CN202676932U - 一种多通道气象观测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种多通道气象观测装置，包括控制与通信装置、传感器装置和电源装置，控制与通信装置包括CC2430芯片、晶振电路和单极天线，CC2430芯片分别与晶振电路和单极天线连接，传感器装置包括光传感器、温湿度传感器、气压传感器、风速传感器和风向传感器，各传感器分别与控制与通信装置连接，电源装置分别与控制与通信装置和传感器装置连接。本实用新型测量要素全面，体积小，成本低廉，适合大规模部署和应用，不仅能进行精细化的气象数据采集和分析，还能够满足恶劣环境下的气象观测，即使一部分节点遭到损坏，也不影响整个网络的运行，能够继续进行稳定的数据采集和传输。

Description

一种多通道气象观测装置

技术领域

    本实用新型属于气象领域，特别是涉及一种多通道气象观测装置。

背景技术

目前，气象观测主要通过两种途径实现，即人工观测和自动气象站观测。人工观测是借助仪器和目力对气象要素和气象现象进行的测量和判定，是最原始的气象观测方法，不仅耗费人力物力，而且观测时间和地点受到多种因素限制，观测误差也较大。自动气象站是一种无人操作，能自动定时观测、发报或记录的地面气象观测站，有多种类型，其结构基本相同，主要由传感器、采集器、系统电源、通信接口及外围设备等组成。目前，自动气象站的信息传输一般采用Internet网络和移动通信网络。自动气象站出现在很大程度上提高了气象观测和预警效率，但是由于自动气象站成本较高，体积较大、灵活性差，功耗大、对基础通信设施依赖性强，在大范围的应用和部署上受到了限制。 

伴随着微机电系统（MEMS）、片上系统（SOC）、无线通信和低功耗嵌入式技术的飞速发展，孕育出无线传感器网络(WSN)，并以其低功耗、低成本、分布式和自组织的特点带来了信息感知的一场变革。无线传感器网络就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络。无线传感器网络的上述特点使其在环境监测等领域得到了越来越广泛的应用。

由于实用的MEMS风速风向传感器还没有出现，而常规风向风速传感器与其它MEMS传感器如温度、湿度传感器在电源、功耗、体积和数据速率方面差异较大，目前应用于环境监测领域的传感网节点只能进行温度、湿度、光照等部分气象要素的监测，并不能满足气象观测的需要，因此，开发功能全面、高性价比的气象观测节点，构建稳定的气象无线传感器网络，将是对现有观测手段的良好补充和替代，也是气象观测领域未来发展的方向。

发明内容

为解决上述问题，本实用新型公开了一种多通道气象观测装置，能够进行光照、温度、湿度、气压、风速和风向六种气象要素采集的多通道气象观测，并为上层网络或处理平台提供数据。

本实用新型公开的一种多通道气象观测装置，包括控制与通信装置、传感器装置和电源装置，所述的控制与通信装置包括CC2430芯片、晶振电路和单极天线，所述的CC2430芯片分别与晶振电路和单极天线连接，所述的传感器装置包括光传感器、温湿度传感器、气压传感器、风速传感器和风向传感器，所述的光传感器、温湿度传感器、气压传感器、风速传感器和风向传感器分别与控制与通信装置连接，所述的电源装置分别与控制与通信装置和传感器装置连接。本实用新型集成了光照、温湿度、气压、风向和风速各类传感器，测量要素全面，实现了不同类型传感器在同一平台上的工作。

本实用新型公开的一种多通道气象观测装置的一种改进，所述的晶振电路为两个，分别为32MHz的晶振电路和32.768kHz的晶振电路，所述的32MHz的晶振电路与CC2430芯片的43和44引脚连接，所述的32.768kHz的晶振电路与CC2430芯片的19和21引脚连接。本改进通过在控制与通信装置上采用带有Zigbee射频前端的CC2430芯片，可以实现休眠模式下的低功耗，有效提高了CPU的使用率，从而达到节能的目的。

