一种独立供电系统的野外远程小型气象站设计*

蔡植善，洪斯星 ，蔡嘉灿，曾永西

(1.泉州师范学院物理与信息工程学院，福建 泉州 362000;2.泉州丰泽华誉电子器件研究所，福建 泉州 362000)

加强防灾减灾体系建设，加快建立环境和地质监测预警体系，是国家在“十二五规划”中的一项重要内容［1］。沿海和山区县的野外环境，由于受地形地貌、地质条件、气候条件等综合因素的影响，发生地质灾害具有点多、面广、危害性大、突发性强等共同特点。特别是每年的6 月～9 月间，是暴雨和台风的多发季节，频繁发生滑坡、崩塌等地质灾害，严重威胁人民的生命财产安全，造成巨大经济损失和人员伤亡。地质灾害的发生与当地的气象条件、特别是实时雨量和历史雨量有密切的关系［2－4］。因此，对气象元素的数据采集，是地质灾害监测与预警的一项重要组成部分。

在条件恶劣的山区、野外、海岛等不适宜有人值守的地区，不仅市电不易到达，而且有线传输既不方便也不经济。采用互补性很强的风能发电和太阳能发电作为独立型的供电系统就成为很好的选择。本系统是山体滑坡地质灾害监测系统的子系统。

1 系统硬件设计

小型气象站系统硬件由MCU 最小系统、5 元素气象参数传感器(雨量、风力、风向、温度和湿度)电路、时钟模块、外扩闪存(16 K)模块、故障自诊断电路、按键、GPRS 数据传输模块、12864LCD 液晶显示电路、风光互补供电系统组成，如图1所示。

图1 系统硬件组成框图

考虑到本气象站是山体滑坡地质灾害监测系统的子系统，气象参数采集后还需与其它监测参数汇集和融合，汇集时的数据传输采用ZigBee 短程无线网络，免去有线数据传输的布线与施工;而且，气象参数的测量以及故障自诊断也都需要对多个模拟量进行测量，所以选用美国TI 公司的CC2530 芯片，可以较好的满足要求。由于CC2530 芯片的I/O 口数量有限，所需测量量及外围模块较多，所以增加了I/O 接口电路。选用带汉字库的LCD12864 作为本地显示界面，显示内容丰富;设计了8个按键，便于现场调试和操作。

1.1 主控MCU 的选择

对MCU 的选择参考以下几个因素:①野外环境监测往往是监测区域内多点数据采集，这些数据需要汇集到基站，再由GPRS/GSM 网络实现远程传输。越来越多的汇集途径采用的是无线传输，而近年来出现的ZigBee 技术可以很好的把多点传感器进行无线组网。②功耗 如果采用电池供电，功耗问题往往是首先考虑的因素。本系统虽然采用风光互补系统供电，但由于要求系统每天24 h、长达多年的工作，MCU本身的低功耗对风力发电机、太阳能电池板、蓄电池的功率容量要求就更低。③是否为片上系统级(SoC)芯片。因为片上系统芯片的功能都较强，片内一般带有若干个通道的A/D、D/A、丰富的外设接口、可编程的I/O 端口，内嵌硬件仿真调试电路，足够大的ROM和RAM，外围电路简单，这些都为系统开发带来了方便，也使系统电路更可靠。④I/O 端口的数量是否满足使用要求。根据这些要求，TI 公司的CC2530 是个较好的选择。CC2530 内嵌工业标准增强型8051MCU、自带8 路12 bit A/D 转换器、21个可编程GPIO、2个USART、自带电池监视器和温度传感器、强大的5 通道DMA，特别是芯片嵌入的2.4-GHz IEEE802.15.4 的无线收发电路，大大方便了短距离无线收发、组网的硬件和软件设计并有效的降低开发成本。CC2530 的最小系统可参考TI 公司的数据手册(参考资料［5］)。小型气象站的MCU(CC2530)以ZigBee 无线组网的方式加入山体滑坡地质灾害监测系统的网络，可以与其他测量参数进行汇聚、融合。CC2530 使用TI 公司推荐的巴比伦单极子不平衡天线，使用高频0402 封装的分立电感和电容实现。由于无线收发的频率是2.4 GHz 的射频，所以PCB 天线的布设成为关键，同时也是难点。因为不同的用户对最小系统进行PCB 设计时，排版不尽相同，材料参数也不尽相同，所以除按TI 公司提供的说明、要求布设外，布好的PCB 天线通常要利用软件如Ansys 公司的HFSS V12 进一步仿真［6］，得到较理想的仿真效果后再交由电路板生产厂家制版。如果PCB 天线没设计好，那么传输距离会大大缩短，甚至无法通信。如果没有布设天线的经验，最好采用成品模块。

