專利名稱:一種多通道氣象觀測裝置的制作方法
技術領域:
本實用新型屬于氣象領域,特別是涉及一種多通道氣象觀測裝置。
技術背景 目前,氣象觀測主要通過兩種途徑實現(xiàn),即人工觀測和自動氣象站觀測。人工觀測是借助儀器和目力對氣象要素和氣象現(xiàn)象進行的測量和判定,是最原始的氣象觀測方法,不僅耗費人力物力,而且觀測時間和地點受到多種因素限制,觀測誤差也較大。自動氣象站是一種無人操作,能自動定時觀測、發(fā)報或記錄的地面氣象觀測站,有多種類型,其結構基本相同,主要由傳感器、采集器、系統(tǒng)電源、通信接口及外圍設備等組成。目前,自動氣象站的信息傳輸一般采用Internet網(wǎng)絡和移動通信網(wǎng)絡。自動氣象站出現(xiàn)在很大程度上提高了氣象觀測和預警效率,但是由于自動氣象站成本較高,體積較大、靈活性差,功耗大、對基礎通信設施依賴性強,在大范圍的應用和部署上受到了限制。伴隨著微機電系統(tǒng)(MEMS)、片上系統(tǒng)(S0C)、無線通信和低功耗嵌入式技術的飛速發(fā)展,孕育出無線傳感器網(wǎng)絡(WSN),并以其低功耗、低成本、分布式和自組織的特點帶來了信息感知的一場變革。無線傳感器網(wǎng)絡就是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成,通過無線通信方式形成的一個多跳自組織網(wǎng)絡。無線傳感器網(wǎng)絡的上述特點使其在環(huán)境監(jiān)測等領域得到了越來越廣泛的應用。由于實用的MEMS風速風向傳感器還沒有出現(xiàn),而常規(guī)風向風速傳感器與其它MEMS傳感器如溫度、濕度傳感器在電源、功耗、體積和數(shù)據(jù)速率方面差異較大,目前應用于環(huán)境監(jiān)測領域的傳感網(wǎng)節(jié)點只能進行溫度、濕度、光照等部分氣象要素的監(jiān)測,并不能滿足氣象觀測的需要,因此,開發(fā)功能全面、高性價比的氣象觀測節(jié)點,構建穩(wěn)定的氣象無線傳感器網(wǎng)絡,將是對現(xiàn)有觀測手段的良好補充和替代,也是氣象觀測領域未來發(fā)展的方向。
發(fā)明內(nèi)容為解決上述問題,本實用新型公開了一種多通道氣象觀測裝置,能夠進行光照、溫度、濕度、氣壓、風速和風向六種氣象要素采集的多通道氣象觀測,并為上層網(wǎng)絡或處理平臺提供數(shù)據(jù)。本實用新型公開的一種多通道氣象觀測裝置,包括控制與通信裝置、傳感器裝置和電源裝置,所述的控制與通信裝置包括CC2430芯片、晶振電路和單極天線,所述的CC2430芯片分別與晶振電路和單極天線連接,所述的傳感器裝置包括光傳感器、溫濕度傳感器、氣壓傳感器、風速傳感器和風向傳感器,所述的光傳感器、溫濕度傳感器、氣壓傳感器、風速傳感器和風向傳感器分別與控制與通信裝置連接,所述的電源裝置分別與控制與通信裝置和傳感器裝置連接。本實用新型集成了光照、溫濕度、氣壓、風向和風速各類傳感器,測量要素全面,實現(xiàn)了不同類型傳感器在同一平臺上的工作。本實用新型公開的一種多通道氣象觀測裝置的一種改進,所述的晶振電路為兩個,分別為32MHz的晶振電路和32. 768kHz的晶振電路,所述的32MHz的晶振電路與CC2430芯片的43和44引腳連接,所述的32. 768kHz的晶振電路與CC2430芯片的19和21引腳連接。本改進通過在控制與通信裝置上采用帶有Zigbee射頻前端的CC2430芯片,可以實現(xiàn)休眠模式下的低功耗,有效提高了 CPU的使用率,從而達到節(jié)能的目的。 本實用新型公開的一種多通道氣象觀測裝置的一種改進,所述的單極天線與CC2430芯片之間還設有不平衡變壓器,所述的單極天線通過不平衡變壓器優(yōu)化后與CC2430芯片的32、33和34引腳連接。