【论文精选】日照数据采集系统设计与实现

小代 2017年08月11日 全部文章 34 0

张广超1，马尚昌1，刘钧2

（1.成都信息工程大学 电子工程学院，四川 成都 610225； 2. 华云升达(北京)气象科技有限责任公司，北京 102200）

摘要：针对目前在气象研究领域中日照采集系统作业质量效果和实时性差、系统智能化程度低以及科技含量低等问题，对日照采集系统的通信方式、传输平台、通信形式、位置定位及数据存储等方面进行了研究，提出了一种基于 GPRS 的远程无线采集日照数据系统。该系统以 GPRS 网络和Internet作为远程信号的传输平台，采用了 STM32 处理器和 SIM900A 作为基本的硬件平台。日照传感器采用良好的感应元件和材料，其感应部件和数据采集处理单元集成在光筒内；计算机端软件实现了对日照数据的定时接收处理和查询历史数据操作等功能。

关键词：日照数据采集；网络传输；GPRS通信；数据处理

中图分类号：TP399文献标识码：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.10.024

引用格式：张广超，马尚昌，刘钧.日照数据采集系统设计与实现［J］.微型机与应用，2017,36（10）：85-88.

0引言

*基金项目：国家重大科学仪器设备开发专项(2012YQ110205)

世界气象组织对日照时数的定义是:在给定时段内直接太阳辐照度达到或超过120 W/m2的各分段时间的总和［12］。日照时长数据的测量是太阳辐射时间分布测量的重要组成部分。日照时数资料的主要用途是表征当地的气候和描述过去的天气状况，可以认为日照时数较长的地区有强烈的太阳光，产生使人可以保持良好状态的心理效应；另外，合理利用气候资源，研究每日的日照时长数据的变化趋势，在农业上也有很大用途。同时日照时长数据的采集有助于了解太阳、地球表面和大气间的辐射过程、能量转换规律以及各辐射量的时空分布，研究大气成分如悬浮微粒、水汽、臭氧等的分布和变化，满足医学、农业、建筑、工业和家庭等对太阳能技术和辐射资料的要求。此外，辐射的分光谱测量可用来取得气溶胶的光学厚度和大气浑浊度，在农业生物和医疗卫生方面有着广泛的用途。

1系统总体设计

日照数据采集系统研究主要针对硬件平台的建立、通信系统的搭建、上位机的编写三大部分来展开，其中硬件平台核心采用STM32处理器［3］，通用分组无线服务技术 (General Packet Radio Service, GPRS)通信芯片采用客户识别模块(Subscriber Identification Module,SIM900A)，SIM900A是紧凑型、高可靠性的无线模块，采用表面贴装技术(Surface Mount Technology,SMT)封装的双频全球移动通信系统(Global System for Mobile Communication,GSM)/GPRS模块，上位机框架采用WinForm［4］形式编写，主要负责日照数据、全球定位系统(Global Positioning System,GPS)数据的远程采集以及终端设备的定位，并且对数据进行分析处理。数据传输（含日照数据和GPS数据）的设计采用Socket通信方式完成数据通信，由于传输的数据量不是很大，但要求数据可靠，故采用传输控制协议(Transmission Control Protocol,TCP)进行数据传输，保证传输的可靠性。采集数据时，输入的端口号与IP(Internet Protocol)配置正确时，上位机启动，等待接收数据。数据库采用SQL Server 2008设计。系统总体设计框图如图1所示。

2系统硬件设计

2.1GPRS模块

系统选择了SIMCOM公司的SIM900A作为GPRS数据传输的核心模块，SIM900A模块传输速度一般在20 kb/s左右，本系统采集数据的速率大概为2 kb/s，所以SIM900A可以很好地满足需求。SIM900A出厂默认设置TCP/IP协议，用户可以通过扩展的标准指令集轻松地使用该模块进行基于TCP/IP协议的数据传输。同时，SIM900A模块在低功耗和高度节能方面也非常出色，当模块处于待机状态时，系统电流仅为1 mA。SIM900A支持标准的8线制串行接口，同时也支持2线制串行接口，便于调试测试。SIM900A模块支持外部SIM卡，直接与3.0 V SIM卡或1.8 V SIM卡连接。模块自动检测和适应SIM卡类型。SIM卡电路如图2所示。

2.2GPS模块

由于日照采集站点要布设多个，分布广且数量多，因此需要将采集站点位置信息发送给监控中心。同时日照数据分析时也需要采集站点经纬度信息。基于成本、开发难度及产品现状的考虑，系统中采用美国GPS定位系统作为采集系统的定位模块。其中，本系统采用UBLOX公司的NEO6M作为日照采集系统GPS模块接收芯片，这款芯片能够在偏远或信号较弱的地区接收到卫星信号，定位精度最高可达2.5 m，能够很好地满足本系统的需要；能够提供较高的时间脉冲，其提供的脉冲时间精度能够达到15 ns，同时能够接收GPS完整信号；具有接收50个卫星信号通道的功能，能够接收不同系统的定位信号；接口通信协议简单，易于集成。GPS与STM32模块的通信［5］是通过串口实现的，本系统利用USART接收GPS模块的经纬度信息。GPS模块及其外围电路如图3所示。