基于STM32的海洋气象要素采集系统设计*

祁安俊，杨志勇，刘 钧

(1.成都信息工程大学 电子工程学院，四川 成都 610225； 2.华云升达(北京)气象科技有限责任公司，北京 102200)

基于STM32的海洋气象要素采集系统设计*

祁安俊1，杨志勇2，刘 钧2

(1.成都信息工程大学 电子工程学院，四川 成都 610225； 2.华云升达(北京)气象科技有限责任公司，北京 102200)

随着海洋发展战略受到国家的不断重视，为解决海洋气象要素采集问题，设计了一种以Cortex-M4内核为核心的STM32F407ZGT6处理器的海洋气象数据采集系统。该系统搭载于海洋浮标中,能够按照设计好的程序指令自主完成对所处的海洋气象数据的采集、传输、转换和处理。由于浮标要投入海洋中随着洋流漂流，本系统采用北斗通信的方式与外界进行信息交换。系统把采集到的信息存储在Flash中并将采集到的数据上传至岸上的服务器，地面工作人员用上位机软件提取服务器数据再通过人机界面进行数据分析。

海洋浮标；海洋气象；北斗通信；人机界面

0 引言

20世纪以来海洋以其蕴藏的无法估量的自然资源备受人们的关注。随着陆地人口的急剧增加和陆地自然资源的日益短缺以及海洋战略位置日益突出的重要性，沿海各国对于海洋资源的重视程度日益提高。为了加大对海洋资源的开发力度和强度，海洋气象的研究也因此被国家列为重要的研究项目，当然海洋的研究与开发不像在陆地上那么容易。因此，海洋气象数据的收集就成为海洋开发中一项必不可少的内容。海洋环境气象数据的收集可以为海洋的开发带来诸多便利。因此，开发一种可采集深海资源环境信息的设备，对深入海洋资源具有极其重要的作用[1]。近几年得益于科学技术的日益快速发展，气象探测技术更加趋于成熟，具有智能化、自动化无线传输数据等优势。海洋的天气观测在海洋开发中扮演着越来越重要的角色，各国也正在争相研究海洋气象，在某种程度上，海洋气象决定了一个国家的海洋开发的地位与荣誉。本采集系统是针对海洋气象检测的重要技术装备，可在海洋环境恶劣的情况下，无人看守地进行连续、长期、不定点、自动、全面综合地对海洋水文气象诸多要素进行采集[2]。

1 系统硬件设计

本系统主控芯片选用意法半导体的32位基于ARM的控制器TM32F407ZGT6。硬件总体结构如图1所示。

图1 系统硬件总体结构图

1.1 采集模块电路

采集模块电路主要负责海洋环境气象数据的采集。采集模块是由温度传感器模块、气压传感器模块及温盐传感器模块组成，这些模块根据自身的功能性，把外界变化的信息采集起来，并将采集到的信息传输给核心模块进行处理，这些模块采集信息的准确性很大程度上决定了系统的测量精度。气压传感器采用的是PTB220数字气压表,其能够测量出大范围的环境气压，不管处在室温下还是处在恶劣环境下都能稳定工作。温度传感器采用的是Pt100金属铂电阻传感器,为降低线阻误差,其测量线路采用四线制,把1～2 mA的激励电流加载到Pt100铂电阻两端，然后测量其两端电压,换算成电阻,继而得到温度观测数据[3]。温盐传感器采用的是能够实时监测海洋的水温和盐度的YZY4—1型温盐传感器。温度的测量是利用有热敏电阻的电路来完成，而盐度测量是利用所测量的温度值与电导率值之间有一个固定关系式推倒出来的。该模块电路如图2所示。

1.2 电源供电模块电路

此模块是整个系统功能的重要部分，系统能否正常工作，全取决于此模块是否能正常提供电能。根据采集器要在深远海域长时间运行的特点，通过太阳能电池板为锂电池提供充电，以满足采集器系统长时间运行的需要；为提高充电效率，充电电路采用MPPT[4](最大功率点跟踪技术)控制方式。太阳能板的基本技术指标为：16 V充电电压，大于300 mA的充电电流；电路中包括有微处理器控制的充电使能管理和电池充电状态监测电路；充电控制电压计算：VMPPSET=2.1+[1-R3/R4]V，锂电池电压配置计算：VMPPSET=2.1+[1-R16/R17]V，通过设置合适的电阻值满足输入输出电压需要，充电状态由发光二极管D2、D3指示，充电使能控制由微处理器控制充电使能端完成。该充电控制方式有助于增加电池寿命和提高充电效率。太阳能充电电路如图3所示。

图3 电源供电模块电路

1.3 北斗通信模块

北斗通信模块是系统与其他远距离设备交换信息的通道，也是人机信息交互的桥梁。海洋浮标的投放地点都是海上，包括远海地区[5]。为了满足实时远距离通信，观测数据实时上传，保证数据的安全性，选择以国产北斗卫星通信为主通信手段，每个海洋测站端配置北斗通信终端通信单元，把测站数据上传至北斗卫星。北斗卫星把测站上传的数据分别传至用户指定的指挥通信机和地面总站。在岸基数据处理中心配置指挥通信机，接收由北斗卫星转发过来的各测站的观测数据，由中心处理服务器接收入库。除了主通信信道之外，可根据布设海域的手机信号状况，特别是在近海地区，由于北斗卫星通信的带宽限制为≤70 B/min，所以海洋检测站的数据通信频率选择为每10 min通信一次。空余时间用于发送报警数据和中心站主动补传数据[6]。北斗通信终端安装在浮标上支架立杆顶部，通过RS232传输信号线与主采集系统的RS232主通信端口连接。部件的安装设计采用密封防水方式，电缆及连接器不外露。指挥机数据接收单元放置在室内，通过RS232接口方式，与接收服务器连接。在特殊应急应用情况下指挥机也可以采用车载方式。指挥机数据接收单元的蘑菇形[7]全向天线安置在无遮挡的建筑物外部，通过20 m～100 m的电缆与指挥机连接。北斗通信模块工作原理图如图4所示。