本改進通過在控制與通信裝置上采用帶有Zigbee射頻前端的CC2430芯片,可以實現(xiàn)休眠模式下的低功耗,有效提高了 CPU的使用率,從而達到節(jié)能的目的。本實用新型公開的一種多通道氣象觀測裝置的一種改進,所述的光傳感器、溫濕度傳感器和氣壓傳感器均為MEMS傳感器,與控制與通信裝置集成在同一電路板上,所述的風速傳感器和風向傳感器均為小型測風傳感器,風速傳感器和風向傳感器通過接插件與電路板連接。本改進通過采用微型傳感器和小型傳感器,與目前常見的氣象觀測設備相比,體積大大減小,能耗大大降低,更加便于部署和安裝;與價值數(shù)萬元的自動氣象站相比,本實用新型成本低廉,適合大規(guī)模部署和應用,并且進行精細化的氣象數(shù)據(jù)采集和分析。本實用新型公開的一種多通道氣象觀測裝置的一種改進,所述的光傳感器、溫濕度傳感器、氣壓傳感器、風速傳感器和風向傳感器的輸出端均與CC2430芯片的I/O 口連接。本改進通過在控制與通信裝置上采用帶有Zigbee射頻前端的CC2430芯片,可以實現(xiàn)休眠模式下的低功耗,有效提高了 CPU的使用率,從而達到節(jié)能的目的。本實用新型公開的一種多通道氣象觀測裝置的又一種改進,所述的電源裝置為鋰電池或太陽能蓄電池,電源裝置內(nèi)部設有兩AMSl 117穩(wěn)壓芯片,并通過兩片AMSl 117穩(wěn)壓芯片產(chǎn)生3. 3V和5V兩路電壓。本改進通過電源裝置提供兩路電壓,實現(xiàn)了不同類型傳感器在同一平臺上的工作。本實用新型公開的一種多通道氣象觀測裝置,集成了光照、溫濕度、氣壓、風向和風速各類傳感器,測量要素全面,體積小,成本低廉,適合大規(guī)模部署和應用,不僅能進行精細化的氣象數(shù)據(jù)采集和分析,還能夠滿足惡劣環(huán)境下的氣象觀測,即使一部分節(jié)點遭到損壞,也不影響整個網(wǎng)絡的運行,能夠繼續(xù)進行穩(wěn)定的數(shù)據(jù)采集和傳輸。
圖I、本實用新型的示意圖;圖2、本實用新型公開的控制與通信裝置的電路圖;圖3、本實用新型公開的傳感器裝置的電路圖;圖4、本實用新型公開的電源裝置的電路圖;圖5、本實用新型公開的溫濕度傳感器的工作流程圖;圖6、本實用新型公開的氣壓傳感器的工作流程圖;圖7、本實用新型公開的風俗傳感器的工作流程圖;圖8、本實用新型的工作流程圖;圖9、本實用新型的工作原理圖。
具體實施方式
[0022]
以下結合附圖和具體實施方式
,進一步闡明本實用新型,應理解下述具體實施方式
僅用于說明本實用新型而不用于限制本實用新型的范圍。需要說明的是,下面描述中使用的詞語“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附圖中的方向,詞語“內(nèi)”和“外”分別指的是朝向或遠離特定部件幾何中心的方向。如圖I 圖9所示,本實用新型公開的一種多通道氣象觀測裝置,包括控制與通信裝置、傳感器裝置和電源裝置,所述的控制與通信裝置包括CC2430芯片、晶振電路和單極天線,所述的CC2430芯片分別與晶振電路和單極天線連接,所述的傳感器裝置包括光傳感器、溫濕度傳感器、氣壓傳感器、風速傳感器和風向傳感器,所述的光傳感器、溫濕度傳感器、氣壓傳感器、風速傳感器和風向傳感器分別與控制與通信裝置連接,所述的電源裝置分別與控制與通信裝置和傳感器裝置連接。本實用新型集成了光照、溫濕度、氣壓、風向和風速各類傳感器,測量要素全面,實現(xiàn)了不同類型傳感器在同一平臺上的工作。作為一種優(yōu)選,所述的晶振電路為兩個,分別為32MHz的晶振電路和32. 768kHz的晶振電路,所述的32MHz的晶振電路與CC2430芯片的43和44引腳連接,所述的32. 