第４３卷第５期 气 象科技 Ｖｏ１．４３，Ｎｏ．５ ２０１５年ｌ０月 ＭＥＴＥＯＲＯＬＯＧＩＣＡＩ ＳＣＩＥＮＣＥ ＡＮＤ ＴＥＣＨＮＯＩ ＯＧＹ （）ｃｔ． ２Ｏ１５ 基于５１单片机的气象数据无线传输系统的设计开发 左湘文 薛筝筝 肖建辉 黄玉学 孙嘉楠 （宁夏大气探测技术保障中心，银川７５０００２） 摘要针对自动气象站探测数据短距离无线传输的需要，设计了一套气象数据无线传输系统。系统由发送器、接 收器组成，基于５１单片机和ＮＲＦ９０５无线射频控制芯片开发。该系统对不同型号自动气象站具有良好的自适应 能力。实现了气象数据的无线传输、显示和存储。经测试系统在环境适应性和传输能力方面均达到了设计要求， 系统运行稳定、可靠。本文从工作原理，系统构成，硬件设计、单片机程序设计及系统测试几个方面对传输器开发 方法进行了详细介绍。 关键词 气象数据无线传输；５１单片机；ＮＲＦ９０５ 引言 接。接收器主要功能有：轮询接收各个发送器数据、 数据排队处理、在ＬＣＤ显示屏上显示数据并通过 随着气象服务在设施农业、风光发电、旅游等领 ＲＳ２３２串口将数据传给计算机。系统结构见图１。 域的深入，自动气象站ｌｌ】 被广泛的建设在温棚、风光 发电场和旅游景点中。服务对象往往希望能及时获 ２硬件设计 得具体的某一自动气象站的要素值口］，并能在本单 ２．１ 单片机控制部分 位的监控室或户外显示屏直接显示这些气象要素 发送器和接收器单片机控制部分的电路设计基 值Ｉ３］。若通过气象局网络服务器共享的方法来实 本相同。只是在接收器上增加了一块Ｉ ＣＤ１２８６４显 现 ］，既不具备及时性也会占用气象局网络资源。 示屏及其控制电路用于显示接收数据。发送器和接 所以，设计一个简易、实时的无线传输系统就很有意 收器电路板主要有单片机及其外围电路、ＮＲＦ９０５ 义了。本文提供了这样一个解决方案——以５１单 无线通讯和ＲＳ２３２串口通信３个部分组成。 片机作为控制单元，以ＮＲＦ９０５¨５］无线射频控 本系统采用信号为ＳＴＣ９０Ｃ５１６ＲＤ的５１单片 制芯片为基础实现无线传输，设计无线传输系统，实 机，它完全兼容８０５１指令集＿７］，价格便宜，性能稳 现自动气象站与用户监控端之间的无线数据传输。 定，应用程序存储空间达６１ Ｋ，便于存储大程序及 该系统运行稳定可靠，对多种型号采集板具有自适 程序扩展。ＮＲＦ９０５芯片是Ｎｏｒｄｉｃ公司开发的一 应能力，能够实现多机发送，单机接收。 款无线传输芯片 ］。ＮＲＦ９０５芯片在４３３／８６８／９１５ １ 系统构成 ＭＨｚ的ＩＳＭ频段上工作。该芯片集成了频率合成 器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块。 该系统主要由发送器、接收器组成。一台接收 ＮＲＦ９０５芯片工作在ＳｈｏｃｋＢｕｒｓｔ模式中，发送端自 器可与４台接收器进行通信。发送器安装在自动气 动产生前导码和ＣＲＣ（循环冗余码校验），并在接收 象站采集机箱内，与采集器通过ＲＳ２３２串口连 端自动处理数据包头和ＣＲＣ。ＮＲＦ９０５芯片支持 接 ］。发送器主要功能是同自动气象站通信握手、 ＳＰＩ接口通信方式。单片机ＳＴＣ９０Ｃ５１６ＲＤ没有 获取自动站数据、处理数据格式、发送数据；接收机 ＳＰＩ接口，但可以通过软件编程使ＳＴＣ９０Ｃ５１６ＲＤ 安装在监控端。与计算机等终端设备通过串口连 单片机的ＩＯ口模仿ＳＰＩｃ 工作方式来实现与 ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｑｘｋｊ．ｎｅｔ．ｃｎ气象科技 宁夏气象局青年基金资助 作者简介：左湘文，男，１９８４年生，工程师，主要从事气象探测技术研究，Ｅｍａｉｌ：ＸＵＸ一１ ９８４＠１６３．ｃｏｍ 收稿日期：２０１４年１Ｏ月１ｓ日；定稿日期：２０１４年１２月１ ７日 ８３２ 气 象 图５接收器程序流程 ４测试验证 ４．１环境适应性测试 主要测试在不同湿度、温度环境下系统接收器 与发送器是否能够正常工作，以达到验证系统环境 适应性好坏的目的。在实验室恒温恒湿箱中进行无 外壳裸机测试，设备在每个测试点下连续工作２小 时。每个测试点工作５次，若５次系统均运转正常， 则测试通过。测试结果表明：在不采取任何密封保 护的情况下，系统在日常自然环境内可以稳定运行。 在各个测试点的测试通过次数见表１。 表１ 环境适应性各测试点通过次数 注：“×”表示因测试环境无法达到而没有测试。 ４．２数据传输可靠性测试 主要验证距离对系统无线传输稳定性的影响。 科 技 第４３卷 测试环境为开阔平坦地带，进行接收器与发送器的 数据传输测试。发送器保持静止移动接收器。测试 距离选在１Ｏ～３００ ｒｎ之间。