盡管我國自動氣象站數(shù)目已達到3萬多個，但在很多無人區(qū)仍很少有氣象站。隨著氣象業(yè)務(wù)需求的提高，氣象站的密度也要不斷提高，特別是對于偏遠地區(qū)和惡劣環(huán)境下，氣象站的長時間工作就是一個亟需解決的問題^[1]。

        自動氣象站的核心是數(shù)據(jù)采集器，數(shù)據(jù)采集器包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)運算、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制以及數(shù)據(jù)傳輸。國內(nèi)在低功耗方面的研究工作主要集中在數(shù)據(jù)傳輸和低功耗芯片的選擇上^[2]。本文從業(yè)務(wù)需要角度出發(fā)，設(shè)計出一款低功耗的自動氣象站數(shù)據(jù)采集器。該采集器中將數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)采集任務(wù)分離，由兩個CPU分別完成數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理任務(wù)。利用MSP430F5438作為氣象要素采集芯片(分采集器)，AT91RM9200作為數(shù)據(jù)處理芯片(主采集器)。在進行基本氣象要素采集時，主采集器進入低功耗睡眠模式，根據(jù)氣象要素采集規(guī)范，在每分鐘內(nèi)，分采集器將采集到的數(shù)據(jù)保存在存儲器中，此時，主采集器退出低功耗睡眠模式，讀取分采集存儲器中的氣象數(shù)據(jù)。在系統(tǒng)的每分鐘內(nèi)，絕大部分時間主采集器處于深度休眠狀態(tài)，從而達到降低裝置平均功耗的目的。

        該款低功耗自動氣象站的數(shù)據(jù)采集器可應(yīng)用于偏遠地區(qū)自動氣象站，具有較好的市場前景。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

        自動氣象站數(shù)據(jù)采集器主要由AT91RM9200主采集器模塊、基本氣象要素的數(shù)據(jù)采集模塊以及軟件部分組成，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理、存儲和傳輸?shù)墓δ?sup>[3]。數(shù)據(jù)的采集主要通過MSP430F5438（分采集器）來完成，分采集器主要按照國家氣象局標準的采樣頻率對各個氣象要素進行采集和存儲，在每分鐘采集完之后，分采集器將1 min內(nèi)采集的數(shù)據(jù)通過SPI接口發(fā)送給以AT91RM9200為核心的主采集器，主采集器模塊按氣象數(shù)據(jù)處理規(guī)范對接收的數(shù)據(jù)進行處理后存儲在Flash中，以便數(shù)據(jù)的實時傳輸和顯示。軟件部分以Linux嵌入式操作系統(tǒng)為軟件平臺，與終端微機或遠程數(shù)據(jù)中心進行交互以協(xié)同完成自動氣象站數(shù)據(jù)采集的功能。采集器的系統(tǒng)組成如圖1所示。

2 硬件設(shè)計

2.1 主采集器

        主采集器是整個自動氣象站的心臟，由嵌入式硬件和軟件組成。

        主采集器采用Atmel公司的AT91RM9200作為系統(tǒng)的CPU，AT91RM9200內(nèi)含MMU虛擬內(nèi)存管理單元、16 KB SRAM和128 KB ROM、1個主/從SPI(串行設(shè)備接口)等^[4-5]。AT91RM9200負責(zé)整個系統(tǒng)內(nèi)部各模塊之間的協(xié)調(diào)工作，整個主采集器結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

        在整個自動氣象站數(shù)據(jù)采集器系統(tǒng)中，主采集器主要完成兩大功能：(1)讀取基本氣象要素分采集器采集的數(shù)據(jù)，對分采集器讀取的數(shù)據(jù)進行控制運算、數(shù)據(jù)計算處理、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制、數(shù)據(jù)記錄存儲，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信和傳輸，并與終端微機或遠程數(shù)據(jù)中心進行交互；(2)擔(dān)當管理者角色，對構(gòu)成自動氣象站的所有分采集器進行管理，包括網(wǎng)絡(luò)管理、運行管理、配置管理、時鐘管理等以協(xié)同完成自動氣象站的功能^[3]。

2.2 分采集器設(shè)計

        分采集器系統(tǒng)包括MSP430F5438芯片、組成該最小系統(tǒng)的外圍電路、基本氣象要素傳感器以及信號調(diào)理電路?；練庀笠財?shù)據(jù)分采集器采用SPI總線通信方式與主采集器進行數(shù)據(jù)連接。

2.2.1 MSP430芯片選型

        TI公司54系列最新的型號MSP430F5438有很好的低功耗處理能力。它是一款16位RSIC結(jié)構(gòu)的MCU，其最高主頻為25 MHz，內(nèi)含256 KB的Flash、16 KB的RAM、87個I/O、4個串口通信接口、12 bit A/D轉(zhuǎn)換器、SPI通信接口等資源。相比傳統(tǒng)的STC、AVR、PIC、MSP430單片機，它的資源更加豐富，在超低功耗工作模式下，其使用時間能達到幾年以上^[6-7]。正是由于上述資源的優(yōu)越性，本自動氣象站分采集器中的MCU主要采用MSP430F5438單片機。

