摘要：設計了一種氣象數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)能采集溫度、濕度、氣壓、風速4個氣象要素，采集的原始數(shù)據(jù)保存在本地SD卡中，同時對采集數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理，處理后的數(shù)據(jù)打包成氣象數(shù)據(jù)包，使用GPRS模塊將數(shù)據(jù)包通過GSM網(wǎng)絡上傳到上位機。采集系統(tǒng)主控制器使用基于Conex—M3內(nèi)核的STM32處理器，在處理器上移植μc／os—II實時操作系統(tǒng)作為軟件平臺，保證了數(shù)據(jù)采集中較好的實時性和穩(wěn)定性。在數(shù)據(jù)處理方面，參考地面觀測規(guī)范對溫度、濕度、氣壓采用篩除大小值取算術平均的算法，對風速測量數(shù)據(jù)采用滑動平均算法。經(jīng)實驗驗證，系統(tǒng)正常運行，測量精度達到設計要求，具有成本低廉，精度高，具有較好的實時性和穩(wěn)定性。
關鍵詞：Correx-M3；STM32；氣象數(shù)據(jù)采集；μc／os—II

0 引言
    隨著我國氣象事業(yè)的快速發(fā)展，人們對氣象信息采集的要求也越來越高，傳統(tǒng)的人工操作和讀數(shù)不僅勞動效率低下，而且容易出現(xiàn)人為錯誤，已無法滿足現(xiàn)代氣象觀測的要求，近些年，電子技術的快速發(fā)展為氣象數(shù)據(jù)采集技術的更新和設備換代提供了條件，Cortex—M3基于ARM公司最新的v7平臺，它的數(shù)據(jù)處理能力是ARM7的兩倍，而功耗只有ARM7的1／3，低廉的價格使其具有很高的性價比，在Cortex-M3上移植μc／os—II實時操作系統(tǒng)保證了系統(tǒng)的實時性和穩(wěn)定性，其具有的諸多優(yōu)點非常適合存自動氣象數(shù)據(jù)采集領域使用。

1 系統(tǒng)整體設計
    整個氣象數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件主要由氣象數(shù)據(jù)采集傳感器模塊、主控制模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、數(shù)據(jù)發(fā)送模塊以及上位機接收模塊組成。傳感器采集模塊在主控制器的驅動下完成溫度、濕度、氣壓、風速數(shù)據(jù)的采集，主控制模塊由使用Cortex—M3內(nèi)核的STM32處理器的最小系統(tǒng)組成，完成對數(shù)據(jù)采集傳感器模塊的控制以及對采集數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)處理工作，數(shù)據(jù)處理按照《地面氣象規(guī)范2003》的基本要求執(zhí)行，數(shù)據(jù)存儲模塊使用SD卡來完成測量數(shù)據(jù)的本地備份，處理完的數(shù)據(jù)打包成氣象數(shù)據(jù)包使用GPRS模塊通過GSM網(wǎng)絡發(fā)送至上位機，上位機模塊由GPRS模塊和PC組成，上位機通過GSM網(wǎng)絡接收測量數(shù)據(jù)并進一步處理，整體結構如圖1所示。

