傳統的氣象數據采集通常采用人工氣象站的方式，需要測量人員攜帶測量儀器實地進行測量，自動化程度低。隨著現代網絡技術的發展，出現了基于Internet的氣象數據采集系統。這種系統利用Internet實現氣象站和數據中心的通信，具有可靠性高、實時性好、傳輸距離遠的優點；但它也存在一些明顯的不足，如網絡設備購置、運行和維護的成本較高、嚴重依賴于Internet，在某些特殊場合如野外氣象探測或高空氣象探測中無法采用等。本文介紹的遠程無線氣象數據采集系統有效地彌補了上述兩種方式的不足，利用無線模塊" title="無線模塊">無線模塊實現氣象站和數據中心的通信，具有高精度、高可靠性、遠傳輸距離、低功耗、自動化程度高、方便靈活的特點，可以應用于野外氣象探測和高空氣象探測等場合。
1 系統總體設計
　　如圖1所示，系統主要包括兩大部分：數據中心和氣象站。數據中心主要由PC機、無線模塊及上位機軟件構成。氣象站主要由各種傳感器、A/D" title="A/D">A/D轉換器、無線模塊、單片機及下位機軟件等構成。系統中通常包含一個數據中心和若干個氣象站，不同的氣象站被分配不同的地址用以互相區分,系統中氣象站的最大個數為256個。數據中心作為系統的中心節點，可與各氣象站進行全雙工通信，負責完成控制幀發送、數據接收、解碼、后處理及顯示、保存等。氣象站接收到數據中心發送的控制幀后，檢測控制幀中的8bit地址，若與本地地址一致，則啟動溫度、濕度、壓強的測量，測量結束后將測量數據回送給數據中心。系統包含兩種幀：控制幀和數據幀。控制幀用于下行傳輸(數據中心→氣象站)，其作用是實現數據中心對氣象站的控制；數據幀用于上行傳輸(氣象站→數據中心)，用于氣象站向數據中心回送數據。控制幀和數據幀的格式如圖2所示。

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　　控制幀長度為24bits，包含8bits地址及16bits的固定后綴。數據幀長度為168bits，其中最高的8bits為本地地址，其后依次是溫度、濕度、氣壓以及用于將來擴展的風向、風速、海拔、經度、緯度等數據，分別用16bits表示。由于無線信道誤碼率較高，因此采用了32bits的CRC校驗，以確保數據的正確性，校驗和放在數據幀尾部。
2 硬件設計
2.1數據中心
　　數據中心的硬件部分包括PC機和無線模塊兩部分。無線模塊采用上海桑瑞電子生產的微功率無線模塊SRWF-108，它是一個全雙工無線模塊，工作在433MHz頻段，采用FSK調制方式，具有8個可用信道；具有1W的典型發射功率及-105dBm的接收靈敏度，在視距情況下，天線高度大于3米,有效通信距離大于3公里。具有兩個串口" title="串口">串口、三種接口方式，可支持RS232/485接口或CMOS/TTL電平的UART口，同時支持1200bps、2400bps、4800bps、9600bps、19200bps等多種通信速率。在本系統中，SRWF-108與PC機采用RS232接口進行連接。
2.2 氣象站
　　氣象站中主要包含5V電源、溫度傳感器、濕度傳感器" title="濕度傳感器">濕度傳感器、氣壓傳感器、A/D轉換器、單片機、無線模塊等。各模塊之間的連接如圖3所示。

　　單片機采用Atmel公司的51系列Flash單片機AT89S52,它具有成本低、性能高的特點。其內部集成了一個增強型8051內核、256Byte的RAM、8KByte的Flash ROM、3個16bit定時器、1個全雙工UART口、2個外部中斷源、32個通用I/O口(部分為復用管腳)，系統時鐘最高可達33MHz。
　　無線模塊仍采用SRWF-108。因為單片機的UART口為CMOS電平，因此將其與SRWF-108的UART口相連即可。
　　溫度傳感器采用Microchip公司的TC72，其分辨率為10位(0.25℃/bit),溫度測量范圍為-55~+125℃。具有±0.5℃的典型精度，-40~+85℃范圍內的最大誤差為±2℃；可工作在連續測量和單次測量兩種模式下，連續測量模式下的電流消耗僅為250μA，關斷模式下低于1μA。接口方式為SPI口，可直接與AT89S52接口。在設計中采用了單片機P2口的0、1、2、3腳構成軟件SPI口，與TC72進行接口，如圖4所示。