本实用新型公开的一种多通道气象观测装置的一种改进，所述的单极天线与CC2430芯片之间还设有不平衡变压器，所述的单极天线通过不平衡变压器优化后与CC2430芯片的32、33和34引脚连接。本改进通过在控制与通信装置上采用带有Zigbee射频前端的CC2430芯片，可以实现休眠模式下的低功耗，有效提高了CPU的使用率，从而达到节能的目的。

本实用新型公开的一种多通道气象观测装置的一种改进，所述的光传感器、温湿度传感器和气压传感器均为MEMS传感器，与控制与通信装置集成在同一电路板上，所述的风速传感器和风向传感器均为小型测风传感器，风速传感器和风向传感器通过接插件与电路板连接。本改进通过采用微型传感器和小型传感器，与目前常见的气象观测设备相比，体积大大减小，能耗大大降低，更加便于部署和安装；与价值数万元的自动气象站相比，本实用新型成本低廉，适合大规模部署和应用，并且进行精细化的气象数据采集和分析。

本实用新型公开的一种多通道气象观测装置的一种改进，所述的光传感器、温湿度传感器、气压传感器、风速传感器和风向传感器的输出端均与CC2430芯片的I/O口连接。本改进通过在控制与通信装置上采用带有Zigbee射频前端的CC2430芯片，可以实现休眠模式下的低功耗，有效提高了CPU的使用率，从而达到节能的目的。

本实用新型公开的一种多通道气象观测装置的又一种改进，所述的电源装置为锂电池或太阳能蓄电池，电源装置内部设有两AMS1117稳压芯片，并通过两片AMS1117稳压芯片产生3.3V和5V两路电压。本改进通过电源装置提供两路电压，实现了不同类型传感器在同一平台上的工作。 

本实用新型公开的一种多通道气象观测装置，集成了光照、温湿度、气压、风向和风速各类传感器，测量要素全面，体积小，成本低廉，适合大规模部署和应用，不仅能进行精细化的气象数据采集和分析，还能够满足恶劣环境下的气象观测，即使一部分节点遭到损坏，也不影响整个网络的运行，能够继续进行稳定的数据采集和传输。

附图说明

图1、本实用新型的示意图；

图2、本实用新型公开的控制与通信装置的电路图；

图3、本实用新型公开的传感器装置的电路图；

图4、本实用新型公开的电源装置的电路图；

图5、本实用新型公开的温湿度传感器的工作流程图；

图6、本实用新型公开的气压传感器的工作流程图；

图7、本实用新型公开的风俗传感器的工作流程图；

图8、本实用新型的工作流程图；

图9、本实用新型的工作原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本实用新型，应理解下述具体实施方式仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

如图1～图9所示，本实用新型公开的一种多通道气象观测装置，包括控制与通信装置、传感器装置和电源装置，所述的控制与通信装置包括CC2430芯片、晶振电路和单极天线，所述的CC2430芯片分别与晶振电路和单极天线连接，所述的传感器装置包括光传感器、温湿度传感器、气压传感器、风速传感器和风向传感器，所述的光传感器、温湿度传感器、气压传感器、风速传感器和风向传感器分别与控制与通信装置连接，所述的电源装置分别与控制与通信装置和传感器装置连接。本实用新型集成了光照、温湿度、气压、风向和风速各类传感器，测量要素全面，实现了不同类型传感器在同一平台上的工作。

作为一种优选，所述的晶振电路为两个，分别为32MHz的晶振电路和32.768kHz的晶振电路，所述的32MHz的晶振电路与CC2430芯片的43和44引脚连接，所述的32.768kHz的晶振电路与CC2430芯片的19和21引脚连接。本实用新型通过在控制与通信装置上采用带有Zigbee射频前端的CC2430芯片，可以实现休眠模式下的低功耗，有效提高了CPU的使用率，从而达到节能的目的。

作为一种优选，所述的单极天线与CC2430芯片之间还设有不平衡变压器，所述的单极天线通过不平衡变压器优化后与CC2430芯片的32、33和34引脚连接。本实用新型通过在控制与通信装置上采用带有Zigbee射频前端的CC2430芯片，可以实现休眠模式下的低功耗，有效提高了CPU的使用率，从而达到节能的目的。

