張廣超1，馬尚昌1，劉鈞2

（1.成都信息工程大學(xué) 電子工程學(xué)院，四川 成都 610225； 2. 華云升達(dá)(北京)氣象科技有限責(zé)任公司，北京 102200）

摘要：針對目前在氣象研究領(lǐng)域中日照采集系統(tǒng)作業(yè)質(zhì)量效果和實(shí)時(shí)性差、系統(tǒng)智能化程度低以及科技含量低等問題，對日照采集系統(tǒng)的通信方式、傳輸平臺(tái)、通信形式、位置定位及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等方面進(jìn)行了研究，提出了一種基于 GPRS 的遠(yuǎn)程無線采集日照數(shù)據(jù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)以 GPRS 網(wǎng)絡(luò)和Internet作為遠(yuǎn)程信號(hào)的傳輸平臺(tái)，采用了 STM32 處理器和 SIM900A 作為基本的硬件平臺(tái)。日照傳感器采用良好的感應(yīng)元件和材料，其感應(yīng)部件和數(shù)據(jù)采集處理單元集成在光筒內(nèi)；計(jì)算機(jī)端軟件實(shí)現(xiàn)了對日照數(shù)據(jù)的定時(shí)接收處理和查詢歷史數(shù)據(jù)操作等功能。

關(guān)鍵詞：日照數(shù)據(jù)采集；網(wǎng)絡(luò)傳輸；GPRS通信；數(shù)據(jù)處理

中圖分類號(hào)：TP399文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.10.024

引用格式：張廣超，馬尚昌，劉鈞.日照數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36（10）：85-88.

0引言

*基金項(xiàng)目：國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)(2012YQ110205)

世界氣象組織對日照時(shí)數(shù)的定義是:在給定時(shí)段內(nèi)直接太陽輻照度達(dá)到或超過120 W/m2的各分段時(shí)間的總和［12］。日照時(shí)長數(shù)據(jù)的測量是太陽輻射時(shí)間分布測量的重要組成部分。日照時(shí)數(shù)資料的主要用途是表征當(dāng)?shù)氐臍夂蚝兔枋鲞^去的天氣狀況，可以認(rèn)為日照時(shí)數(shù)較長的地區(qū)有強(qiáng)烈的太陽光，產(chǎn)生使人可以保持良好狀態(tài)的心理效應(yīng)；另外，合理利用氣候資源，研究每日的日照時(shí)長數(shù)據(jù)的變化趨勢，在農(nóng)業(yè)上也有很大用途。同時(shí)日照時(shí)長數(shù)據(jù)的采集有助于了解太陽、地球表面和大氣間的輻射過程、能量轉(zhuǎn)換規(guī)律以及各輻射量的時(shí)空分布，研究大氣成分如懸浮微粒、水汽、臭氧等的分布和變化，滿足醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、建筑、工業(yè)和家庭等對太陽能技術(shù)和輻射資料的要求。此外，輻射的分光譜測量可用來取得氣溶膠的光學(xué)厚度和大氣渾濁度，在農(nóng)業(yè)生物和醫(yī)療衛(wèi)生方面有著廣泛的用途。

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

日照數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究主要針對硬件平臺(tái)的建立、通信系統(tǒng)的搭建、上位機(jī)的編寫三大部分來展開，其中硬件平臺(tái)核心采用STM32處理器［3］，通用分組無線服務(wù)技術(shù) (General Packet Radio Service, GPRS)通信芯片采用客戶識(shí)別模塊(Subscriber Identification Module,SIM900A)，SIM900A是緊湊型、高可靠性的無線模塊，采用表面貼裝技術(shù)(Surface Mount Technology,SMT)封裝的雙頻全球移動(dòng)通信系統(tǒng)(Global System for Mobile Communication,GSM)/GPRS模塊，上位機(jī)框架采用WinForm［4］形式編寫，主要負(fù)責(zé)日照數(shù)據(jù)、全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System,GPS)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程采集以及終端設(shè)備的定位，并且對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。數(shù)據(jù)傳輸（含日照數(shù)據(jù)和GPS數(shù)據(jù)）的設(shè)計(jì)采用Socket通信方式完成數(shù)據(jù)通信，由于傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不是很大，但要求數(shù)據(jù)可靠，故采用傳輸控制協(xié)議(Transmission Control Protocol,TCP)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，保證傳輸?shù)目煽啃?。采集?shù)據(jù)時(shí)，輸入的端口號(hào)與IP(Internet Protocol)配置正確時(shí)，上位機(jī)啟動(dòng)，等待接收數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫采用SQL Server 2008設(shè)計(jì)。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1GPRS模塊

系統(tǒng)選擇了SIMCOM公司的SIM900A作為GPRS數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮诵哪K，SIM900A模塊傳輸速度一般在20 kb/s左右，本系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的速率大概為2 kb/s，所以SIM900A可以很好地滿足需求。SIM900A出廠默認(rèn)設(shè)置TCP/IP協(xié)議，用戶可以通過擴(kuò)展的標(biāo)準(zhǔn)指令集輕松地使用該模塊進(jìn)行基于TCP/IP協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸。同時(shí)，SIM900A模塊在低功耗和高度節(jié)能方面也非常出色，當(dāng)模塊處于待機(jī)狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)電流僅為1 mA。SIM900A支持標(biāo)準(zhǔn)的8線制串行接口，同時(shí)也支持2線制串行接口，便于調(diào)試測試。SIM900A模塊支持外部SIM卡，直接與3.0 V SIM卡或1.8 V SIM卡連接。模塊自動(dòng)檢測和適應(yīng)SIM卡類型。SIM卡電路如圖2所示。

2.2GPS模塊

由于日照采集站點(diǎn)要布設(shè)多個(gè)，分布廣且數(shù)量多，因此需要將采集站點(diǎn)位置信息發(fā)送給監(jiān)控中心。同時(shí)日照數(shù)據(jù)分析時(shí)也需要采集站點(diǎn)經(jīng)緯度信息。基于成本、開發(fā)難度及產(chǎn)品現(xiàn)狀的考慮，系統(tǒng)中采用美國GPS定位系統(tǒng)作為采集系統(tǒng)的定位模塊。其中，本系統(tǒng)采用UBLOX公司的NEO6M作為日照采集系統(tǒng)GPS模塊接收芯片，這款芯片能夠在偏遠(yuǎn)或信號(hào)較弱的地區(qū)接收到衛(wèi)星信號(hào)，定位精度最高可達(dá)2.5 m，能夠很好地滿足本系統(tǒng)的需要；能夠提供較高的時(shí)間脈沖，其提供的脈沖時(shí)間精度能夠達(dá)到15 ns，同時(shí)能夠接收GPS完整信號(hào)；具有接收50個(gè)衛(wèi)星信號(hào)通道的功能，能夠接收不同系統(tǒng)的定位信號(hào)；接口通信協(xié)議簡單，易于集成。GPS與STM32模塊的通信［5］是通過串口實(shí)現(xiàn)的，本系統(tǒng)利用USART接收GPS模塊的經(jīng)緯度信息。GPS模塊及其外圍電路如圖3所示。