技术与气象数据采集相结合是未来智慧气象的一种新形态和发展趋势[1],这将有利于解决气象数据传输中存在的问题。

1 数据采集终端总体设计方案

本文基于ARM体系结构Cortex-M3内核的嵌入式平台进行设计,嵌入式微控制器采用TI公司的CC2538处理器。基于多传感器信号设计出灵活多用的调理电路,采用高精度的ADC芯片实现数据的高精度采集;外扩Flash存储芯片实现观测数据长时间存储,并支持6LoWPAN、4G以及北斗等多种数据通信方式[4]。软件开发基于Contiki操作系统采用交互进程设计模式，使接入的气象要素传感器数据能被实时采集、处理、存储、发送。设计的多模式无线气象数据采集终端与边界路由节点都是基于CC2538微控制器系统平台与Contiki软件系统平台来实现的,软件系统平台支持的6LoWPAN能实现与IPv6直接通信,能很好地满足多个传感器节点的数据访问与控制需求,这为气象观测布置多个气象数据采集节点打下基础。多模式无线气象数据采集系统总体结构框图如图1所示。

图1 多模式无线气象数据采集系统总体结构框图

2 数据采集终端硬件系统

多模式无线气象数据采集终端硬件系统在终端硬件设计中，采集终端采用核心板加底板的设计模式,将微控制器与采集电路设计成小型化核心板，将部分硬件电路设计到底板，以便将来扩充底板电路时不需要重新设计核心电路板,可直接根据设计好的核心板进行底板的扩充设计,大大节约了设计成本。该次硬件终端采用ARM Cortex-M3内核的CC2538SF53作为MCU,该芯片集成了工作频率为2.4 GHz的RF射频收发器。在省电模式下,供电电流仅需0.4 μA,并且拥有高达32 MHz的时钟频率,完全能满足气象数据采集终端低功耗、小体积、低成本与高性能的硬件设计需求[5]。多模式无线气象数据采集系统硬件总体框图如图2所示。

图2 多模式无线气象数据采集系统硬件总体框图

3 系统软件设计

系统软件设计分两个部分:多模式无线气象数据采集终端的软件设计和边界路由节点的软件设计。两个部分的软件设计都是采用虚拟机+Instant Ubuntu作为开发平台,基于Contiki操作系统进行开发设计,其中Contiki软件设计以应用层软件为主,包含了部分驱动程序的设计。多模式无线气象数据采集终端的软件设计，能通过PC端上位机发送指令来实现对观测场常规气象要素传感器信号的数据采集、处理、存储及发送[6]。边界路由节点的软件设计实现了与采集终端在接入互联网时,无需复杂的应用层网关就能自由组网成功,以实现采集数据及指令的无线发送与接收。

3.1 多模式无线气象数据采集终端的软件设计

多模式无线气象数据采集终端主要功能是通过对地面常规气象要素传感器信号的数据采集,最终实现常规气象要素传感器信号(电压、电阻、频率、数字等)的数据采集、处理、存储及配合PC端上位机指令配置，实现数据的无线收发。多模式无线气象数据采集终端软件设计采用的是交互进程的设计模式,包括主进程与时间进程。终端软件主进程流程图如图3所示,系统首先进行一系列初始化,然后进行UDP网络注册,接着绑定用户端口和连接服务器。首次执行需设置初始时间,此时程序会跳转至时间进程,设置系统时间与实时时间一致,设置成功后退出该进程,然后终端节点等待与边界路由节点组网,若成功组网,通过串口助手可以打印出“Got a RPL Route”字符串。此时系统也会对连接4G模块与北斗模块的串口进行初始化,可根据实际采集环境需要，选择是否连接4G模块或者北斗模块，进行数据的远距离传输。最后通过PC端向采集终端发送配置指令，获取对应的气象要素数据,若终端获取指令成功，则响应对应的指令事件。

图3 终端软件主进程流程图

本文设计的多模式无线气象数据采集终端在运行过程中每次只能对一种气象要素传感器数据进行采集、存储及发送。气象要素传感器通道的选择,通过PC端上位机发送指令到采集终端,采集终端接收到的指令与系统软件中设定好的标志位进行匹配,会自动选择用户所要采集的气象要素传感器通道。系统数据采集处理软件流程图如图4所示,系统软件可以选择的传感器通道有温度传感器、湿度传感器、风向传感器、风速传感器、雨量传感器及气压传感器通道。

图4 系统数据采集处理软件流程图

3.2 边界路由节点的软件设计

边界路由节点是连接气象数据采集终端和互联网的中间桥梁,主要实现两者之间数据和指令的传送与接收,以及终端的自由组网,它是实现采集终端6LoWPAN无线通信的最重要部分。首先将该节点设置为边界路由节点,自启动DHCP(动态主机配置协议)进程,通过DHCP获取互联网端的IPv4地址[7]。采集终端是分配的IPv6地址,需调用Ip64函数模块与Ip64_WebServer函数模块进行网络协议互通转换[8]。函数初始化成功后等待事件的到来,该事件包括指令收发和数据收发,事件到来后将调用UDP_Socket_Sendto函数发送至预先设置好的目的IP终端[4]。边界路由节点软件流程图如图5所示。

图5 边界路由节点软件流程图

4 结 论

本文结合我国未来地面气象观测业务系统需求,基于CC2538芯片与Contiki操作系统,设计了多模式无线气象数据采集系统。通过采用核心板加底板的硬件设计模式,实现对温度、湿度、风向、风速、雨量、气压等多种气象要素数据的自动采集、处理、存储及多种方式的无线通信。软件系统平台支持的6LoWPAN能实现与IPv6直接通信,能很好地满足多个传感器节点的数据访问与控制需求,这为气象观测布设多个气象数据采集节点打下了较好的基础。