作为一种优选，所述的光传感器、温湿度传感器和气压传感器均为MEMS传感器，与控制与通信装置集成在同一电路板上，所述的风速传感器和风向传感器均为小型测风传感器，风速传感器和风向传感器通过接插件与电路板连接。本实用新型通过采用微型传感器和小型传感器，与目前常见的气象观测设备相比，体积大大减小，能耗大大降低，更加便于部署和安装；与价值数万元的自动气象站相比，本实用新型成本低廉，适合大规模部署和应用，并且进行精细化的气象数据采集和分析。

作为一种优选，所述的光传感器、温湿度传感器、气压传感器、风速传感器和风向传感器的输出端均与CC2430芯片的I/O口连接。本实用新型通过在控制与通信装置上采用带有Zigbee射频前端的CC2430芯片，可以实现休眠模式下的低功耗，有效提高了CPU的使用率，从而达到节能的目的。

作为一种优选，所述的电源装置为锂电池或太阳能蓄电池，电源装置内部设有两AMS1117稳压芯片，并通过两片AMS1117稳压芯片产生3.3V和5V两路电压。本实用新型通过电源装置提供两路电压，实现了不同类型传感器在同一平台上的工作。 

工作过程：

如图2所示，控制与通信装置中采用了TI公司的CC2430芯片，其集成了一个工业级的8051单片机和一个CC2420无线收发模块，具有集控制、处理、无线通信于一体、仅需要较少的外围电路就能实现无线信号的收发功能。该芯片共有48个引脚，全部引脚可分为I/O端口线引脚、电源线引脚和控制线引脚，具体连接为：

22引脚和26引脚分别连接偏置电阻R221和R261，其中R221用于为32MHz的晶振电路设置精密偏置电流。 

19引脚和21引脚连接32MHz的晶振电路，与两个负载电阻C191和C211一起构成晶振电路。

43引脚和44引脚连接32.768kHz的晶振电路，与负载电容C431和C441一起构成晶振电路。

24引脚和42引脚分别连接电容C241和C421，用于维持芯片内稳压电源的正常运行。

32、33、34引脚连接射频电路，射频电路采用单极天线，为了优化性能，变压器部分采用不平衡变压器，不平衡变压器由C341、L341、L321、L331及一个PCB微波传输线构成。

如图3所示，传感器装置中包括光传感器D1、气压传感器U1、温湿度传感器U2、风速传感器和风向传感器，风速传感器与接插件P1连接，风向传感器与接插件P2连接。其中光传感器D1和风向传感器均采用输出为模拟量的传感器，温湿度传感器U2、气压传感器U1和风速传感器均采用输出为数字量的传感器。为减小整体体积和降低功耗，光传感器D1、温湿度传感器U2和气压传感器U1采用MEMS传感器，和控制与通信装置集成在一块电路板上，风速传感器和风向传感器均采用小型风杯传感器感器和风标传感器，通过接插件P1、P2与电路板相连接。

在以上硬件连接的基础上，基于TinyOS操作系统对本装置进行驱动程序和应用程序的开发，使其能够正常工作。其驱动程序的设计按照三层构架设计：硬件接口层HIL、硬件适配层HAL和硬件表示层HPL。应用程序包括头文件和通过接口相互关联的组件。应用程序控制节点进行传感器数据的读取和计算，完成路由功能，接收转发来自传感器和Zigbee网络中的数据。

光传感器采用光敏电阻，输出端连接CC2430芯片的通用I/O口P0_2，P0_2通过编程连接到片内A/D通道2上。光敏电阻使用3.3V供电电压，电阻R1用于分流，防止输入电流过大对芯片造成损害。

光传感器的驱动程序：光敏电阻输出的模拟信号通过CC2430芯片的ADC后转换为数字信号被处理单元读取，ADC的驱动程序已由系统自带组件实现，在使用时只需将HIL层的ADcC组件实例化为LightC组件，对外提供Read接口，通过调用Read接口里的命令，可以实现光传感器采集数据的读取。

温湿度传感器采用带有USART接口的SHT10数字温湿度传感器，其SCK引脚连接CC2430芯片的P1_7口，DATA引脚接CC2430芯片的P0_1引脚，P1_7和P0_1口通过软件设定为UART接口。