768kHz的晶振電路與CC2430芯片的19和21引腳連接。本實用新型通過在控制與通信裝置上采 用帶有Zigbee射頻前端的CC2430芯片,可以實現(xiàn)休眠模式下的低功耗,有效提高了 CPU的使用率,從而達到節(jié)能的目的。作為一種優(yōu)選,所述的單極天線與CC2430芯片之間還設有不平衡變壓器,所述的單極天線通過不平衡變壓器優(yōu)化后與CC2430芯片的32、33和34引腳連接。本實用新型通過在控制與通信裝置上采用帶有Zigbee射頻前端的CC2430芯片,可以實現(xiàn)休眠模式下的低功耗,有效提高了 CPU的使用率,從而達到節(jié)能的目的。作為一種優(yōu)選,所述的光傳感器、溫濕度傳感器和氣壓傳感器均為MEMS傳感器,與控制與通信裝置集成在同一電路板上,所述的風速傳感器和風向傳感器均為小型測風傳感器,風速傳感器和風向傳感器通過接插件與電路板連接。本實用新型通過采用微型傳感器和小型傳感器,與目前常見的氣象觀測設備相比,體積大大減小,能耗大大降低,更加便于部署和安裝;與價值數(shù)萬元的自動氣象站相比,本實用新型成本低廉,適合大規(guī)模部署和應用,并且進行精細化的氣象數(shù)據(jù)采集和分析。作為一種優(yōu)選,所述的光傳感器、溫濕度傳感器、氣壓傳感器、風速傳感器和風向傳感器的輸出端均與CC2430芯片的I/O 口連接。本實用新型通過在控制與通信裝置上采用帶有Zigbee射頻前端的CC2430芯片,可以實現(xiàn)休眠模式下的低功耗,有效提高了 CPU的使用率,從而達到節(jié)能的目的。作為一種優(yōu)選,所述的電源裝置為鋰電池或太陽能蓄電池,電源裝置內(nèi)部設有兩AMSl 117穩(wěn)壓芯片,并通過兩片AMSl 117穩(wěn)壓芯片產(chǎn)生3. 3V和5V兩路電壓。本實用新型通過電源裝置提供兩路電壓,實現(xiàn)了不同類型傳感器在同一平臺上的工作。工作過程如圖2所示,控制與通信裝置中采用了 TI公司的CC2430芯片,其集成了一個工業(yè)級的8051單片機和一個CC2420無線收發(fā)模塊,具有集控制、處理、無線通信于一體、僅需要較少的外圍電路就能實現(xiàn)無線信號的收發(fā)功能。該芯片共有48個引腳,全部引腳可分為I/O端口線引腳、電源線引腳和控制線引腳,具體連接為22引腳和26引腳分別連接偏置電阻R221和R261,其中R221用于為32MHz的晶振電路設置精密偏置電流。19引腳和21引腳連接32MHz的晶振電路,與兩個負載電阻C191和C211 —起構成晶振電路。43引腳和44引腳連接32. 768kHz的晶振電路,與負載電容C431和C441 一起構成晶振電路。24引腳和42引腳分別連接電容C241和C421,用于維持芯片內(nèi)穩(wěn)壓電源的正常運行。32、33、34引腳連接射頻電路,射頻電路采用單極天線,為了優(yōu)化性能,變壓器部分采用不平衡變壓器,不平衡變壓器由C341、L341、L321、L331及一個PCB微波傳輸線構成。如圖3所示,傳感器裝置中包括光傳感器D1、氣壓傳感器U1、溫濕度傳感器U2、風速傳感器和風向傳感器,風速傳感器與接插件Pl連接,風向傳感器與接插件P2連接。其中光傳感器Dl和風向傳感器均采用輸出為模擬量的傳感器,溫濕度傳感器U2、氣壓傳感器Ul和風速傳感器均采用輸出為數(shù)字量的傳感器。為減小整體體積和降低功耗,光傳感器D1、溫濕度傳感器U2和氣壓傳感器Ul采用MEMS傳感器,和控制與通信裝置集成在一塊電路板上,風速傳感器和風向傳感器均采用小型風杯傳感器感器和風標傳感器,通過接插件P1、P2與電路板相連接。在以上硬件連接的基礎上,基于TinyOS操作系統(tǒng)對本裝置進行驅動程序和應用程序的開發(fā),使其能夠正常工作。