智能气象站的数据采集与通信系统设计

发布时间：2017-09-30 17:33

  本文关键词：智能气象站的数据采集与通信系统设计

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【摘要】：气象要素如温湿度、气压、风力、光照条件、雨量、空气指数等与人们的日常生活密切相关,在很多领域都有着举足轻重的作用。目前传感设备的种类多种多样,需要编写复杂的数据采集程序才能完成,无法满足气象站传感设备动态接入的需求。同时智能气象站大多是应用在野外,要求功耗低,MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)传感器应运而生,它具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、易于集成和智能化的特点,目前已广泛应用到环境监测传感网中。本文研究内容为智能气象站数据采集及通信系统设计。系统以32位ARM芯片STM32F103ZET为核心,移植了μC/OS-Ⅱ嵌入式实时操作系统为软件平台,在Keil开发环境下进行软件开发,通过设计主控系统的硬件和软件,实现了气象站和上位机的GPRS无线网络通信。系统硬件设计主要包括主控系统的电路原理图设计和PCB绘制与制板,软件 设计包括气象站的数据采集、存储、处理等。使用实验室自研的基于MEMS传感器技术的五要素气象站与路面传感器进行气象要素采集。论文比较了MEMS气象采集器和主控系统的通信协议UART、CAN总线、以太网通信协议的利弊,最后采用了以太网通信协议,在系统中移植了基于TCP/IP协议的uIP协议,实现了网络通信。智能气象站与上位机通信选择的GPRS模块是ATK-SIM900A-V12,GPRS组网方式采用了公网P方式组网方案,使气象站连接到Internet进行气象数据的传输。通过设计智能气象站硬件和软件,成功的实现了数据采集以及和远程上位机进行无线通信。课题通过具体的系统调试,各项功能都已实现,并且达到了设计要求,成功的完成了基于MEMS数据采集系统,解决了通用性和扩展性以及GPRS无线通信问题,降低了传感设备和气象站主控系统的耦合性,并且利用MEMS器件使得气象站体积小,功耗低,稳定性高,为以后智能气象站的发展打下良好的基础。本课题研发的智能气象站基于MEMS技术,旨在解决智能气象站与传感设备之间通信的通用性、扩展性以及GPRS无线网络通信问题。相比于以往的气象站具有能耗低、稳定性高、测量准确、可靠性高、成本低以及动态接入不同要素采集模块而不更改系统的特点,更加适合恶劣气候条件。
【关键词】：智能气象站 MEMS 通用性 扩展性 TCP/IP
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH765.72
【目录】：

• 摘要5-6
• abstract6-9
• 第一章 绪论9-15
• 1.1 引言9-10
• 1.2 国内外研究现状和发展趋势10-11
• 1.3 本文设计任务、设计指标和设计难点11-13
• 1.3.1 设计任务11
• 1.3.2 设计指标11-12
• 1.3.3 设计难点12-13
• 1.4 本文主要内容13-14
• 1.5 本章小结14-15
• 第二章 智能气象站数据采集与通信原理介绍15-27
• 2.1 智能气象站数据采集原理15-21
• 2.1.1 基于MEMS传感器的新型数据采集器15-18
• 2.1.2 基于TCP/IP协议通讯协议设计18-21
• 2.2 智能气象站的通信原理21-24
• 2.2.1 GPRS无线通信简介21-23
• 2.2.2 GPRS无线网络传输原理23-24
• 2.3 上位机信息管理平台24-26
• 2.3.1 上位机需求分析24-25
• 2.3.2 上位机功能描述25-26
• 2.4 本章小结26-27
• 第三章 智能气象站的数据采集与通信系统硬件设计27-35
• 3.1 硬件系统架构设计27
• 3.2 主控核心控制电路设计27-33
• 3.2.1 GPRS模块27-29
• 3.2.2 网络模块29-30
• 3.2.3 存储模块30
• 3.2.4 UART模块30-32
• 3.2.5 电源模块32
• 3.2.6 时钟电路模块32-33
• 3.3 本章小结33-35
• 第四章 智能气象站数据采集与通信系统软件设计35-55
• 4.1 系统软件平台设计概要35-36
• 4.2 系统核心软件架构搭建36-43
• 4.2.1 μC/OS-Ⅱ操作系统简介36-37
• 4.2.2 μC/OS-Ⅱ系统移植37-39
• 4.2.3 驱动层设计39-43
• 4.3 应用层软件设计43-49
• 4.3.1 数据采集软件流程43-46
• 4.3.2 数据存储软件流程46-47
• 4.3.3 命令处理软件流程47-48
• 4.3.4 通信系统软件流程48-49
• 4.4 上位机软件执行流程49-54
• 4.4.1 功能介绍49-52
• 4.4.2 执行流程52-53
• 4.4.3 运行结果53-54
• 4.5 本章小结54-55
• 第五章 智能气象站数据采集与通信系统调试55-63
• 5.1 主控系统模块调试55-59
• 5.1.1 网络通信模块调试56-57
• 5.1.2 UART通信模块调试57-58
• 5.1.3 GPRS通信模块调试58
• 5.1.4 存储模块调试58-59
• 5.2 系统调试及指标分析59-61
• 5.2.1 系统调试59-60
• 5.2.2 指标分析60-61
• 5.3 本章小结61-63
• 第六章 总结与展望63-65
• 6.1 工作总结63-64
• 6.2 工作展望64-65
• 致谢65-67
• 作者简介67-69
• 参考文献69-71
• 附录A 核心源码71-77
• 附录B 原理图77-79
• 附录C PCB版图79

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前6条

1 王淑华;;MEMS传感器现状及应用[J];微纳电子技术;2011年08期

2 夏忠球;;浅谈GPRS的网络工作原理及其优势[J];电脑与电信;2010年12期

3 林金田;;现代气象观测业务发展趋势[J];广东气象;2009年02期

4 余芳;;微控制器Mega128在GPRS无线数据终端上的应用[J];现代计算机;2006年09期

5 丁国超;;我国气象观测现状及未来展望[J];河南气象;2006年03期

6 章育仲;;国外自动气象站概况[J];气象科技;1979年06期

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本文编号：949559