2.2.2 基本氣象要素采集模塊

        自動氣象站的基本氣象數(shù)據(jù)采集包括溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、雨量和氣壓。溫濕度測量采用Visala公司的HMP155D傳感器，其輸出的模擬量經(jīng)過四線制差分放大電路之后由模/數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為單片機可處理數(shù)字信號。風(fēng)速和雨量傳感器分別是EL15-1C型和FDY-02翻斗型，對應(yīng)輸出的是脈沖信號，風(fēng)速的頻率與風(fēng)速成正比，通過單位時間內(nèi)計數(shù)器的值即可完成風(fēng)速測量；翻斗雨量傳感器翻轉(zhuǎn)頻率與雨量成正比，通過單位時間內(nèi)(雨量計翻轉(zhuǎn)的次數(shù))計數(shù)器的值來完成雨量的測量。EL15-2C杯式風(fēng)向傳感器輸出為7 bit格雷碼，通過程序計算得到相應(yīng)的風(fēng)向。DYC1數(shù)字式氣壓傳感器的輸出是通過RS232傳輸，因此在氣壓傳感器與單片機之間需要有RS232接口電路。采用SPI來實現(xiàn)與AT91RM9200之間的通信?；練庀笠財?shù)據(jù)采集的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

2.2.3 SPI接口電路

        本系統(tǒng)為主采集器與分采集器之間的通信預(yù)留了很多接口，在基本氣象要素的分采集器中采用了兩個SPI接口與主采集器之間進行數(shù)據(jù)通信，其中一個外接A/D轉(zhuǎn)換器，另一個直接與數(shù)字量傳感器相連。

        SPI（串行外設(shè)接口）共由3～4條信號線組成，包括串行時鐘（SCLK）、串行數(shù)據(jù)輸出（SDO）、串行數(shù)據(jù)輸入（SDI）。SPI通信的信號格式無需起始和停止信號同步。分采集器直接將要傳送的數(shù)據(jù)寫入到主機的數(shù)據(jù)寄存器中。在寫入主機的過程中自動啟動主機發(fā)送，在同步信號SCLK的作用下把串行數(shù)據(jù)輸出中的內(nèi)容一位一位地移到引腳數(shù)據(jù)接收端（SDI）。可以看出，用戶編程只需在發(fā)送數(shù)據(jù)時寫數(shù)據(jù)到SPI發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器；在接收數(shù)據(jù)時讀SPI接收數(shù)據(jù)寄存器。其余工作都由SPI內(nèi)部自帶的模塊完成^[8]。本系統(tǒng)中MSP430F5438采用四線制的兩路SPI與AT91RM9200的SPI接口進行分時復(fù)用通信，其相應(yīng)的接口電路設(shè)計圖如圖4所示。

2.3 自動氣象站的功耗分析

        當前，制約著自動氣象站廣泛發(fā)展的不是速度和工藝，而是設(shè)備的功耗。在設(shè)計自動氣象站數(shù)據(jù)采集器時，應(yīng)盡量降低自動氣象站的整體功耗。

        自動氣象站數(shù)據(jù)采集器的功耗主要包括主采集器功耗、分采集器功耗以及智能傳感器的功耗。而在這些功耗中，主分采集器的功耗起著主導(dǎo)作用。分析主分采集器的功耗問題，對降低系統(tǒng)的整體功耗非常重要。主分采集器的功耗又包括系統(tǒng)的軟硬件功耗。雖然功耗最終是由硬件系統(tǒng)產(chǎn)生的，但是影響功耗的因素并不只是硬件。硬件依賴于運行于其上的軟件來實現(xiàn)其處理信息的功能，軟件本身不會產(chǎn)生功耗，但是軟件的數(shù)據(jù)存取和指令執(zhí)行都會使硬件產(chǎn)生功耗。因此要降低功耗，必須從嵌入式硬件和軟件兩方面著手考慮如何進行功耗優(yōu)化。

        從硬件來考慮，硬件的功耗主要分為動態(tài)功耗和靜態(tài)功耗。動態(tài)功耗是由硬件的負載電容充放電造成的，靜態(tài)功耗則是由漏電流造成的[9]?？梢杂檬剑?）表示：

其中：C為系統(tǒng)負載所代表的電容，N為電路每拍的信號翻轉(zhuǎn)次數(shù)，V為系統(tǒng)的輸入電壓，f為時鐘頻率，I_leak為漏電流。由式（1）可知，通過降低電壓和頻率可以降低系統(tǒng)的功耗。

3 實驗與結(jié)果

        自動氣象站把數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理分開，使用超低功耗的MSP430F5438進行采集，ARM9每隔1 min會進行一次系統(tǒng)喚醒。在休眠期間，分采集器采集的數(shù)據(jù)將被存儲于主采集器的存儲器中，之后主采集器進行數(shù)據(jù)處理。系統(tǒng)每分鐘內(nèi)只有6 s處于工作狀態(tài)，其余時間均在休眠狀態(tài)。實際系統(tǒng)的功耗單位是以電流為標準，通過量取系統(tǒng)總的平均電流來比較自動氣象站的功耗大小。設(shè)計完成后，系統(tǒng)通過多次測量靜態(tài)功耗（傳感器未工作）和動態(tài)功耗（傳感器正常工作）并取平均值，然后把所得結(jié)果與市場上主流的ZQZ_CⅡ型、CAWS600型和DYYZ-Ⅱ自動氣象站作比較，最終可以得到系統(tǒng)的測試結(jié)果，如表1所示。

        本文主要研究了自動氣象站的數(shù)據(jù)采集和功耗問題，設(shè)計了新一代自動氣象站數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。經(jīng)過初步測試，將系統(tǒng)的基本6項氣象要素傳感器全部打開工作，系統(tǒng)功耗較傳統(tǒng)的自動氣象站得到了極大的改善，使得自動氣象站不再受市電供電的束縛，即使在偏遠地區(qū)也能保證15天以上連續(xù)運行，具有良好的市場應(yīng)用前景。另外，本數(shù)據(jù)采集器的靜態(tài)功耗偏高，對于睡眠模式的軟件編程還需進一步優(yōu)化，使之能夠更好地滿足系統(tǒng)長時間工作的要求。

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