1.2 传感器接口电路设计

气象元素传感器包括雨量传感器、温湿度传感器和风力风向传感器，其中:雨量传感器和风力传感器的输出都是脉冲频率信号，温湿度传感器的输出都是模拟电压量，风向传感器的输出是8 路TTL 信号。故障自诊断功能需要对4 路模拟信号进行测量，加上时钟电路(采用SPI 接口)、外扩闪存(采用I2C 接口)、GPRS模块、液晶显示器(采用SPI 接口)和按键，I/O 端口显然不够，所以设计了I/O 接口扩展电路，如图2所示。其中，P1.3～P1.5 作为芯片的片选，P1.0～P1.2 作为芯片内地址线，结合软件的扫描，即可实现对8个独立式按键的扫描、风向的判断和模拟量的轮流测量。需要注意的是，数字量的切换选用74HC151，为了使MCU 对信号的识别更可靠，最好在74HC151 的输出端加一个74HC74 整形;而模拟量的切换，选用CD4051，并在CD4051 的输出加电压跟随。

图2 传感器接口电路

1.3 气象参数测试电路

由于气象站的工作环境恶劣，特别是在雷雨天气容易受强干扰信号影响，所以所有的气象元素传感器的信号都不能直接送入MCU 进行采集，要加入隔离电路。

1.3.1 雨量传感器接口

本设计采用HA2012 雨量传感器，分辨率0.2 mm/min。其工作原理是:承水口收集的雨水，经过漏斗注入计量翻斗—翻斗是用工程塑料注射成型的用中间隔板分成两个等容积的三角斗室。它是一个机械双稳态结构，当一个斗室接水时，另一个斗室处于等待状态，当所接雨水容积达到预定值时(这个值就是分辨率)，由于重力作用使自己翻倒，处于等待状态，另一个斗室处于接水工作状态。当其接水量达到预定值时，又自己翻倒，处于等待状态。在翻斗两侧壁上各装有一个磁钢，两侧磁钢翻落处各有一个舌簧管。磁钢随翻斗翻动时从干式舌簧管旁扫描，使干式舌簧管通断。翻斗每翻倒一次，两个干式舌簧管便都接通一次送出一个开关信号(脉冲信号)，开关信号的极性相反。

雨量传感器接口保护电路和整形电路如图3所示。保护电路主要采用图3 中D1～D4组成的网络。正向脉冲由C1和C2吸收尖峰后，由D1、D2阻断，负脉冲则由D3、D4钳位，达到保护作用。TLP521 是一个光耦，在干簧管输出负脉冲期间，1～2 间的二极管导通，信号由5 输出，就起到隔离作用。光耦输出也是脉冲信号，送入MCU 的I/O 口(P0.4)计数。