图4 北斗通信模块原理图

2 软件设计

漂流浮标采集器主要任务是完成深远海域常规气象要素传感器信号的数据采集、数据处理、数据存储、数据自动传输等；并在遇到一定问题时能够自我重启恢复，具备自身运行状态监测等功能。程序初始化主要完成对系统运行必须的参数配置、运行变量、MCU的初始状态、端口设置、外围部件等初始化处理。主循环是整个程序正常运行与按照要求完成工作的关键，主循环主要是查询“时间事件”的标志位，并进行处理事件，主要完成对时间事件、操作事件的查询处理及对看门狗的管理；为了防止程序跑飞，电路中设计有看门狗管理；硬件资源可以使用低功耗模式降低能耗，对浮标系统来说有效增加了运行时长。主循环查启动后，程序运行是处在主循环的不断查询处理中，从而得以控制系统运行处理时序。控制算法信号流程图如图5所示。

图5 控制算法信号流程图

3 Tam Viewer远程客户端的使用

中心站数据接收处理是在具有海洋监测数据处理能力的CAWSAnyWhere区域自动站上完成的。该平台可以全方位地适用和管理国家一般地面业务观测站网和地方性加密监测站网。目前该采集器系统已完成实验室测试，通过中心站数据接收综合管理软件可以了解各站点通信状态及实时数据，如需要获得某个站点实时气象水文数据，点击该站点可以查看其详细的状态及数据信息，如图6为正常通信下采集器运行结果以及部分历史数据查询结果。

图6 结果查询

4 结论

本文在已有的相关文献中基础上，设计完成了一种基于STM32F407的32位处理器的海洋气象信息采集系统，克服采样精度低等缺点,经过在威海、海南等地实验，表明它满足了海洋气象数据采集的需要及在海面上长时间工作的要求。但系统仍然存在一些不足，如采样数据不完整、北斗定位信息获取慢及北斗发送数据存在响应时间过长等缺点，在以后的工作中需要进一步改善。

[1] 戴洪磊,牟乃夏,王春玉，等.我国海洋浮标发展现状及趋势[J].气象水文海洋仪器,2014(2):118-125.

[2] 姚作新.基于北斗卫星短信通信方式的无人值守自动气象站网[J].气象科技, 2012,40(3): 340-344.

[3] 张勇,陈苏婷,张燕.基于北斗卫星的自动气象站数据传输管理系统[J].电子技术应用,2014,40(5).

[4] 卢琳,殳国华,张仕文.基于MPPT的智能太阳能充电系统研究[J].电力电子技术,2007,41(2):96-98.

[5] 王波,李民,刘世萱，等.海洋资料浮标观测技术应用现状及发展趋势[J].仪器仪表学报，2014,35(11)：2401-2414.

[6] 洪常委.北斗卫星导航系统在海洋浮标中的应用[J].声学与电子工程,2014(2):41-43.

[7] 于家傲,姜永金,李友权，等.小型化北斗导航圆极化天线研究[J].现代电子技术, 2014,37(7): 79-81.

Design of marine meteorological elements acquisition system based on STM32

Qi Anjun1, Yang Zhiyong2, Liu Jun2

(1. College of Electrical Engineering, Chengdu University of Information Technology, Chengdu 610225, China; 2. Hua Yun Sheng Da (Beijing) Meteorological Science and Technology Co., Ltd, Beijing 102200, China)

With the development of ocean strategy has been continuously promoted by the state, in order to solve the problem of marine meteorological elements gathering, a marine meteorological data acquisition system with STM32F407ZGT6 processor which with Cortex-M4 core as the core is designed. The system is installed in the ocean buoy and can collect, transmit, transform and process the marine meteorological data independently according to the designed program instructions. As the buoy to be put into the ocean drifting with the ocean currents, the system uses Beidou communication to exchange information with the outside world. The collected information is stored in Flash and the collected data is uploaded to the server on shore, the ground staff use a machine software to extract the server data and through the man-machine interface for data analysis.

ocean buoy; marine meteorological; Beidou communication; the man-machine interface

国家重大科学仪器设备开发专项(2014YQ110787)

P732; TP31

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.15.008

祁安俊，杨志勇，刘钧.基于STM32的海洋气象要素采集系统设计[J].微型机与应用，2017,36(15)：29-31，34.

2017-03-09)

祁安俊(1992-)，通信作者，男，在读硕士，主要研究方向：气象观测仪器与计量技术。E-mail：1121472259@qq.com。

杨志勇(1959-)，男，本科，高级工程师，主要研究方向：大气探测信息处理。

刘钧(1976-)，男，硕士，主要研究方向：大气探测信息处理地面气象观测自动化，图形图像处理技术。