无人值守海洋气象仪系统设计

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海洋气象仪又称海洋气象自动观测系统，主要用于对海滨地区的风速、风向、气压、气温、相对湿度、降水量和能见度等水文气象要素实施观测，是海洋环境监测网的-个重要组成部分。现有的海洋气象仪在海洋预报、防灾减灾和科学研究等领域发挥了重要作用；但受技术条件限制，系统所用传感器多为模拟式、分立式，控制器多为单片机或单板机，通信控制多采用通用串口或现场总线方式，系统集成度较低、使用和维护难度较大，难以满足远程、多点监测的需要。因此，设计研制高集成度、高可靠性的无人值守海洋气象仪势在必行。

本文提出-种基于数字多功能传感器组件、嵌入式控制器及无线通信拈的新型海洋气象仪方案，采用数字化、拈化、集成化设计思想，使系统具有高性能、低功耗、易维护使用的特点。

1 系统组成与功能无人值守海洋气象仪由控制单元、集成式传感器单元、北斗”单元、电源及辅助单元组成，如图 1所示。其中，集成式传感器单元包括：风速、风向、气压、气温、相对湿度及降雨量 6合 1传感器和能见度传感器；控制单元又包括：采集与显示控制拈、存储与通信控制拈。采集与显示控制拈采用 FPGA，负责完成传感器信息的采集、处理所得信息并进行显示和控制。存储与通信控制拈采用 ARM，负责将采集和处理所得的气象信息存储在本地存储器内，同时发送给北斗”单元l。北斗”单元可将本地采集和处理所得气象信息发送给远程控制中心，并能接收控制中心的指令，对本地气象仪的工作参数 (如：采样周期、数据传送周期，报警阈值等)进行配置/监控。电源及辅助单元为气象收稿日期：2013-05-20；修改稿收稿日期：2013-05.28中 国 造 船 学术论文仪运行提供所需的供电等工作条件。

j6合1传感器 I 采集与显示控制拈 l 电源及辅助单元I I能见度传感器 - 存储与通信控制拈 ] ，L - 北斗”单元集成式传感器单元 控制单元2 系统硬件设计图 1 系统组成框图2.1 集成式传感器单元2.1.1 6合 1传感器选用 Vaisala的气象变送器 WXT520，它能够测量风速、风向、气压、气温、相对湿度及降雨量等6类气象数据，具有集成度高的突出特点，主要指标如下：(1)风速测量：0～60m/s(准确度-4-5%)；(2)风向测量：0360。(准确度士3。)；(3)气温测量：-52℃～60℃ (准确度-4-03℃)；(4)气压测量：600hPa～1 100 hPa(准确度lhPa)；(5)相对湿度测量：0～100%RH (准确度-4-5%)；(6)降雨强度测量：0-200mm/h；(7)重量：650g。

2.1.2 能见度传感器选用 Vaisala公司的能见度传感器 PWD10，它能够测量能见度，具有全天候测量能力、可靠性高，主要指标如下：(1)测量距离：10-2000m；(2)测量精度：士10%；(3)工作温度：-4O℃-60℃；(4)尺寸：70cm40cmx20cm；(5)重量：3kg。

2.2 控制单元2.2.1采集和显示控制拈采集与显示控制拈采用 FPGA作为主控制器，负责接收气象传感器和能见度传感器实时传送的采样数据；设置气象传感器和能见度传感器的工作方式；接收北斗”接收机终端传送的报文指令，将传感器采样数据通过北斗”发送至远程控制中心；能够显示采集数据、报文及状态信息；将所采数据传送至数据处理板进行数据处理、存储及发送[20采集与显示控制拈的功能框图如图2所示。

根据传感器采集的数据量和处理任务，选取Xilinx公司的XA Spaan-3A系列 FPGA-XA3SD1800A作为主控芯片，该系列是特别针对恶劣环境所设计的高可靠型器件。外围包括：时钟电路、电源芯片54卷 第 2期 (总第205期) 庞佑军，等：无人值守海洋气象仪系统设计管理电路、FPGA配置电路、与传感器和北斗”接收机通信的接 口电平转换电路、与数据处理板通信的内部数据交换接口电路等组成。

图2 采集与控制拈功能框图本设计能够充分发挥 FPGA多任务并行处理的优势，允许同时接收和处理多路传感器所采样的信息，并完成解包、信息提娶数据包重组、数据分发及显示 J。其中，系统信息显示采用 LED数码管与 LED指示灯相结合的方式。通过采用轮询刷新显示，能够显示采集数据、报文及状态信息。

显示部分采用数码管和发光二极管进行仪器工作状态显示，能满足极端恶劣环境的操作使用。显示内容有：传感器采样数据、传感器工作状态、采用循环显示仪器的报警状态等。

2.2.2 存储和通信控制拈存储与通信控制拈主要负责有：气象数据的处理、存储及分发，与控制计算机的交互，北斗”报文、气象报警信息及系统工作的状态设置。所采集的数据和状态等信息，首先需要完成解包和数据转义，得到期望的数据格式；然后，将处理后的数据存储在板上的大容量存储器内，且能够存储不少于 3个月的采集数据。

这些数据通常以北斗”报文方式发送至远端计算机，从而实现无人值守的遥测与监控。当现场作业时，也可通过板上的网络接口或 RS232串口将数据传送到上位计算机，方便客户现绸揉控采集数据。此外，远端计算机或上位计算机，还可以通过北斗”报文或网口、RS232串口，对系统工作参数进行设置。