图3 雨量传感器接口

1.3.2 风速、风向传感器接口

风速的测量选用HA2010 风速传感器，其核心部件是霍尼韦尔传感器。该传感器采用传统的三杯式结构，风杯选用碳纤维材料，机械强度高，启动风速≤0.3 m/s，启动性能好;工作电压DC 5 V～12 V，最大功耗4 W。内带精密信号处理单元可根据用户需求输出各种信号。本系统选择脉冲信号输出形式，其输出阻抗≥1 kΩ，输出信号频率与风速成正比，即每个脉冲对应着0.2 m/s。风速输出的脉冲信号频率在0～200 Hz 之间，经R6接入光耦，C5电容可以吸收尖峰干扰风速传感器与MCU 的连接如图4(a)所示。

图4 风速/风向传感器接口

风向的测量选用HA2011 风向传感器，其核心部件是磁阻传感器。该传感器采用传统的尾翼式低惯性风标结构，启动风速≤0.3 m/s，启动性能好;工作电压DC 5 V～12 V，最大功耗4 W。TTL 信号输出形式，其输出阻抗≥1 kΩ。连接线共9 条，其中1 条公共接线，使用时接Vcc，另外8 条线对应着正北、东北、正东、东南、正南、西南、正西、西北。当风标随着风向的变化而转动，代表着各个风向的输出线会有一条或同时两条与公共线通过磁阻导通，把这8 条线经光耦接入I/O 接口(74HC151 的D0～D7)的输入端如图4(b)所示。图中的开关相当于磁阻开关。

1.3.3 温湿度接口

设计使用了HA2005A 温湿度传感器。该传感器采用原装进口瑞士主芯片，工作电压DC 5 V～24 V，经调理电路转化为0～2 V模拟输出，响应速度小于1 s。其中测温范围为－30℃～+70℃，对应着0～2 V模拟输出，线性变化;测湿范围为0% RH～100% RH，对应着0～2 V模拟输出，线性变化。这两个量直接接入MCU 的A/D 转换输入端转换。为了防止太阳对仪器的直接辐射和地面对仪器的反射辐射，保护仪器免受强风、雨、雪等的影响，温湿度传感器完全包围在轻型百叶箱里面，仪器感应部分有适当的通风，能真实地感应外界空气温度和湿度的变化。温湿度传感器的输出接入CD4051 的X0和X1。

1.4 故障自诊断电路设计

由于采用离网独立供电系统，所以供电系统工作的稳定性和可靠性直接关系到气象站的有效性。系统设计的故障诊断电路是为了及时发现风力发电机和太阳能电池板因为受恶劣天气或设备本身的原因而产生的故障。风光互补发电系统设计时必须有备用电池，通常备用电池在风力发电机和太阳能电池板同时完全失效时可供电至少10 天(对本系统而言)，所以当风力发电机和太阳能电池板其中一个或者两个同时产生故障无法输出电能时，故障自诊断电路就可及时检测出来并短信及时通知管理人员进行处理。

风力发电机的故障检测手段是:①检测风力发电控制器的风力部分的稳压输出。风力部分的稳压输出约12 V～14 V，经分压后接入CD4051 的X2，再切入MCU 的A/D 转换器检测，并定义为连续10天无电压时为故障。②检测风力发电控制器的机芯温度，当连续5 h 机芯工作温度超过80℃时开始预报警，超过85℃停止运行(厂家提供的数据)。选用常用的测温器件DS18B20，既方便安装，又只需占用1 条I/O 口线，直接接入MCU 的P0.7 进行读数。太阳能电池板的故障检测手段是:在电池板上安装一个光敏电阻监测光照量，同时检测太阳能发电控制器上的太阳能部分的稳压输出。太阳能部分的稳压输出也是在12 V～14 V，经分压后接入CD4051的X3，再切入MCU 的A/D 转换器检测，并定义为能检测到一定光照强度后无电压输出或连续10 天无电压时为故障(视使用地区日照历史情况而定)。