2 氣象數(shù)據(jù)采集模塊
    系統(tǒng)氣壓采集模塊使用BMP085數(shù)字氣壓傳感器，其和STM32通信使用標準的IIC協(xié)議，其內(nèi)置的EEPROM中存儲了補償計算需要的11個參數(shù)，它們是11個連續(xù)存儲的16位數(shù)據(jù)，存儲地址為0XAA～0XBF，當STM32在讀取了測量數(shù)據(jù)后需要通過補償計算得到單位為hpa的測量數(shù)據(jù)。溫濕度采集模塊使用AM2301數(shù)字溫濕度復合傳感器，其與STM32通信使用單總線通信協(xié)議，該模塊內(nèi)置了一個8位的MCU，能自動完成數(shù)據(jù)的測量工作，當STM32得到了總線的控制權后，輸出低電平大于800μs后，AM2301模塊就得到了總線控制權并輸出80μs的低電平作為響應信號并馬上連續(xù)輸出40bit的測量數(shù)據(jù)，測量數(shù)據(jù)格式為：40bit=濕度高8位+濕度低8位+溫度高8位+溫度低8位+校驗位，其中校驗位=濕度高位+濕度低位+溫度高位+溫度低位。風速采集模塊使用FY-FS風杯式風速傳感器，風吹動風杯轉動會把風速信號轉化為脈沖信號輸出，STM32使用外部中斷和定時中斷來捕獲脈沖頻率并通過計算得到實時風速值。處理完成的數(shù)據(jù)存儲在SD卡中，SD卡是一種存儲容量為1 G的FLASH產(chǎn)品，與STM32通過SPI協(xié)議通訊。數(shù)據(jù)發(fā)送模塊使用SIM300，利用短信息方式(TEXT模式)通過GSM網(wǎng)絡與上位機通信，STM32使用AT指令通過串口與SIM300通信，上位機使用SIM300模塊接收測量數(shù)據(jù)進行下一步處理。
    數(shù)據(jù)采集各模塊的關鍵技術指標見表1，其中溫濕度、氣壓使用平均算法，風速使用滑動平均算法。

    平均算法：測量一分鐘，每分鐘取樣6次，去掉一個最大值和最小值，剩下4個值取算術平均。
    滑動平均算法：當采集速率每秒一次(t=1)，平均期間T=3s，連續(xù)測量120s，代入下面公式計算：
   
    式中：n個樣本值的平均值，：n-1個樣本值的平均值，Yn：第n個樣本值，t：采樣時間，T：平均期間(s)。

3 軟件設計
3．1 基于Cortex—M3的μc／os—II移植
    μc／os—II是一種典型的具有可剝奪型內(nèi)核的基于任務優(yōu)先級調(diào)度的實時操作系統(tǒng)，可同時管理多達64個任務，由于Cortex—M3不支持32位的ARM指令集，而只支持Thumb-2指令集，這種不向后兼容的方式使Cortex—M3之前平臺使用的ARM匯編語言程序都不能直接移植到Cort ex—M3上，筆者從μc／os—II和Cortex—M3的內(nèi)核結構研究著手，對μc／os—II內(nèi)核中INCLUDES．H、OS_CFG．H、OS_CPU．H、OS_CPU_ C．C、OS_CPU_A．ASM五個與應用程序和處理器相關的文件進行修改，在INCLUDES．H中增加了與STM32處理器相關的外設寄存器定義和內(nèi)存映射的頭文件，在OS_CFG．H中完成對μc／os—II內(nèi)核構造部分的配置工作，在OS_CPU．H中完成與編譯器相關數(shù)據(jù)類型的定義、任務堆棧數(shù)據(jù)類型的定義，以及任務堆棧方向的設定工作，在OS_CPU_C．C中根據(jù)Cortex—M3內(nèi)核結構完成系統(tǒng)任務堆棧結構設計，由于在C環(huán)境下無法對Cortex—M3的寄存器進行操作，所以需要在OS_CPU_A．ASM匯編環(huán)境中完成對臨界區(qū)函數(shù)、上下任務切換函數(shù)以及中斷服務子程序中的任務切換函數(shù)的設計工作，在完成以上修改后還需在c環(huán)境下增加系統(tǒng)時鐘配置和中斷函數(shù)為μc／os—II提供一個周期性信號源，在STM32中系統(tǒng)時鐘是由SysTick定時器來提供的。
3．2 μc／os—II任務設計
    在μc／os—II架構下整體設計中需要建立7個任務，如圖2所示，由于統(tǒng)計任務主要作用是計算當前CPU的利用率，需要消耗相當?shù)腟TM32內(nèi)部資源，所以為節(jié)約系統(tǒng)資源在這里需要把系統(tǒng)配置OS_TASK_STAT_EN設置為0，禁止使用統(tǒng)計任務，空閑任務是必須的，在沒有其它任務進入就緒狀態(tài)時投入運行，當系統(tǒng)開始運行前自動建立，優(yōu)先級自動配置為最低。由于系統(tǒng)要求在開始多任務調(diào)度前必須新建一個任務，所以我們建立了一個開始任務，開始仟務作用就是新建另外5個任務，包括：溫濕度采集任務、氣壓數(shù)據(jù)采集任務、風速采集任務、數(shù)據(jù)存儲任務、數(shù)據(jù)發(fā)送任務，完成這5個任務建立后開始任務就會自己掛起。完成對任務設計后還需要對任務的優(yōu)先級進行設置，空閑任務優(yōu)先級設置為最低，風速采集任務頻率最高為1s／次，所以優(yōu)先級應設置為最高，溫濕度和氣壓采集任務頻率相同為10s／次，設置優(yōu)先級應低于風速采集任務，數(shù)據(jù)存儲和發(fā)送任務應該都在前面幾個數(shù)據(jù)采集任務完成后，所以設置優(yōu)先級應該更低一些，開始任務由于在新建任務后被掛起并不參與任務調(diào)度，所以優(yōu)先級可以設置為次于空閑任務的最低級。

