基于Cortex―M3的自動(dòng)氣象站設計

摘要：設計了一種氣象數據采集系統，該系統能采集溫度、濕度、氣壓、風(fēng)速4個(gè)氣象要素，采集的原始數據保存在本地SD卡中，同時(shí)對采集數據進(jìn)行數據處理，處理后的數據打包成氣象數據包，使用GPRS模塊將數據包通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò )上傳到上位機。采集系統主控制器使用基于Conex—M3內核的STM32處理器，在處理器上移植μc／os—II實(shí)時(shí)操作系統作為軟件平臺，保證了數據采集中較好的實(shí)時(shí)性和穩定性。在數據處理方面，參考地面觀(guān)測規范對溫度、濕度、氣壓采用篩除大小值取算術(shù)平均的算法，對風(fēng)速測量數據采用滑動(dòng)平均算法。經(jīng)實(shí)驗驗證，系統正常運行，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(shí)時(shí)性和穩定性。
關(guān)鍵詞：Correx-M3；STM32；氣象數據采集；μc／os—II

0 引言
隨著(zhù)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(lái)越高，傳統的人工操作和讀數不僅勞動(dòng)效率低下，而且容易出現人為錯誤，已無(wú)法滿(mǎn)足現代氣象觀(guān)測的要求，近些年，電子技術(shù)的快速發(fā)展為氣象數據采集技術(shù)的更新和設備換代提供了條件，Cortex—M3基于A(yíng)RM公司最新的v7平臺，它的數據處理能力是ARM7的兩倍，而功耗只有ARM7的1／3，低廉的價(jià)格使其具有很高的性?xún)r(jià)比，在Cortex-M3上移植μc／os—II實(shí)時(shí)操作系統保證了系統的實(shí)時(shí)性和穩定性，其具有的諸多優(yōu)點(diǎn)非常適合存自動(dòng)氣象數據采集領(lǐng)域使用。

1 系統整體設計
整個(gè)氣象數據采集系統硬件主要由氣象數據采集傳感器模塊、主控制模塊、數據存儲模塊、數據發(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動(dòng)下完成溫度、濕度、氣壓、風(fēng)速數據的采集，主控制模塊由使用Cortex—M3內核的STM32處理器的最小系統組成，完成對數據采集傳感器模塊的控制以及對采集數據的數據處理工作，數據處理按照《地面氣象規范2003》的基本要求執行，數據存儲模塊使用SD卡來(lái)完成測量數據的本地備份，處理完的數據打包成氣象數據包使用GPRS模塊通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò )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(guò)GSM網(wǎng)絡(luò )接收測量數據并進(jìn)一步處理，整體結構如圖1所示。

2 氣象數據采集模塊
系統氣壓采集模塊使用BMP085數字氣壓傳感器，其和STM32通信使用標準的IIC協(xié)議，其內置的EEPROM中存儲了補償計算需要的11個(gè)參數，它們是11個(gè)連續存儲的16位數據，存儲地址為0XAA～0XBF，當STM32在讀取了測量數據后需要通過(guò)補償計算得到單位為hpa的測量數據。溫濕度采集模塊使用AM2301數字溫濕度復合傳感器，其與STM32通信使用單總線(xiàn)通信協(xié)議，該模塊內置了一個(gè)8位的MCU，能自動(dòng)完成數據的測量工作，當STM32得到了總線(xiàn)的控制權后，輸出低電平大于800μs后，AM2301模塊就得到了總線(xiàn)控制權并輸出80μs的低電平作為響應信號并馬上連續輸出40bit的測量數據，測量數據格式為：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(fēng)速采集模塊使用FY-FS風(fēng)杯式風(fēng)速傳感器，風(fēng)吹動(dòng)風(fēng)杯轉動(dòng)會(huì )把風(fēng)速信號轉化為脈沖信號輸出，STM32使用外部中斷和定時(shí)中斷來(lái)捕獲脈沖頻率并通過(guò)計算得到實(shí)時(shí)風(fēng)速值。處理完成的數據存儲在SD卡中，SD卡是一種存儲容量為1 G的FLASH產(chǎn)品，與STM32通過(guò)SPI協(xié)議通訊。數據發(fā)送模塊使用SIM300，利用短信息方式(TEXT模式)通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò )與上位機通信，STM32使用AT指令通過(guò)串口與SIM300通信，上位機使用SIM300模塊接收測量數據進(jìn)行下一步處理。