1.5 GPRS 数据传输电路

GPRS(通用分组无线业务)是在现有的第二代移动通信GSM 系统的基础上发展的一种基于分组交换传输数据的高效率方式，可无缝、直接的Internet 无线IP 连接。GPRS 能够在一个发送实体和另一个或多个发送实体之间提供数据传输，这些实体可以是连接到另一个GPRS 网络或者一个外部数据的网络终端设备，这样的优点尤其适用于间歇性、非周期性数据的传输;少量数据的频繁传输;较大容量数据的不频繁传输。因此以GPRS为基础的无线数据应用为气象站实现远距离的数据传输和实时监控提供了一种新的技术手段［7］。

设计中GPRS模块采用SIMCOM 公司的GSM/GPRS模块SIM300。这是一款支持数字、语音、短消息和传真，处于睡眠状态时电流仅为3 mA 的模块。模块工作电压为单电源3.3 V～4.6 V，模块工作温度为－20℃～+55℃，适用于室外安装。AT 命令集大部分和SIM300模块兼容。通过标准的RS－232串行接口，用户可以用MCU 通过AT 命令完成对模块的操作，达到远程数据传输的目的。CC2530 的P0.2和P0.3为串行口口线。

1.6 风光互补供电系统设计

由于风能和太阳能具有天然的互补优势，即在白天太阳光较强而风少，夜间没有太阳光而风力较强;夏天日照好、风弱，而冬季风大、日照弱。风光互补发电技术整合了中小型风电技术和太阳能光伏技术，充分利用了风能和太阳能资源的互补性，是一种具有较高性价比的新型能源发电系统。

离网型风光互补发电系统的框图如图5所示。因为本系统的负载全部是直流供电，所以不需要有逆变器部分。风光互补发电系统的设计顺序一般遵循以下5个步骤［8］:(1)根据用电设备配置确定日平均用电量;(2)根据资源状况，无有效风速及连续阴天天数的长短，每天必用的最低电量，确定蓄电池容量;(3)根据日平均用电量，逆变器和蓄电池的效率等测算日平均发电量;(4)根据风能和太阳能资源状况、系统可靠性要求等因素，确定风力发电机和太阳能的比例;(5)根据所需风力发电量及太阳能光伏发电量和资源情况，进行发电机选型、太阳能电池方阵选型。根据上述原则，留有冗余，系统的风光互补供电系统配置方案如表1所示。

图5 离网型风光互补发电系统框图

表1 风光互补供电系统配置方案

2 系统软件设计

2.1 气象参数采集

雨量、风速的输出都是TTL 标准的频率量，测量时分别经光耦接入CC2530 的引脚P0.4和P0.6，由MCU 进行计数即可;风向传感器的输出有8 条，都是TTL 信号，经光耦接入图2 的74HC151，再由74HC151 的输出端接入CC2530 的引脚P1.7，由CC2530 编程对风向传感器的8 条线进行扫描;温湿度传感器的输出都是0～2 V 的模拟量，接入图2 的CD4051，再由CD4051 的输出端接入CC2530 的引脚P0.0，由CC2530 编程对温湿度传感器进行测量。软件流程如图6所示。其中图6(a)为雨量和风速软件流程，图6(b)为温湿度等模拟量的软件流程。

图6 气象参数和自诊断参数采集流程

2.2 故障自诊断

故障自诊断的测量参数共4个，除风力发电机机芯温度外还有3个，即风力发电机和太阳能电池板发电后经控制器稳压后的输出及太阳能电池板上光敏电阻的电压输出，这3个量都是电压模拟量，连同气象元素的温湿度共5个电压模拟量，根据采集的时间要求对上述5个参数采集并进行数字滤波处理［9］。如图6(b)所示。

2.3 无线网络组网

ZigBee 是一种网络容量大、节点体积小、结构简单、低速率、低功耗的无线通信技术。在ZigBee 网络中，是由3种设备类型组成:协调器、路由器和终端设备构成，可以组成星形网、网状网或簇结构网。本系统以气象站这个点为协调器组网，其他监测点如深部位移传感器、地下水位传感器等节点为路由器和终端节点。节点的测量和组网的方法另文叙述。

