CN204242380U

CN204242380U - 基于2.4g无线传输的分布式自动气象站

Info

Publication number: CN204242380U
Application number: CN201420608750.2U
Authority: CN
Inventors: 罗宏; 罗希昌; 周杰
Original assignee: Nanjing University of Information Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Information Science and Technology
Priority date: 2015-01-07
Filing date: 2015-01-07
Publication date: 2015-04-01
Anticipated expiration: 2025-01-07

Abstract

本实用新型公开了一种基于2．4G无线传输的分布式自动气象站，包括采集器和若干个智能传感器，主采集器和智能传感器之间使用2.4G无线传输的方式进行数据传输；所述的智能传感器由传感模块、处理与通信模块和传感器电源模块构成，采集器由处理与通信模块、本地通信接口模块、远程通信模块和采集器电源模块构成。本实用新型的采用标准的2.4G无线通信传输方式，提高了自动气象站部署的灵活性，节省了电缆，还避免了因电缆老化带来的干扰和故障。

Description

基于2.4G无线传输的分布式自动气象站

技术领域

本实用新型涉及气象观测仪表领域，特别涉及一种基于2.4G无线传输的分布式自动气象站。

背景技术

目前我们所使用的自动站一般都是集中式的，传感器将温度、湿度、气压、风向风速等物理现象转换成电信号输出，数据采集器再对电信号进行测量值的变换，生成我们所需要的气象数据。由于电信号输出的传感器依赖于数据集中器，所以不同厂家生产的自动气象站的传感器独立性不强，互换性极差。此外，集中式自动气象站的测量精度不但受传感器本身精度影响，还与采集器测量通道的线性度、采集器转换电信号的匹配度等多方面因素有关，因此，为了保证集中式自动气象站观测数据的准确性，从理论上讲，每次维修或更换传感器，都必须进行标校，而标校这些设备必须整机进行，使得整个过程过于复杂。对于这些弊端，基于分布式结构的自动气象站可以很好地解决，成为自动气象站的发展趋势之一。

分布式自动气象站里所采用的智能传感器不同于普通的传感器，区别在于智能传感器不是直接输出电信号，而是将电信号经过信号变换、采样计算，直接输出我们所需要的气象数据，一个智能传感器实际上就是一个一体化的单要素自动气象站。分布式自动气象站所谓的“分布”，一方面是指硬件设备不是集中在一起，而是分散在一个相对广泛的区域里,通过一条数据总线把各个部件连接起来；另一方面是指硬件各部分相对独立，数据采集分散在各个智能传感器里面。智能传感器通过现场总线与主采集器（或计算机）进行通信。目前已经出现的分布式自动气象站主要有基于RS485总线和基于CAN总线的自动气象站，如公开号为CN1760696A的专利说明了一种基于现场总线的自动气象站，该装置由一个主采集器和一个分采集器构成，主采集器和分采集器均带有CAN接口且通过现场总线相连接，分采集器带有气象传感器，传感器输出的电信号在分采集器内进行变换和处理形成气象数据，然后通过CAN总线传输给主采集器。

基于现场总线的分布式自动气象站，传感器独立性好，由于其标校针对单个传感器进行，使得标校工作大大简化，相对集中式自动气象站，基于现场总线的分布式自动气象站更为简便灵活，在技术上有了很大进步。然而基于现场总线的自动气象站仍然使用有线传输的方式，没有摆脱对电缆的依赖。这会产生两个明显的问题，第一是铺设电缆增加了成本，第二是自动气象站常年部署在野外，经受各种自然因素的侵蚀，尤其在一些环境恶劣的地区，线缆会出现老化，线路老化后容易产生干扰和线路故障，降低了系统的稳定性。

实用新型内容

为解决上述问题，本实用新型公开了一种基于2.4G无线传输的分布式自动气象站。

为了达到上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种基于2.4G无线传输的分布式自动气象站，包括采集器和若干个智能传感器，主采集器和智能传感器之间使用2.4G无线传输的方式进行数据传输；所述的智能传感器由传感模块、处理与通信模块和传感器电源模块构成，传感模块将温度、湿度、气压等物理现象转换为电信号输出到处理与通信模块，处理与通信模块包括处理单元和2.4G无线通信单元，处理单元接收传感模块输出的电信号，经过处理后转换为气象数据，然后再通过无线通信单元把数据发送给采集器，传感器电源模块包括锂电池、电源管理电路和电压转换电路，电源管理电路对锂电池的充放电进行管理，电压转换电路为处理与通信模块和传感器模块转换出合适的工作电压；所述的采集器由处理与通信模块、本地通信接口模块、远程通信模块和采集器电源模块构成，其中处理与通信模块负责与智能传感器通信并对数据进行处理，本地通信模块用于连接近程监控主机；远程通信模块接入Internet，将数据通过互联网传送到远程数据中心，采集器电源模块为采集器供电。