其驅動程序的設計按照三層構架設計硬件接口層HIL、硬件適配層HAL和硬件表示層HPL。應用程序包括頭文件和通過接口相互關聯(lián)的組件。應用程序控制節(jié)點進行傳感器數(shù)據(jù)的讀取和計算,完成路由功能,接收轉發(fā)來自傳感器和Zigbee網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)。光傳感器采用光敏電阻,輸出端連接CC2430芯片的通用I/O 口 P0_2,P0_2通過編程連接到片內(nèi)A/D通道2上。光敏電阻使用3. 3V供電電壓,電阻Rl用于分流,防止輸入電流過大對芯片造成損害。光傳感器的驅動程序光敏電阻輸出的模擬信號通過CC2430芯片的ADC后轉換為數(shù)字信號被處理單元讀取,ADC的驅動程序已由系統(tǒng)自帶組件實現(xiàn),在使用時只需將HIL層的ADcC組件實例化為LightC組件,對外提供Read接口,通過調(diào)用Read接口里的命令,可以實現(xiàn)光傳感器采集數(shù)據(jù)的讀取。溫濕度傳感器采用帶有USART接口的SHTlO數(shù)字溫濕度傳感器,其SCK引腳連接CC2430芯片的Pl_7 口,DATA引腳接CC2430芯片的P0_1引腳,Pl_7和P0_1 口通過軟件設定為UART接口。溫濕度傳感器的驅動程序如圖5所示,溫濕度傳感器通過USART傳送數(shù)據(jù),其驅動程序的HPL層組件實現(xiàn)對USART硬件接口的表示,HAL層使用USART組件提供的接口對SHTlO的內(nèi)部寄存器進行讀寫操作,HIL層的SHTC組件提供與硬件無關的標準Read接口,應用程序通過Read接口調(diào)用驅動程序讀取傳感器數(shù)據(jù)。氣壓傳感器采用BMP085數(shù)字高精度氣壓傳感器,該傳感器通過I2C接口與CC2430芯片相連接,SCL引腳和SDA引腳分別接CC2430芯片的P1_0和Pl_l 口,由于CC2430芯片本身不具備12C接口,所以需通過軟件模擬I2C接口。R2和R3分別是SCL引腳和SDA引腳的上拉電阻。[0043]氣壓傳感器驅動程序如圖6所示,氣壓傳感器通過I2C總線與控制與通信裝置通信,但CC2430芯片本身不具有I2C接口,需要通過軟件來模擬I2C協(xié)議,HPL層的I2C組件實現(xiàn)了此功能,并向HAL層組件提供調(diào)用接口,HAL層的組件實現(xiàn)了按照I2C協(xié)議對氣壓數(shù)據(jù)的讀取,HIL層的BMP085C組件通過Read接口向應用程序提供數(shù)據(jù)讀取命令。風速傳感器采用輸出為數(shù)字脈沖的小型風杯傳感器,其輸出作為外部計數(shù)脈沖與CC2430芯片的Pl_3引腳連接,Pl_3引腳通過軟件設定為計數(shù)器Tl輸入端。風速傳感器驅動程序如圖7所示,風速傳感器的輸出為脈沖信號,脈沖頻率與風速成比例關系,因此把風速傳感器的輸出作為計數(shù)器的輸入,并使用定時器實現(xiàn)定時ls,定時器與計數(shù)器同時工作,這樣Is內(nèi)的計數(shù)次數(shù)就是此時的脈沖頻率。其驅動程序的HPL層用到了系統(tǒng)組件TimerC,該組件可以實現(xiàn)定時功能。HAL層的組件實現(xiàn)了在定時周期內(nèi)脈沖信號的計數(shù)。HPL層的FSC組件向應用程序提供Read接口。風向傳感器米用小型風標傳感器,其輸出信號為模擬信號,它的輸出引腳接 CC2430芯片的P0_3腳,P0_3引腳通過軟件設定連接到A/D轉換器的3通道。由于所選風向傳感器的輸出電壓為(Γ2. 5V,在CC2430芯片的電壓承受范圍內(nèi),因此不需要處理可直接接入。