基于Cortex―M3的自動(dòng)氣象站設(shè)計(jì)

摘要：設(shè)計(jì)了一種氣象數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)能采集溫度、濕度、氣壓、風(fēng)速4個(gè)氣象要素，采集的原始數(shù)據(jù)保存在本地SD卡中，同時(shí)對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，處理后的數(shù)據(jù)打包成氣象數(shù)據(jù)包，使用GPRS模塊將數(shù)據(jù)包通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)上傳到上位機(jī)。采集系統(tǒng)主控制器使用基于Conex—M3內(nèi)核的STM32處理器，在處理器上移植μc／os—II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)作為軟件平臺(tái)，保證了數(shù)據(jù)采集中較好的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性。在數(shù)據(jù)處理方面，參考地面觀測(cè)規(guī)范對(duì)溫度、濕度、氣壓采用篩除大小值取算術(shù)平均的算法，對(duì)風(fēng)速測(cè)量數(shù)據(jù)采用滑動(dòng)平均算法。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)正常運(yùn)行，測(cè)量精度達(dá)到設(shè)計(jì)要求，具有成本低廉，精度高，具有較好的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性。
關(guān)鍵詞：Correx-M3；STM32；氣象數(shù)據(jù)采集；μc／os—II

0 引言
隨著我國(guó)氣象事業(yè)的快速發(fā)展，人們對(duì)氣象信息采集的要求也越來(lái)越高，傳統(tǒng)的人工操作和讀數(shù)不僅勞動(dòng)效率低下，而且容易出現(xiàn)人為錯(cuò)誤，已無(wú)法滿足現(xiàn)代氣象觀測(cè)的要求，近些年，電子技術(shù)的快速發(fā)展為氣象數(shù)據(jù)采集技術(shù)的更新和設(shè)備換代提供了條件，Cortex—M3基于ARM公司最新的v7平臺(tái)，它的數(shù)據(jù)處理能力是ARM7的兩倍，而功耗只有ARM7的1／3，低廉的價(jià)格使其具有很高的性價(jià)比，在Cortex-M3上移植μc／os—II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)保證了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性，其具有的諸多優(yōu)點(diǎn)非常適合存自動(dòng)氣象數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域使用。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)
整個(gè)氣象數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件主要由氣象數(shù)據(jù)采集傳感器模塊、主控制模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、數(shù)據(jù)發(fā)送模塊以及上位機(jī)接收模塊組成。傳感器采集模塊在主控制器的驅(qū)動(dòng)下完成溫度、濕度、氣壓、風(fēng)速數(shù)據(jù)的采集，主控制模塊由使用Cortex—M3內(nèi)核的STM32處理器的最小系統(tǒng)組成，完成對(duì)數(shù)據(jù)采集傳感器模塊的控制以及對(duì)采集數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)處理工作，數(shù)據(jù)處理按照《地面氣象規(guī)范2003》的基本要求執(zhí)行，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊使用SD卡來(lái)完成測(cè)量數(shù)據(jù)的本地備份，處理完的數(shù)據(jù)打包成氣象數(shù)據(jù)包使用GPRS模塊通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至上位機(jī)，上位機(jī)模塊由GPRS模塊和PC組成，上位機(jī)通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)接收測(cè)量數(shù)據(jù)并進(jìn)一步處理，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 氣象數(shù)據(jù)采集模塊
系統(tǒng)氣壓采集模塊使用BMP085數(shù)字氣壓傳感器，其和STM32通信使用標(biāo)準(zhǔn)的IIC協(xié)議，其內(nèi)置的EEPROM中存儲(chǔ)了補(bǔ)償計(jì)算需要的11個(gè)參數(shù)，它們是11個(gè)連續(xù)存儲(chǔ)的16位數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)地址為0XAA～0XBF，當(dāng)STM32在讀取了測(cè)量數(shù)據(jù)后需要通過(guò)補(bǔ)償計(jì)算得到單位為hpa的測(cè)量數(shù)據(jù)。溫濕度采集模塊使用AM2301數(shù)字溫濕度復(fù)合傳感器，其與STM32通信使用單總線通信協(xié)議，該模塊內(nèi)置了一個(gè)8位的MCU，能自動(dòng)完成數(shù)據(jù)的測(cè)量工作，當(dāng)STM32得到了總線的控制權(quán)后，輸出低電平大于800μs后，AM2301模塊就得到了總線控制權(quán)并輸出80μs的低電平作為響應(yīng)信號(hào)并馬上連續(xù)輸出40bit的測(cè)量數(shù)據(jù)，測(cè)量數(shù)據(jù)格式為：40bit=濕度高8位+濕度低8位+溫度高8位+溫度低8位+校驗(yàn)位，其中校驗(yàn)位=濕度高位+濕度低位+溫度高位+溫度低位。風(fēng)速采集模塊使用FY-FS風(fēng)杯式風(fēng)速傳感器，風(fēng)吹動(dòng)風(fēng)杯轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)把風(fēng)速信號(hào)轉(zhuǎn)化為脈沖信號(hào)輸出，STM32使用外部中斷和定時(shí)中斷來(lái)捕獲脈沖頻率并通過(guò)計(jì)算得到實(shí)時(shí)風(fēng)速值。處理完成的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在SD卡中，SD卡是一種存儲(chǔ)容量為1 G的FLASH產(chǎn)品，與STM32通過(guò)SPI協(xié)議通訊。數(shù)據(jù)發(fā)送模塊使用SIM300，利用短信息方式(TEXT模式)通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)與上位機(jī)通信，STM32使用AT指令通過(guò)串口與SIM300通信，上位機(jī)使用SIM300模塊接收測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行下一步處理。