3．3 系統(tǒng)整體調(diào)試
    在主函數(shù)中需要進行初始化工作，主要完成STM32時鐘系統(tǒng)和μc／os—II時鐘系統(tǒng)配置，初始化操作系統(tǒng)后新建開始任務TaskStart后操作系統(tǒng)開始運行，在系統(tǒng)剛開始進行任務調(diào)度時由于只有空閑任務和開始任務參與任務調(diào)度，開始任務優(yōu)先級最高所以執(zhí)行開始任務，在開始任務中又新建氣壓測量任務(TaskPre)、溫濕度測量任務(TaskTem)、風速測量任務(TaskV)、數(shù)據(jù)存儲任務(TaskFlash)、數(shù)據(jù)發(fā)送任務(TaskSim)，完成任務新建后開始任務被掛起進入休眠狀態(tài)，不再參與任務調(diào)度，根據(jù)事先設計好的優(yōu)先級系統(tǒng)總是執(zhí)行優(yōu)先級最高的任務，風速測量任務優(yōu)先級最高，掛起時間一到總能得到處理器的使用權，當測量完畢后任務自動掛起不參與任務調(diào)度，類似的情況，溫濕度測量、氣壓測量完成各自測量數(shù)據(jù)并完成數(shù)據(jù)處理器后也自動掛起，并把標志為置1表示測量工作完成，數(shù)據(jù)存儲任務和數(shù)據(jù)發(fā)送任務根據(jù)判斷標志位決定是否進行數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)發(fā)送工作，其主函數(shù)和開始任務主要代碼如下：


    在完成新建任務后進行整體軟件調(diào)試，PC機通過USB轉串口線接入SIM300模塊后通過串口調(diào)試助手來觀察接收到的下位機測量的氣象數(shù)據(jù)，在這里需要注意的是，在氣壓測量、溫濕度測量、風速測量任務中，為了數(shù)據(jù)讀取和處理方便我們?nèi)〉臄?shù)據(jù)都是整數(shù)的，比如溫度為12．8℃，我們實際存儲數(shù)據(jù)就是128且是分在三個變量來存儲百、十、個位的，所以為了數(shù)據(jù)的發(fā)送，我們設置一個全局數(shù)組data設計為一個數(shù)據(jù)幀來存儲測量的數(shù)據(jù)，整個數(shù)據(jù)格式作如下定義：u8 data=濕度數(shù)據(jù)[3位]+溫度數(shù)據(jù)[3位]+氣壓數(shù)據(jù)[5位]+風速[3位]來存儲測量的數(shù)據(jù)，在通過GPRS發(fā)送數(shù)據(jù)時只需要通過AT指令把數(shù)組中的數(shù)據(jù)發(fā)送即可，上位機接收到數(shù)據(jù)如圖3所示。

4 結論
    本設計實現(xiàn)了μc／os—II在Cortex-M3上的移植并通過了實驗驗證，同時依照設計功能要求在μc／os—II平臺上完成了氣象數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中各個任務的設計工作，經(jīng)實驗驗證，本系統(tǒng)能正常運行，氣象數(shù)據(jù)測量精度達到設計要求，具有成本低廉，精度高，易于實現(xiàn)等特點，具有較好的實時性和穩(wěn)定性。