分为八个区间进行测 试，在每个区间范围内在不断移动接收器的情况下 接收５ｏ次数据，来查看系统的成功传输次数。测试 结果表明最大可靠传输距离为２０６ ｒｎ。距离测试点 成功次数数据见表２。 表２数据传输可靠性距离测试点成功次数 距离／ｍ 成功接收数据次数 ５ 结束语 该系统经过检验和测试后，在宁夏景观自动气 象站试运行了３个月，传输距离１３９ ＩＴＩ，有一堵墙遮 挡。试运行证明系统稳定、可靠，数据传输及时，达 到了预期效果。开发团队还在对系统进行不断的完 善，期望它能在公共气象服务领域做出更多的贡献。 参考文献 ［１］杨维军．自动气象站防雷电源切换器的设计开发［Ｊ］．气象科 技，２０１３，４１（６）：１０１３ １０１６． ［２］ 张克．一种基于单片机的高精度无线温度采集系统［Ｊ］．工业 加热，２Ｏ１１，４３（３）：６１ ６４． ［３３ 宋先居．地面气象观测数据实时传输及质量控制程序实现ＥＪ］． 气象科技，２０１１，３９（３）：３４４—３４７． ［４３谢伟．基于无线射频通信技术的气象数据采集系统［Ｊ］．电子 测量技术，２０１４（７）：１０７—１１０． Ｅｓ］ 张洁．基于ＭＳＰ４３０Ｆ１４９温湿度检测及ｎＲＦ９０５无线发送监 控系统［Ｊ］．工业控制计算机，２０１４，２７（５）：１３０ １３１． ［６］任燕．基于ＲＳ２３２接口的温度传感器自动检定系统设计［Ｊ］． 气象科技，２０１４，４２（３）：４０９ ４１２． ［７］边文超．基于ＡＶＲ单片机的风向传感器自动校准系统ＬＪ］． 气象科技，２０１２，４０（２）：１ ７５—１７９． Ｌ８］ 雷子浩．基于ｎＲＦ９０５的无线温度测量系统设计［Ｊ］．大连交通 大学学报，２０１４，３５（２）：１０８—１１１． ［９］ 边晓明．基于５１单片机和ＮＲＦ９０５模块的无线打分器设计与 制作Ｉ－Ｊ］．传感器世界，２０１３（２）：４０ ４３． ［１０］雷卫延．舒适度测量仪探测系统开发［Ｊ］．气象科技。２０１３，４１ （下转第８７９页） 第５期 站预警［Ｊ］．气象科技，２０１３，４１（３）：５６３ ５６８． 李国梁等：武汉地区雷电预警阈值研究 预报中的应用［Ｊ］．气象，２０１０，３６（１）：３１－４０． ８７９ Ｅ８］孟青，吕伟涛，姚雯，等．地面电场资料在雷电预警技术中的应 用ＥＪ］．气象，２００５，３１（９）：３０ ３３． Ｅ９］杨仲江，朱浩．地面电场仪测量数据的误差来源及分析处理 ［１３］杨国锋，汤达章，刘晓，等．一次强风暴天气闪电定位资料与雷 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ｔｈｅ ｔｈｒｅｓｈｏｌｄｓ ｉｎ Ｗｕｈａｎ ａｒｅ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ．Ｉｔ ｉｓ ｓｈｏｗｎ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｏｃｃｕｒｒｅｎｃｅ ｏｆ ｌｉｇｈｔｎｉｎｇ ｉｓ ｃｌｏｓｅｌｙ ｒｅｌａｔｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｏｆ ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｆｉｅｌｄ，ｒａｄａｒ ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｉｔｙ， ｈｅｉｇｈｔ ｏｆ ｅｃｈｏ ｔｏｐ．ａｎｄ ｖｅｒｔｉｃａｌｌｙ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｌｉｑｕｉｄ：ｔｈｅ ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ ｏｆ ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｆｉｅｌｄ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｉｓ ａｂｏｕｔ ２ ｋＶ／ｍ：ａｔ一１０℃ｈｅｉｇｈｔ，ｔｈｅ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ≥４０ ｄＢｚ；ｔｈｅ ｈｅｉｇｈｔ ｏｆ ｅｃｈｏ ｔｏｐ ｉｓ ａｂｏｕｔ ６ ｋｍ；ａｎｄ ＶＩＬ ≥１０ ｋｇ／ｍ ｉｎ Ｗｕｈａｎ ａｒｅａ，ｗｈｉｃｈ ａｒｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｍｏｎｔｈｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｗｕｈａｎ；ｌｉｇｈｔｎｉｎｇ ｗａｒｎｉｎｇ；ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ （上接第８３２页） Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌ Ｄａｔａ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ５１ ＳＣＭ Ｚｕｏ Ｘｉａｎｇｗｅｎ Ｘｕｅ Ｚｈｅｎｇｚｈｅｎｇ Ｘｉａｏ Ｊｉａｎｈｕｉ Ｈｕａｎｇ Ｙｕｘｕｅ Ｓｕｎ Ｊｉａｎａｎ （Ｎｉｎｇｘｉａ Ｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｓｕｐｐｏｒｔ Ｃｅｎｔｅｒ，Ｙｉｎｃｈｕａｎ ７５０００２） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｒ ｔｈｅ ｎｅｅｄｓ ｏｆ ｓｈｏｒｔ—ｒａｎｇｅ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌ ｓｔａｔｉｏｎ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｄａｔａ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ．ａ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌ ｄａｔａ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ． Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｃｏｎｓｉｓｔｓ ｏｆ ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ ａｎｄ ｒｅｃｅｉｖｅｒ，ｂａｓｅｄ ｏ１３ ｔｈｅ ５１ＳＣ：Ｍ ａｎｄ ＮＲＦ９０５ ｒａｄｉｏ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｈｉｐ，ａｎｄ Ｉｔ ｈａｓ ｇｏｏｄ ａｄａｐｔａｂｉｌｉｔｙ ｔｏ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｙｐｅｓ ｏｆ ａｕｔｏｍａｔｅｄ ｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌ ｓｔａｔｉｏｎｓ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｍａｋｅｓ ｉｔ ｐｏｓｓｉｂｌｅ ｔｏ ｔｒａｎｓｍｉｔ ｗｉｒｅｌｅｓｓｌｙ，ｄｉｓｐｌａｙ，ａｎｄ ｓｔｏｒａｇｅ ｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌ ｄａｔａ．Ａｓ ｂｅｉｎｇ ｔｅｓｔｅｄ，ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ｒｅａｃｈｅｄ ｔｈｅ ｒｅａ ｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｂｏｔｈ ｉｎ ｔｅｒｍｓ ｏｆ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａ１ ｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｃａｐａｃｉｔｙ．Ｉｔ ｒｕｎｓ ｓｔａｂｌｖ ａｎｄ ｒｅｌｉａｂｌｙ．Ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ，ｍａｉｎｌｙ ｆｒｏｍ ａｓｐｅｃｔｓ ｏ｛ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｈａｒｄｗａｒｅ，ｔｈｅ ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ ｏｆ ＳＣＭ，ａｎｄ ｔｈｅ ｔｅｓｔｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ａｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌ ｄａｔａ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ；５１ＳＣＭ；ＮＲＦｇ０５