作为本实用新型的一种优选，所述的传感模块包括敏感元件和变送单元，敏感元件主要是将温度、湿度、气压等物理量转换为电信号；变送单元对电信号进行放大、变换，输出适合处理单元接收的电信号。

作为本实用新型的一种优选，在所述的传感模块包括敏感元件、变送单元以及补偿模块，敏感元件主要是将温度、湿度、气压等物理量转换为电信号；变送单元对电信号进行放大、变换，输出适合处理单元接收的电信号，补偿模块用于修正输出电信号。

作为本实用新型的一种优选，所述的处理与通信模块采用CC2530芯片。

作为本实用新型的一种优选，所述的本地通信接口为RS232接口模块，采集器与监控主机使用RS232串口线连接，进行气象数据的传输。

作为本实用新型的一种优选，所述的远程通信模块为GPRS模块，GPRS模块与处理与通信模块通过串口相连接。

有益效果：

（1）本实用新型采用分布式结构，传感器和采集器硬件独立，自动气象站的标校过程只需针对智能传感器进行，不需要整机进行，简化了标校过程。

（2）本实用新型采用分布式结构，智能传感器与采集器之间采用统一标准的2.4G无线接口，不同厂家的生产的传感器和采集器可以相互兼容，而且对自动气象站进行升级和维护也非常方便。

（3）本实用新型采用分布式结构，气象数据在智能传感器中已经形成，而不需要通信过信号线送到采集器中形成，因此，减少了传输通道中引入的误差，提高了数据精度。

（4）本实用新型的采集器与智能传感器之间采用标准的2.4G无线通信传输方式，提高了自动气象站部署的灵活性，现有自动站的传感器与采集器都还是通过有线方式（信号线或现场总线）连接的，这在自动站部署时会受到部署环境限制，而使用了无线通信方式之后，采集器和智能传感器只要在一定距离内，可以任意安放，不受地形等其它因素影响。

（5）本实用新型的采集器与智能传感器之间采用标准的2.4G无线通信方式，节省了电缆，还避免了因电缆老化带来的干扰和故障。

附图说明

图1为本实用新型的基于2.4G无线传输的分布式自动气象站的系统图；

图2为本实用新型的智能传感器结构图；

图3为本实用新型的采集器结构图；

图4为本实用新型的智能传感器与2.4G通信模块电路原理图；

图5为本实用新型的智能传感器电源模块电路原理图；

图6为本实用新型的采集器近程通信接口电路原理图；

图7为本实用新型的采集器GPRS模块与SIM卡的连接原理图。

具体实施方式

以下将结合具体实施例对本实用新型提供的技术方案进行详细说明，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。

如图1所示为本实用新型的基于2.4G无线传输的分布式自动气象站的系统图，本实用新型由采集器、温度智能传感器、湿度智能传感器、气压智能传感器、风向智能传感器、风速智能传感器和雨量智能传感器构成，采集器和智能传感器之间实用2.4G的射频信号进行通信。

如图2所示，本实用新型的智能传感器由传感器模块，处理与通信模块和传感器电源模块构成。其中传感器模块包括感应元件、变送单元和补偿单元；处理与通信模块包括控制单元和无线通信单元，传感器电源模块包括充电控制电路、锂电池、放电控制电路和电压变换电路。温度、湿度、气压和风向传感器通过ADC接口与处理单元相连，风速、雨量传感器通过计数器接口与处理单元相连接。

如图3所示，本实用新型的采集器由CC2530，RS232接口，GPRS模块和采集器电源模块构成，CC2530通过UART口扩展出RS232口，GPRS模块和CC2530通过串口相连接。采集器电源为CC2530提供3V的电压，为GPRS模块提供5V的电压。