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　　濕度傳感器采用Honeywell公司的HIH3610。它是帶溫度補償的濕度傳感器，具有±2%的精度，輸出隨相對濕度線性增長的模擬電壓，電壓范圍大約為0.8~3.9V(不同溫度下、不同器件的輸出略有不同，應參照與具體器件配套的參數表)。
　　氣壓傳感器采用了Freescale公司的MAX4115AP。它是一款帶片上信號調理及溫度補償功能的絕對壓強傳感器，氣壓測量范圍為15~115kPa,0~85℃內最大測量誤差為±1.5%。輸出模擬電壓隨絕對壓強線性增長，典型范圍大約在0.204~4.794V之間。
　　HIH3610的驅動能力較弱，因此必須在它和A/D轉換器之間增加一個緩沖級。另一方面，MPX4115AP輸出電壓范圍超出了A/D轉換器的量程，因此在它和A/D轉換器之間插入一個2/3比例運放" title="運放">運放級，將它的輸出變換到A/D轉換器的量程之內。同時，為了降低噪聲干擾，提高測量的準確性，需要對濕度傳感器和氣壓傳感器的輸出進行低通濾波。為了有效濾除噪聲，要求濾波器的截止頻率盡可能地低。但另一方面，濾波器通帶越窄，傳感器的響應時間也越長。綜合噪聲濾除和響應時間兩方面來考慮，選取了直流增益為1、截止頻率為50Hz的二階Butterworth低通濾波器對傳感器的輸出進行濾波。具體如圖5所示。
　　LMV324ID為TI公司的四路運放，它采用5V電源供電，具有滿擺幅輸出、低靜態功耗、低溫漂、低失調、共模抑制比高的特點。圖5中，R2、R3、C5、C7及運放單元2構成一路Butterworth低通濾波器，用于對濕度傳感器的輸出進行濾波，同時也起到緩沖器的作用。R1、R4、C6、C8及運放單元1構成另一路Butterworth低通濾波器，用于對氣壓傳感器的輸出進行濾波。該濾波器與由R5、R6、R7及運放單元4構成的2/3比例運算器級聯，完成濾波、緩沖、比例運算，結果從運放單元4的OUT腳輸出。為保證足夠精度，比例運算器中的電阻R5、R6、R7采用絕對誤差為±0.5%、溫度系數為50ppm的精密電阻。
　　運放輸出的濕度、氣壓模擬量分別占用了A/D轉換器MCP3004的通道3、4。MCP3004為Microchip公司的4通道10bit A/D轉換器，它集成了片上采樣/保持電路，最大采樣速率為200ksps(VDD=5V時)，最大DNL和INL均為1LSB。MCP3004與單片機的接口圖如圖6所示。

　　由于氣象站采用電池供電，因此必須盡可能降低系統功耗。在不需要測量時，溫度傳感器、氣壓傳感器、A/D轉換器、電壓參考、運放及無線模塊的發射部分全部關斷，單片機工作在低功耗的空閑模式。其中，氣壓傳感器和運放的關斷控制通過一個模擬開關實現(如圖3所示)。濕度傳感器的功耗較低(電流消耗僅200μA)且啟動時間較長(15秒),為降低測量等待時間，對它不采用關斷控制。無線模塊在無數據發送時僅接收部分處于工作狀態，發送部分自動關斷，因此不需要專門對它進行控制。
3 軟件設計
3.1單片機軟件設計
　　單片機負責完成控制幀接收、啟動數據采集過程、對數據進行編碼及發送等任務。單片機軟件流程圖如圖7所示。

　　在不需要進行測量時，系統處于低功耗模式，此時溫度傳感器、氣壓傳感器、A/D轉換器、電壓參考、運放處于關斷狀態，單片機處于低功耗模式，無線模塊的接收部分工作，發送部分關斷。當無線模塊收到數據時，通過串口將數據傳給單片機。單片機串口接收到數據后，產生串口接收中斷，激活單片機，使單片機從低功耗模式進入正常模式，執行完串口中斷子程序后跳入主程序，對控制幀緩沖區的數據進行檢測。當檢測到包含本地地址的有效控制幀時，將啟動各模塊完成測量過程，測量完畢后進行數據編碼、發送，然后系統重新進入低功耗模式。若檢測不到包含本地地址的有效控制幀，則直接進入低功耗模式。
　　由于各模塊在啟動時需要一定的啟動時間，并且本系統中A/D轉換器及溫度傳感器的時序均需要通過軟件實現，因此提供一個準確的時間節拍是必要的。這里采用單片機的定時器0產生一個間隔為1ms的時鐘節拍。定時器0為16bit定時器，運行在自由計數模式下，其初值被預置為0xFC18，每個機器周期(在本系統中為1μs)計數加1；當計滿溢出時，將產生一個定時器0溢出中斷，系統跳轉至定時器0中斷子程序，定時器0被重置為0xFC18，進入下一計數循環，同時時間變量加1。通過這種方式，能夠提供一個分辨率為1ms、最大時間間隔為65535ms(時間變量為16bit整型時)的準確定時。通過查詢時間變量前后兩次的值，即可獲得準確的時間間隔。
3.2 上位機軟件設計
　　數據中心硬件較為簡單，主要包含PC機和無線模塊兩部分，它們之間通過RS-232口進行通信。控制幀的發送以及數據的接收、解碼、后處理、顯示等通過上位機軟件實現。上位機軟件具有一個可視化的操作界面，如圖8所示。