基于北斗的無人值守氣象站設(shè)計

　　摘要：傳統(tǒng)地面無線通信網(wǎng)絡(luò)在地理環(huán)境惡劣的海島、沙漠、高山等人煙稀少地區(qū)存在覆蓋盲區(qū)，且易受到地質(zhì)災(zāi)害等因素的影響。北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)在北斗衛(wèi)星覆蓋范圍內(nèi)具有全天候無盲區(qū)短報文通信功能，利用北斗衛(wèi)星短報文通信功能和RS485-ModBus協(xié)議，設(shè)計采用太陽能和蓄電池供電的無人氣象站，與北斗/GSM通信服務(wù)網(wǎng)關(guān)搭配使用，在終端用戶側(cè)實(shí)現(xiàn)了通過短信發(fā)送特定字符獲取相應(yīng)的氣象數(shù)據(jù)的功能，能夠適應(yīng)對高山、沙漠、海島等無人區(qū)域氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時觀測采集的需要。

　　關(guān)鍵詞：北斗;短報文通信;RS485標(biāo)準(zhǔn);ModBus協(xié)議;無人氣象站;數(shù)據(jù)采集

　　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(zhǔn)確、實(shí)時的氣象觀測數(shù)據(jù)。從20世紀(jì)90年代后期開始，我國大力加強(qiáng)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(jì)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(diǎn)帶來了巨大的建設(shè)和運(yùn)行成本，然而獲取完整翔實(shí)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)。

　　氣象方向論文范例：氣象不確定下的船舶避臺路徑優(yōu)化

　　近幾十年來，隨著電子信息和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，逐漸出現(xiàn)了無人值守、無需經(jīng)常維護(hù)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(hù)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(yùn)營費(fèi)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(jī)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RS485-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(shí)現(xiàn)隨時通過手機(jī)發(fā)送特定字符獲取遠(yuǎn)端水文氣象數(shù)據(jù)服務(wù)[4]，技術(shù)人員也可以遠(yuǎn)程隨時查詢氣象水文站的工作狀態(tài)，便于及時進(jìn)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(shí)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。“北斗三號”區(qū)域短報文通信服務(wù)，服務(wù)容量提高1000萬次/h以上，單次通信能力[6]1000漢字(14000bit)，短報文通信傳輸時延[7]約3.8s。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(diǎn)服務(wù)區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸對通信容量和實(shí)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(jī)模塊和太陽能電源四部分組成。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(jìn)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RS485接口實(shí)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6～12V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3.3V，3.3V過流保護(hù)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(hù)。北斗板卡用于與遠(yuǎn)端的各種水文氣象自動觀測設(shè)備進(jìn)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≥5000h，成功率≥99%，模塊待機(jī)功率約為0.65W，發(fā)射瞬態(tài)功率約為15W，支持7～18V直流供電，使用三級民用北斗卡，通信頻次60s。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(zhǔn)ModBus-RTU通信協(xié)議、RS485標(biāo)準(zhǔn)，通信距離最大可達(dá)2000m，可以實(shí)現(xiàn)溫濕度、大氣壓力、光照度的測量。

　　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(yùn)行并給蓄電池充電，蓄電池充電時間8～16h。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(dá)到12V/5A，功率60W，可以滿足使用要求，電池容量20A·h。RD0538T1模塊發(fā)射瞬間功率小于15W，待機(jī)功率小于0.65W，發(fā)射瞬間持續(xù)時間小于0.3s。

　　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=0.725W，氣象站百葉窗的功率為0.8W，主控單元功率小于1W，則在無光狀態(tài)下，氣象站可以連續(xù)運(yùn)行(12×20)/(0.725+0.8+1)=95h，實(shí)現(xiàn)了無人氣象站不斷電運(yùn)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RS485A/B與單片機(jī)的RS485A/B分別對應(yīng)連接，主控底板中RS485接口部分采用SP3485E芯片，兩線制RS485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RS485接口為接收狀態(tài)，當(dāng)PB8為高電平的時候，控制主控單元RS485接口為發(fā)送狀態(tài)。單片機(jī)內(nèi)部連接RS485的引腳分別是PD5，PD6，PD5是發(fā)送引腳，PD6是接收引腳。

　　3軟件設(shè)計

　　3.1功能分析

　　(1)主控單元作為主機(jī)與氣象站傳感器進(jìn)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RS485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。初始化部分主要進(jìn)行北斗、RS485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。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(qiáng)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(jìn)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(jìn)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(jī)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(jī)控制傳感器部分

　　STM32控制氣象站百葉窗，初始化RS485通信使用的USART外設(shè)及相關(guān)引腳。編寫控制SP3485E芯片進(jìn)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RS485物理層來實(shí)現(xiàn)的，在RS485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1200～19200b/s之間選取。

　　通信距離1km以內(nèi)，從通信效率、節(jié)點(diǎn)數(shù)、通信距離[8]等綜合考慮可選用4800b/s;通信距離1km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9600b/s作為RS485接口的速率。STM32作為主機(jī)實(shí)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(1/9600)×8×3.5≈2.92ms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4ms時數(shù)據(jù)幀結(jié)束。因此，初始化定時器的時間為4ms，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(jìn)行串口初始化后，使RS485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4ms，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。

　　4測試過程

　　首先是驗證單片機(jī)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(jī)串口7上，模擬單片機(jī)接收到北斗報文過程和數(shù)據(jù)回傳的過程。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\r\n’。其中含有特定字符‘P’，用于獲取大氣壓力值。

　　單片機(jī)與氣象站之間通信正常，得到大氣壓力的值是97.7Pa。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97.7Pa，與串口4顯示的傳感器的數(shù)值相同。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(jìn)行調(diào)試，輸入氣象數(shù)據(jù)接收端的北斗卡號，進(jìn)行北斗強(qiáng)度測試，若強(qiáng)度大于等于3，可以實(shí)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(shí)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(shí)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)。

　　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(shí)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(shí)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(fèi)用低，節(jié)省人力的優(yōu)點(diǎn)，特別適合在偏遠(yuǎn)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(bǔ)充，對于掌握我國全域氣象數(shù)據(jù)具有重要意義。

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　　作者：孫琦，傅軍

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