存储和通信控制拈主要由：ARM 芯片、ARM 配置电路、时钟与看门狗电路、电源管理电路、RS422串行数据接收电路、RS485串行数据接收电路、网络驱动电路、外部大容量存储器等组成。

主控 ARM 芯片采用NXP公司的LPC1768，它为系统提供更强大的性能 (例如：低功耗、增强的调试特性和对高级功能拈的集成)4]。RS422接口芯片采用稳定的差分信号线驱动器 DS26C31和DS26C32，它们能够完成 422接口与 TTL电平接口之间的转换。为增强系统可靠性，接口电路采用高速光耦隔离和隔离电源供电，使得外围通信线路与本地的处理电路完全实行电气隔离，最大程度地避免由于通信线缆可能引入的高压雷击、电磁干扰等引起的不利影响和破坏。

RS232串行接口采用专用串口转换芯片MAX2232，串口速率可以由控制计算机进行配置。

网络接口采用 W5100芯片，它是-款多功能的单片网络接 口芯片，内部集成有 10/100M 以太网控制器，主要应用于高集成、高稳定、高性能的嵌入式系统中。它支持硬件 TCP/IP协议及支持TCP、UDP、IPv4、ICMP、ARP、IGMP和 PPPoE，有效数据传输可达 25Mbps J。

外部存储芯片采用三星公司的FLASH芯片 K9WAG08U1A，它支持快速的读写速度，最大存储容量达到 2G×8Bit，完全能够达到系统的存储要求。

中 国 造 船 学术论文时钟年口看 I I夕l、部存门狗电路 1 l 储器ARM配置电路 H ARM主控芯片北斗 ”拈(双 向RS422串行数据 接 口)RS422串行数 据接收接 口图3 存储与通信控制拈功能框图PC机接 口电路(双 向RS232串行数据接 口)(LAN以太 网接 口)2.3 北斗”单元北斗”单元具有发射功率大、接收灵敏度高、适应宽温度范围工作等特性，适用于工业级应用。

其主要指标如下：(1)工作温度范围：-2O℃7O℃；(2)待机电流：<3.0mA；(3)设计最大上行/下行速率：42.8/85.6kbps(4)重量：<3.5g2.4 电源及辅助单元2.4.1 电源无人值守气象检测仪采用带有后备电源的民用电供电。检测仪内的电源拈负责将 AC220V50Hz交流电转换为系统工作所需DC24V和 DC5V直流电。为优化性能，电源拈分为两级：第-级由AC-DC电源完成，额定输入为AC220V (50Hz)，额定输出为DC24V，最大输出电流 DC10A，供主机和各传感器和北斗”单元使用；第二级是将 DC24V转换为主机自身工作所需的直流电，额定输入为DC24V，额定输出为DC5V，最大输出电流DC6A。

图4为系统电源拈功能框图。变换所得的二次电源分别供给如下所述的部件使用：(1)直流 24V：供给 6合 1传感器、能见度传感器以及加热部件使用；(2)直流 5V：供给主控板使用。

图 4 电源拈功能框图54卷 第 2期 (总第205期) 庞佑军，等：无人值守海洋气象仪系统设计2.4.2 辅助组件辅助组件包括：适合无人小岛等特殊地域的风能与太阳能互补的供电系统，以及在严寒地域的辅助加热装置。通过这些辅助组件能够提高系统的环境适应性和持续工作能力。

3 系统软件设计3.1 功能设计根据工作任务，系统软件功能主要包括：测量接收、数据处理、数据显示、数据存储、数据上传、报警提示、系统配置等。具体需要测量或计算以下气象参数：(1)即时风速、平均风速、3小时极大风速、每 日的极大风速；(2)即时风向、平均风向：(3)即时气温、平均气温、最高气温、最低气温；(4)即时湿度、平均湿度、最大湿度、最小湿度；(5)即时气压、平均气压、最高气压、最低气压；(6)累计降雨量、降雨持续时间、降雨强度、降雨峰值强度；(7)1分钟平均能见度、l0分钟平均能见度。

其中，即时参数都可由传感器获得，平均值、最大/小值则需要软件处理后得到。图5是软件主要功能框图。

图5 软件功能框图176 中 国 造 船 学术论文3.2 主流程由于 ARM 芯片采用 Linux系统，因此相应软件均在 Linux环境下用 C语言开发。图6是系统初始化和主流程。

4 结 语系统上 电，初始化i芯臆级 内 核初始化l板级外设初始化l通信 拈初始化i功能函数注册i厂 、系统主循环 /图6 软件主流程图本系统采用高速并行采集与信息处理方法，实现多传感器同步快速接收，利用 FPGA的多任务并行处理能力，同时完成多路数据的接收、解析和数据重组；既提高了信息处理效率，又实现了 SOC(System oil Chip)，系统集成度和可靠性都较普通的多MCU方案有显著提高。采用基于北斗”卫星导航系统的无人值守采集监控方案，利用北斗”短报文方式实现测量信息的发送和系统状态控制，经济可靠。采用集成式数字传感器和 SOC嵌入式控制方案，贯穿拈化、功能化设计思想，系统精巧、性能高、可靠、易维护。