基于ARM的自动气象数据采集系统

摘要

针对目前国内气象数据自动采集系统基本采用国外产品的现状，提出了一种基于ARM和CAN总线的多通道气象数据采集系统的设计方法。在设计中，通过硬件和软件技术的结合，实现了模拟信号、数字信号和智能传感器数据的采集要求。为了提高系统的实时应答能力和多任务处理能力，在硬件结构设计上采用了“主采集器+外部总线+副采集器+传感器+外围设备”的结构设计。CAN总线用于副采集器和主采集器之间的通信。同时，系统采用嵌入式c语言进行完整编码，利用GPRS调制解调器将气象数据发送到服务器进行监测。气象数据也被发送到一个预先注册的手机号码。所有组件都通过电缆连接起来，从而实现数据的高效传输。

介绍

如今，气象学已与人类的民用和工业活动密切相关。气象探测在国防、社会和经济发展中发挥着重要作用。随着国家可持续发展战略的逐步实施，气象探测对我们来说更加重要。与此同时，由于印度基本上是一个农业经济，对气象观测的需求不断增加，特别是在农业领域。传统的气象数据采集系统设计模式是基于单片机的。在这种情况下，对系统的精度、实时分析能力、人机界面等方面提出了许多问题。这种技术限制了计算能力、存储容量和信息量。与上述情况相比，使用嵌入式C代码的模式更受欢迎，因为它很小，而且相对更容易学习、理解、编程和调试。C编译器几乎可以用于今天使用的所有嵌入式设备，并且有大量经验丰富的C程序员。与汇编语言不同，C语言具有处理器无关的优点，并且不特定于任何特定的系统。 This makes it convenient for a user to develop programs that can run on most of the systems. It is fairly efficient and supports access to I/O and provides ease of management of large embedded projects. This pattern also has many other advantages, such as speeding up the development of the system, facilitating the works of the future expansion, improving the timeliness and accuracy of the meteorological observation, and achieving the commands of automatic meteorological observation.

系统设计

如图1所示，基于GPRS和CAN总线的气象数据自动采集系统的设计。

节点:

服务器端:嵌入式Linux是一种小型的操作系统，它是由一个独立的内核(kernel)和几个依赖需求的模块组成的。其特点是:微内核只有几百KB;支持X86和30多种8bit ~ 64 bit的MPU和MCU，支持多种ROM存储器;具有多任务、多进程和一定实时性的特点，支持完整的通信网络;支持TCP / IP协议等通用协议;支持自主开发协议;图形用户界面(GUI);支持网络、数据库和多媒体，通过网络进行数据通信，实时处理数据;源打开，可根据具体需要切割;一系列的开发工具; a good property of software open and the program on the Linux host can be transplanted to embedded Linux system freely, a strong technical support and so on.

CAN (controller area network)现场总线是一种串行多主通信网络。CAN不仅是一个网络，而且是一种协议。其主要特点有:基于CSMA / CD模式的模式，采用无损仲裁机制，短帧数据结构;采用CRC数据校验功能，数据传输基于差分方式，队列优先级根据报文ID确定，系统具有良好的扩展性、抗干扰能力和可靠性。

基于多任务、实时嵌入式C和CAN网络的气象数据自动采集系统构成了积木式结构，便于将来更新或更改。

A.系统硬件设计

如图1所示，气象数据自动采集系统的硬件由主采集器、副控制器、传感器和外围设备(包括电源、[终端]计算机、通信接口和外置存储器)组成。主收集器和副收集器微处理器采用lpc2129微控制器。它的频率高达200MHz，并在芯片中集成了CAN总线控制器。副采集器通过CAN总线与主采集器连接。它有一个16 kB的片上静态RAM和128/256 kB的片上Flash程序存储器。

为了实现气象数据自动采集系统的最小配置，主采集器只加入温度传感器(LM 35)、湿度传感器(HS 220)和pH计等几个基本气象元件传感器，负责采集基础气象数据。

此外，主采集器还负责采集、控制、处理、存储、传输各类气象因子数据，并完成副采集器的配置和管理功能。的sub-colle

同时，它还负责在工作状态下，按照预定的采样频率对其铰接式传感器进行扫描，接收到主采集器发出的同步信号后，将采样数据发送给主采集器。当系统因环境变化或技术进步需要扩展或增加元件传感器时，我们无需改变现有传感器的连接方式和接线方式。我们只需要在系统中添加新的子收集器和/或传感器，并进行简单的软件升级或配置。

B.系统软件设计

系统软件包括嵌入式操作系统和应用软件。Keil提供了广泛的开发工具，如ANSI C编译器、宏汇编器、调试器和模拟器、链接器、IDE、库管理器、实时操作系统和ARM系列的评估板。

系统软件分为主控制器和子控制器两部分。主控制器包括:Linux程序、模数转换器初始化过程和控制局域网。此外，还需要扩展的功能有:实现对CAN主机的协议，对内存卡和外存卡对jffs2文件系统的协议，数据的基本采集、处理、存储和网络传输，Web服务器的建立和远程参数设置，数据监控，数据文件的加载和主采集器的复位。需要分采集器软件实现与CAN从机的协议，按照预先确定的采样频率对其铰接传感器进行扫描，并将得到的电信号转换为可读的单片机信号，得到气象变量的测量序列，对气象变量的测量值进行转换，将传感器输出信号转换为气象单位，得到瞬时采样值;并根据CAN协议将采样值发送到CAN总线。汇编的Keil

汇编的Keil

编译器将C源文件转换为可重定位的对象模块，其中包含用于μVision调试器或在线仿真器调试的完整符号信息。除了目标文件之外，编译器还生成一个清单文件，其中可以选择包含符号表和交叉引用信息。大多数预处理器函数需要通过在源代码中包含预处理器指令来激活。然而，预处理器总是:用单个空格替换每个C注释，删除行延续(由行尾的反斜杠('\')表示)，并将分隔的行连接起来进行编译，并用预定义的文本替换预定义的宏名称。除上述操作外，Cx51编译器中的预处理器还支持头文件、宏、条件编译等预处理器操作。

3)设备驱动

操作系统负责管理系统的软件和硬件。设备驱动程序起着连接硬件和用户应用程序的桥梁作用。它们通过提供的接口功能使应用程序与底层硬件无关。对于该系统，我们需要准备I/O口驱动器、串行驱动器和CAN控制器。

4)应用软件

应用软件主要包括系统数据质量控制软件、数据处理软件和Web浏览器界面。系统的数据质量控制软件对采集到的数据进行预处理，剔除不合理的数据。然后将得到的数据传输给数据处理软件进行处理，形成指定的数据格式。Web浏览器将为用户提供一个数据浏览页面。用户通过浏览页面查看数据。除了网页，他或她可以通过手机访问数据。用户必须在网页上预先注册他或她的手机号码才能使用上述服务。同时，用户可以实现数据查询和数据检索功能。系统实现如图2所示。

结论

该系统采用嵌入式C语言和CAN总线结构，采用积木式结构和智能功能模块。在软件设计方面，支持系统各功能模块的任意组合。因此，不需要改变原有的硬件和软件设计，只需要在系统中增加新的子采集器和传感器，并进行简单的软件升级。这种设计的优点有:气象探测实时性较高、精度高、自动化程度高、经济高效、可长时间连续观测、可靠性好、稳定性高、抗干扰等。

数字一览

图1 图2

参考文献

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