風向傳感器驅動程序風向傳感器輸出模擬信號,其輸出電壓0 2. 5V對應360°方向角,因此只需把輸出端接到CC2430芯片的A/D轉換通道上,經(jīng)過采樣、A/D轉換即可得到風向數(shù)據(jù),風向傳感器的驅動可以通過實例化Adc組件來實現(xiàn),它向外提供一個Read接口供應用程序調(diào)用。如圖4所示,電源裝置由鋰電池或太陽能蓄電池供電,并通過兩片穩(wěn)壓電源芯片AMSl117產(chǎn)生3. 3V和5V的電壓。其中3. 3V的穩(wěn)壓電源為CC2430芯片、光傳感器、溫濕度傳感器和氣壓傳感器供電,5V穩(wěn)壓電源為風速傳感器和風向傳感器供電。為提高電源的穩(wěn)定性,穩(wěn)壓電源芯片的輸入輸出端分別接一個電容進行濾波。應用程序的設計應用程序包括頭文件和組件,如圖8所示,組件分為系統(tǒng)組件和自定義的組件。自定義的組件有核心處理組件和傳感器實際值計算組件。核心處理組件實現(xiàn)了應用程序的總體功能,傳感器實際值計算組件根據(jù)相關公式把驅動程序組件提供的傳感器原始數(shù)據(jù)轉換為實際物理量的值,如光照、溫度、風速等。如圖9所示,在核心處理模塊組件中通過Boot接口與系統(tǒng)組件MainC連接,關聯(lián)系統(tǒng)啟動,在Boot, booted事件里,設置定時器定時周期為30s,能夠滿足采集周期大于所有傳感器的A/D轉換時間之和。然后在提交的任務中設置傳感器處理函數(shù)指針,每個傳感器處理函數(shù)包含了一個傳感器實際值計算的命令,再通過指針逐個調(diào)用各傳感器處理函數(shù),讀取傳感器實際數(shù)據(jù),將得到的數(shù)據(jù)依次放入緩存,當傳感器處理函數(shù)調(diào)用完畢,將得到的數(shù)據(jù)打包并通過射頻電路發(fā)送到網(wǎng)絡中。傳感器實際值計算組件對外提供一個接口,并實現(xiàn)了該接口中定義了五個命令,每個命令實現(xiàn)了一種傳感器的原始數(shù)據(jù)到實際物理量的計算,并返回實際值。各傳感器的計算公式如下①光照強度和大氣壓力計算公式L(P) =k*CHL(CHP)其中L(P)為實際光照強度(氣壓),CHL(CHP)為從相應ADC通道讀出的原始數(shù)據(jù),k為比例系數(shù)。②溫 濕度計算模塊中的計算公式RHlinear=cl+c2*S0RH+c3*S0RH2Temperature=dl+d2*S0T其中RHlinear和Temperature為實際濕度值和溫度,cl、c2、c3、dl、d2為校準系數(shù)。③氣壓傳感器模塊中的算法X1=(UT_AC6)*AC5/215X2=MC*211/(X1+MD)B5=X1+X2B6=B5-4000X1=(B2*(B6*B6/212))/211X2=AC2*B6/211X3=X1+X2B3=((ACl*4+X3)〈〈0SS+2)/4X1=AC3*B6/213X2= (BI* (B6*B6/212) )/216X3=((Xl+X2)+2)/22B4=AC4*(unsigned long) (X3+32768)/215B7=( (unsigned long) UP-B3) * (50000>>0SS)if(B7<0x80000000){p=(b7*2)/B4}else{p=(B7/B4)*2}Xl= (p/28)* (p/28)X1=(X1*3038)/216X2=(_7357*p)/216p=p+(Xl+X2+3791)/24其中AC1、AC2、AC3、AC4、AC5、AC6、B1、B2、MB、MC 和 MD 為存儲器 E2PR0M 中的校準系數(shù),UP為12C接口中讀出的原始壓力值,P為實際氣壓值。④風速傳感器模塊中的計算公式V=F/12,其中V為風速,F(xiàn)為傳感器輸入到處理單元的脈沖頻率。