基于Cortex―M3的自動氣象站設計

摘要：設計了一種氣象數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)能采集溫度、濕度、氣壓、風速4個氣象要素，采集的原始數(shù)據(jù)保存在本地SD卡中，同時對采集數(shù)據(jù)進行數(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GSM網(wǎng)絡上傳到上位機。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實時操作系統(tǒng)作為軟件平臺，保證了數(shù)據(jù)采集中較好的實時性和穩(wěn)定性。在數(shù)據(jù)處理方面，參考地面觀測規(guī)范對溫度、濕度、氣壓采用篩除大小值取算術平均的算法，對風速測量數(shù)據(jù)采用滑動平均算法。經(jīng)實驗驗證，系統(tǒng)正常運行，測量精度達到設計要求，具有成本低廉，精度高，具有較好的實時性和穩(wěn)定性。
關鍵詞：Correx-M3；STM32；氣象數(shù)據(jù)采集；μc／os—II

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

1 系統(tǒng)整體設計
整個氣象數(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)存儲模塊、數(shù)據(jù)發(fā)送模塊以及上位機接收模塊組成。傳感器采集模塊在主控制器的驅(qū)動下完成溫度、濕度、氣壓、風速數(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，完成對數(shù)據(jù)采集傳感器模塊的控制以及對采集數(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)存儲模塊使用SD卡來完成測量數(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GSM網(wǎng)絡發(fā)送至上位機，上位機模塊由GPRS模塊和PC組成，上位機通過GSM網(wǎng)絡接收測量數(shù)據(jù)并進一步處理，整體結構如圖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通信使用標準的IIC協(xié)議，其內(nèi)置的EEPROM中存儲了補償計算需要的11個參數(shù)，它們是11個連續(xù)存儲的16位數(shù)據(jù)，存儲地址為0XAA～0XBF，當STM32在讀取了測量數(shù)據(jù)后需要通過補償計算得到單位為hpa的測量數(shù)據(jù)。溫濕度采集模塊使用AM2301數(shù)字溫濕度復合傳感器，其與STM32通信使用單總線通信協(xié)議，該模塊內(nèi)置了一個8位的MCU，能自動完成數(shù)據(jù)的測量工作，當STM32得到了總線的控制權后，輸出低電平大于800μs后，AM2301模塊就得到了總線控制權并輸出80μs的低電平作為響應信號并馬上連續(xù)輸出40bit的測量數(shù)據(jù)，測量數(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+校驗位，其中校驗位=濕度高位+濕度低位+溫度高位+溫度低位。風速采集模塊使用FY-FS風杯式風速傳感器，風吹動風杯轉(zhuǎn)動會把風速信號轉(zhuǎn)化為脈沖信號輸出，STM32使用外部中斷和定時中斷來捕獲脈沖頻率并通過計算得到實時風速值。處理完成的數(shù)據(jù)存儲在SD卡中，SD卡是一種存儲容量為1 G的FLASH產(chǎn)品，與STM32通過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GSM網(wǎng)絡與上位機通信，STM32使用AT指令通過串口與SIM300通信，上位機使用SIM300模塊接收測量數(shù)據(jù)進行下一步處理。