2.4 按键和显示软件

设计按键和显示是为了调试和检修的方便。为了节省I/O 口，把8个独立式按键经多路开关74HC151 接入CC2530 的P1.6，软件进行扫描即可;显示部分采用3 线SPI 串行接口方式的汉字图形点阵液晶模块12864A－1，3 条接线CS、CLK、SID 与MCU 的P2.0～P2.2 连接。软件编程时按键程序和液晶显示程序都设计为独立子函数，供主程序调用。

2.5 数据传输［10－11］

单片机通过GPRS模块附着到通信运营商提供的GPRS 网络，登陆到Internet 并与连接其上的任意一台已知IP 地址的PC 机建立数据链路并进行全双工数据通信。这个过程的核心是GPRS模块作为移动终端连接GPRS 网络，GPRS 数据经SGSN(服务GPRS 支持节点)发往GGSN(网关支持节点)，GGSN 对分组数据进行处理，再发送到Internet，最后再发送到指定IP 的PC 机。GPRS模块与GGSN 的通信要符合PPP (点对点)协议，才可以接入Internet。单片机要实现把采集的数据通过GPRS 远程发送，从终端底层到上位机的协议有串口驱动层、GPRS模块驱动、PPP 协议层、IP 协议层、TCP 协议层和应用层。选用的MC39I模块已经自带TCP/IP协议，使得数据传送的软件设计大为简化。简化后的编程环节是:单片机通过AT 命令对GPRS模块进行连接、发送数据，应用层采用LabVIEW 编程通过IP 地址登陆Internet 接收数据。单片机上网、连接到指定IP 地址的远程计算机到与远程计算机的收发数据的过程实现，都可以先通过串行调试助手进行，每发一条AT 命令，都会返回一个正确或错误的信息。单片机通过GPRS 远程收发数据的调试过程是:①用串口调试助手设置GPRS模块的通信波特率，并与单片机的串行通信波特率一致:AT+IPR=9600;②建立单片机与远程计算机的连接:AT+CGDCONT=1，“IP”，“COMNET”，设置接入网关为移动梦网;AT+CGATT=1，登陆GPRS 网络;AT+CGCLASS=“B”，选择GPRS或GSM 服务的一种;AT+CGACT=1，1，激活GPRS;AT+CIPSTART=“TCP”，“192.168.1.100”，“8080”，设置上位机IP 地址和侦听端口;ATD* 99＊＊＊1#拨号。然后就可以进行数据传送，数据传送的流程如图7所示。

图7 数据发送流程

3 LabVIEW 上位机软件设计［12］

LabVIEW 提供的网络通信功能的方式包括:TCP、DataSocket、浏览器、RDA。本文采用TCP/IP 通信。LabVIEW 提供的TCP/IP 协议包括TCP和UDP，多数情况，习惯使用TCP 协议。LabVIEW 内与TCP 协议相关的功能函数有:网络监听TCPListen，与指定地址和端口的服务器建立连接的TCPOpen，从TCP 连接中读取数据的TCPRead，向TCP 连接中写数据的TCPWrite 及关闭网络连接的TCPColse。可采用服务器/客户机模式进行通信，初始化时，首先指定网络端口，这个端口号就是数据终端远程登陆时指定的端口号，一般在0～65535 间取大于1024 的值，并用TCPListen 函数建立监听，等待客户机(即远程数据终端)的连接请求，连接建立后采用TCPRead 函数接收数据，也可采用TCPWrite 发出命令(如设置数据采集间隔时间)。图8为LabVIEW 监测界面。

图8 LabVIEW 监测界面

4 结语

气象参数的监测是环境监测的一项重要组成部分。采用离网型的风光互补独立供电系统，具有节能、环保的优点;采用GPRS 远程传输数据，具有不受时间、地域的限制特点;在供电系统中加入故障监测电路，使系统的可靠性和安全性大大提高。系统经过半年多时间的运行，为远程监测的上位机发回了大量的数据，为环境监测和治理发挥了很大作用。

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