如图4所示，智能传感器的处理与通信模块以CC2530系统芯片为核心，外围电路包括了晶振电路和RF匹配电路。CC2530需要两个晶振，32MHZ 的晶振X1和两个27pF的负载电容C231、C232构成第一个晶振电路；32KHZ 的晶振X2和两个15pF的负载电容C321、C331构成第二个晶振电路。X1的系统时钟是芯片的主时钟，驱动整个芯片的运行；X2的时钟系统用来支持低功耗MAC协议的运行。使节点可以工作在低功耗模式。CC2530的天线使用50Ω的鞭状天线，匹配网络由电容C251、C252、C253、C261、C262和电感L252、L261组成。

如图5所示，在传感器电源模块中，电源管理电路由一片FDFMA2P853和一片LTC4054实现。其中LTC4054是凌特公司生产的单节锂离子电池充电芯片，LTC4054能从USB供电工作，供电电压设定在4.2V，充电电流可由单个外接电阻控制，当达到最后浮充电压4.2V后，充电电流降至设定值的1/10时，LTC4054自动终止充电周期，当输入电源中断时LTC4054自动进入超低电流状态，电池消耗电流小于2uA，LTC4054进入关闭状态后电源电流降至25uA。FDFMA2P853芯片集成了一个MOS管和一个二极管，最大支持1A的电流通过。当有外接电源对锂电池充电时，FDFMA2P853可以控制外接电源直接对系统供电。锂电池的输出电压约为3.7V，这并不符合CC2530片和气象传感器的工作电压，为了满足系统的电压需求，电压变换电路使用了一片GS3406和一片ME2108A50PG，分别变换出5V电压和3.3V电压，3.3V电压为处理与通信模块供电，5V电压为传感模块供电。

如图6所示，采集器的RS232接口使用CC2530的UART接口进行扩展，UART接口连接电平转换芯片MAX3232。该接口用于与本地监控主机进行通信。UART0的扩展电路如图6所示。

如图7所示，采集器的GPRS模块选用华为公司的GTM900C为GPRS网络接入模块。GTM900C与S3C6410通过RS232接口连接。GTM900C与SIM卡的连接如图7所示，SIM卡的第1引脚(VCC)与GTM900C的第19引脚相连接，第2引脚（RESET）与GTM900C的第25引脚相连接，第3引脚（CLK）与SIM卡的第23引脚连接,第4引脚接地，第5引脚悬空，第6引脚为SIM卡的数据线，与GTM900C的第21引脚相连。

Claims

1.一种基于2．4G无线传输的分布式自动气象站，其特征在于：包括采集器和若干个智能传感器，主采集器和智能传感器之间使用2.4G无线传输的方式进行数据传输；所述的智能传感器由传感模块、处理与通信模块和传感器电源模块构成，传感模块将温度、湿度、气压等物理现象转换为电信号输出到处理与通信模块，处理与通信模块包括处理单元和2.4G无线通信单元，处理单元接收传感模块输出的电信号，经过处理后转换为气象数据，然后再通过无线通信单元把数据发送给采集器，传感器电源模块包括锂电池、电源管理电路和电压转换电路，电源管理电路对锂电池的充放电进行管理，电压转换电路为处理与通信模块和传感器模块转换出合适的工作电压；所述的采集器由处理与通信模块、本地通信接口模块、远程通信模块和采集器电源模块构成，其中处理与通信模块负责与智能传感器通信并对数据进行处理，本地通信模块用于连接近程监控主机；远程通信模块接入Internet，将数据通过互联网传送到远程数据中心，采集器电源模块为采集器供电。

2.根据权利要求1所述的基于2．4G无线传输的分布式自动气象站，其特征在于：所述的传感模块包括敏感元件和变送单元，敏感元件主要是将温度、湿度、气压物理量转换为电信号；变送单元对电信号进行放大、变换，输出适合处理单元接收的电信号。

3.根据权利要求1所述的基于2．4G无线传输的分布式自动气象站，其特征在于：在所述的传感模块包括敏感元件、变送单元以及补偿模块，敏感元件主要是将温度、湿度、气压物理量转换为电信号；变送单元对电信号进行放大、变换，输出适合处理单元接收的电信号，补偿模块用于修正输出电信号。

4.根据权利要求1所述的基于2．4G无线传输的分布式自动气象站，其特征在于：所述的处理与通信模块采用CC2530芯片。

5.根据权利要求1所述的基于2．4G无线传输的分布式自动气象站，其特征在于：所述的本地通信接口为RS232接口模块，采集器与监控主机使用RS232串口线连接，进行气象数据的传输。

6.根据权利要求1所述的基于2．4G无线传输的分布式自动气象站，其特征在于：所述的远程通信模块为GPRS模块，GPRS模块与处理与通信模块通过串口相连接。