温湿度传感器的驱动程序：如图5所示，温湿度传感器通过USART传送数据，其驱动程序的HPL层组件实现对USART硬件接口的表示，HAL层使用USART组件提供的接口对SHT10的内部寄存器进行读写操作，HIL层的SHTC组件提供与硬件无关的标准Read接口，应用程序通过Read接口调用驱动程序读取传感器数据。

气压传感器采用BMP085数字高精度气压传感器，该传感器通过I2C接口与CC2430芯片相连接，SCL引脚和SDA引脚分别接CC2430芯片的P1_0和P1_1口，由于CC2430芯片本身不具备I2C接口，所以需通过软件模拟I2C接口。R2和R3分别是SCL引脚和SDA引脚的上拉电阻。

气压传感器驱动程序：如图6所示，气压传感器通过I2C总线与控制与通信装置通信，但CC2430芯片本身不具有I2C接口，需要通过软件来模拟I2C协议，HPL层的I2C组件实现了此功能，并向HAL层组件提供调用接口，HAL层的组件实现了按照I2C协议对气压数据的读取，HIL层的BMP085C组件通过Read接口向应用程序提供数据读取命令。

风速传感器采用输出为数字脉冲的小型风杯传感器，其输出作为外部计数脉冲与CC2430芯片的P1_3引脚连接，P1_3引脚通过软件设定为计数器T1输入端。

风速传感器驱动程序：如图7所示，风速传感器的输出为脉冲信号，脉冲频率与风速成比例关系，因此把风速传感器的输出作为计数器的输入，并使用定时器实现定时1s，定时器与计数器同时工作，这样1s内的计数次数就是此时的脉冲频率。其驱动程序的HPL层用到了系统组件TimerC，该组件可以实现定时功能。HAL层的组件实现了在定时周期内脉冲信号的计数。HPL层的FSC组件向应用程序提供Read接口。

风向传感器采用小型风标传感器，其输出信号为模拟信号，它的输出引脚接CC2430芯片的P0_3脚，P0_3引脚通过软件设定连接到A/D转换器的3通道。由于所选风向传感器的输出电压为0~2.5V，在CC2430芯片的电压承受范围内，因此不需要处理可直接接入。

风向传感器驱动程序：风向传感器输出模拟信号，其输出电压0~2.5V对应360°方向角，因此只需把输出端接到CC2430芯片的A/D转换通道上，经过采样、A/D转换即可得到风向数据，风向传感器的驱动可以通过实例化Adc组件来实现，它向外提供一个Read接口供应用程序调用。

如图4所示，电源装置由锂电池或太阳能蓄电池供电，并通过两片稳压电源芯片AMS1117产生3.3V和5V的电压。其中3.3V的稳压电源为CC2430芯片、光传感器、温湿度传感器和气压传感器供电，5V稳压电源为风速传感器和风向传感器供电。为提高电源的稳定性，稳压电源芯片的输入输出端分别接一个电容进行滤波。

应用程序的设计

应用程序包括头文件和组件，如图8所示，组件分为系统组件和自定义的组件。自定义的组件有核心处理组件和传感器实际值计算组件。核心处理组件实现了应用程序的总体功能，传感器实际值计算组件根据相关公式把驱动程序组件提供的传感器原始数据转换为实际物理量的值，如光照、温度、风速等。

如图9所示，在核心处理模块组件中通过Boot接口与系统组件MainC连接，关联系统启动，在Boot.booted事件里，设置定时器定时周期为30s，能够满足采集周期大于所有传感器的A/D转换时间之和。然后在提交的任务中设置传感器处理函数指针，每个传感器处理函数包含了一个传感器实际值计算的命令，再通过指针逐个调用各传感器处理函数，读取传感器实际数据，将得到的数据依次放入缓存，当传感器处理函数调用完毕，将得到的数据打包并通过射频电路发送到网络中。

传感器实际值计算组件对外提供一个接口，并实现了该接口中定义了五个命令，每个命令实现了一种传感器的原始数据到实际物理量的计算，并返回实际值。

各传感器的计算公式如下：

① 光照强度和大气压力计算公式：L(P)=k*CHL(CHP)