本實用新型公開的一種多通道氣象觀測裝置,集成了光照、溫濕度、氣壓、風向和風速各類傳感器,測量要素全面,體積小,成本低廉,適合大規(guī)模部署和應用,不僅能進行精細化的氣象數(shù)據(jù)采集和分析,還能夠滿足惡劣環(huán)境下的氣象觀測,即使一部分節(jié)點遭到損壞,也不影響整個網(wǎng)絡的運行,能夠繼續(xù)進行穩(wěn)定的數(shù)據(jù)采集和傳輸。本實用新型方案所公開的技術手段不僅限于上述技術手段所公開的技術手段,還包括由以上技術特征任意組合所組成的技術方案。以上所述是本實用新型的具體實施方式
,應當指出,對于本技術領域的普通技術人員來說,在不脫離本實用新型原理的前提下,還可以做出若干改進和潤飾,這些改進和潤飾也視為本實用新型的保護范圍。
權利要求1.一種多通道氣象觀測裝置,其特征在于它包括控制與通信裝置、傳感器裝置和電源裝置,所述的控制與通信裝置包括CC2430芯片、晶振電路和單極天線,所述的CC2430芯片分別與晶振電路和單極天線連接,所述的傳感器裝置包括光傳感器、溫濕度傳感器、氣壓傳感器、風速傳感器和風向傳感器,所述的光傳感器、溫濕度傳感器、氣壓傳感器、風速傳感器和風向傳感器分別與控制與通信裝置連接,所述的電源裝置分別與控制與通信裝置和傳感器裝置連接。
2.根據(jù)權利要求I所述的一種多通道氣象觀測裝置,其特征在于所述的晶振電路為兩個,分別為32MHz的晶振電路和32. 768kHz的晶振電路,所述的32MHz的晶振電路與CC2430芯片的43和44引腳連接,所述的32. 768kHz的晶振電路與CC2430芯片的19和21引腳連接。
3.根據(jù)權利要求I所述的一種多通道氣象觀測裝置,其特征在于所述的單極天線與CC2430芯片之間還設有不平衡變壓器,所述的單極天線通過不平衡變壓器優(yōu)化后與CC2430芯片的32、33和34引腳連接。
4.根據(jù)權利要求I所述的一種多通道氣象觀測裝置,其特征在于所述的光傳感器、溫濕度傳感器和氣壓傳感器均為MEMS傳感器,與控制與通信裝置集成在同一電路板上,所述的風速傳感器和風向傳感器均為小型測風傳感器,風速傳感器和風向傳感器通過接插件與電路板連接。
5.根據(jù)權利要求4所述的一種多通道氣象觀測裝置,其特征在于所述的光傳感器、溫濕度傳感器、氣壓傳感器、風速傳感器和風向傳感器的輸出端均與CC2430芯片的I/O 口連接。
6.根據(jù)權利要求I所述的一種多通道氣象觀測裝置,其特征在于所述的電源裝置為鋰電池或太陽能蓄電池,電源裝置內(nèi)部設有兩AMS1117穩(wěn)壓芯片,并通過兩片AMS1117穩(wěn)壓芯片產(chǎn)生3. 3V和5V兩路電壓。
專利摘要本實用新型公開了一種多通道氣象觀測裝置,包括控制與通信裝置、傳感器裝置和電源裝置,控制與通信裝置包括CC2430芯片、晶振電路和單極天線,CC2430芯片分別與晶振電路和單極天線連接,傳感器裝置包括光傳感器、溫濕度傳感器、氣壓傳感器、風速傳感器和風向傳感器,各傳感器分別與控制與通信裝置連接,電源裝置分別與控制與通信裝置和傳感器裝置連接。本實用新型測量要素全面,體積小,成本低廉,適合大規(guī)模部署和應用,不僅能進行精細化的氣象數(shù)據(jù)采集和分析,還能夠滿足惡劣環(huán)境下的氣象觀測,即使一部分節(jié)點遭到損壞,也不影響整個網(wǎng)絡的運行,能夠繼續(xù)進行穩(wěn)定的數(shù)據(jù)采集和傳輸。
文檔編號G08C17/02GK202676932SQ201220345639
公開日2013年1月16日 申請日期2012年7月17日 優(yōu)先權日2012年7月17日
發(fā)明者周杰, 羅希昌, 杜景林 申請人:南京信息工程大學