其中L(P)为实际光照强度(气压)，CHL(CHP)为从相应ADC通道读出的原始数据，k为比例系数。

② 温湿度计算模块中的计算公式：RHlinear=c1+c2*SORH+c3*SORH2

                               Temperature=d1+d2*SOT

其中RHlinear和Temperature为实际湿度值和温度，c1、c2、c3、d1、d2为校准系数。

③ 气压传感器模块中的算法：X1=(UT-AC6)*AC5/215

                              X2=MC*211/(X1+MD)

                        B5=X1+X2

                        B6=B5-4000

                        X1=(B2*(B6*B6/212))/211

                        X2=AC2*B6/211

                        X3=X1+X2

                        B3=((AC1*4+X3)<<OSS+2)/4

                        X1=AC3*B6/213

                        X2=(B1*(B6*B6/212))/216

                        X3=((X1+X2)+2)/22

                        B4=AC4*(unsigned long)(X3+32768)/215

                        B7=((unsigned long)UP-B3)*(50000>>OSS)

                        if(B7<0x80000000){p=(b7*2)/B4}

                        else{p=(B7/B4)*2}

                        X1=(p/28)*(p/28)

                        X1=(X1*3038)/216

                        X2=(-7357*p)/216

                        p=p+(X1+X2+3791)/24

其中AC1、AC2、AC3、AC4、AC5、AC6、B1、B2、MB、MC和MD为存储器E2PROM中的校准系数，UP为I2C接口中读出的原始压力值，p为实际气压值。

④ 风速传感器模块中的计算公式：V=F/12，其中V为风速，F为传感器输入到处理单元的脉冲频率。

本实用新型公开的一种多通道气象观测装置，集成了光照、温湿度、气压、风向和风速各类传感器，测量要素全面，体积小，成本低廉，适合大规模部署和应用，不仅能进行精细化的气象数据采集和分析，还能够满足恶劣环境下的气象观测，即使一部分节点遭到损坏，也不影响整个网络的运行，能够继续进行稳定的数据采集和传输。

本实用新型方案所公开的技术手段不仅限于上述技术手段所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。以上所述是本实用新型的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本实用新型的保护范围。

Claims (6)

1.一种多通道气象观测装置，其特征在于：它包括控制与通信装置、传感器装置和电源装置，所述的控制与通信装置包括CC2430芯片、晶振电路和单极天线，所述的CC2430芯片分别与晶振电路和单极天线连接，所述的传感器装置包括光传感器、温湿度传感器、气压传感器、风速传感器和风向传感器，所述的光传感器、温湿度传感器、气压传感器、风速传感器和风向传感器分别与控制与通信装置连接，所述的电源装置分别与控制与通信装置和传感器装置连接。

2.根据权利要求1所述的一种多通道气象观测装置，其特征在于：所述的晶振电路为两个，分别为32MHz的晶振电路和32.768kHz的晶振电路，所述的32MHz的晶振电路与CC2430芯片的43和44引脚连接，所述的32.768kHz的晶振电路与CC2430芯片的19和21引脚连接。

3.根据权利要求1所述的一种多通道气象观测装置，其特征在于：所述的单极天线与CC2430芯片之间还设有不平衡变压器，所述的单极天线通过不平衡变压器优化后与CC2430芯片的32、33和34引脚连接。

4.根据权利要求1所述的一种多通道气象观测装置，其特征在于：所述的光传感器、温湿度传感器和气压传感器均为MEMS传感器，与控制与通信装置集成在同一电路板上，所述的风速传感器和风向传感器均为小型测风传感器，风速传感器和风向传感器通过接插件与电路板连接。

5.根据权利要求4所述的一种多通道气象观测装置，其特征在于：所述的光传感器、温湿度传感器、气压传感器、风速传感器和风向传感器的输出端均与CC2430芯片的I/O口连接。

6.根据权利要求1所述的一种多通道气象观测装置，其特征在于：所述的电源装置为锂电池或太阳能蓄电池，电源装置内部设有两AMS1117稳压芯片，并通过两片AMS1117稳压芯片产生3.3V和5V两路电压。

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