一种基于微控制器的气象数据采集系统的车站监控外文翻译资料

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一种基于微控制器的气象数据采集系统的车站监控

S. Rosiek, F.J. Batlles

阿尔梅里亚大学，菲律宾阿普里卡达，04120阿尔梅里亚，西班牙

摘要：本文介绍了与现场远程气象站数据采集相关的不同现有方法的可行性研究。数据传输用于收集现场的气象信息，如温度，湿度和辐射。在我们的研究中，实验数据记录在距离阿尔梅里亚大学约100公里的气象站。研究了各种现有技术，特别是无线电，GSM（全球移动通信系统）和GPRS（通用分组无线业务）。这些研究的结果是设计了一个现场数据采集系统（以下简称Meteologger），我们将在本文中介绍。该系统基于ATmega 16微控制器，可以以任何可编程的间隔扫描8个传感器。本文介绍了上述项目的研究，应用和原型系统及其程序的一些主要特点。我们试图实施该系统，然后介绍上述系统的测试性能。为了验证其功能，该测量系统与另外两个商业数据采集系统（Campbell和Hobo H8）进行了一些比较。

关键词：数据采集系统；微控制器；通讯系统；气象数据

1.介绍

太阳辐射的知识（在给定的地方）是太阳能系统（热能和光伏）的合适位置的基础。我们似乎有必要分析影响太阳辐射变化的因素的复杂性;地点的位置和方向及其可及性。后者通常受到附近海拔的限制。在某些应用中，太阳能附带辐射的变化对地形的重要性是至关重要的。在这项研究中，气象站位于复杂地形区域和难以获得的区域。因此，电子系统自动化测量的使用将使得在这种位置获取气象数据变得更加容易和更有效。今天，微处理器用于收集气象数据，其中大部分是为太阳能应用而设计的^[1]。例如，Thomas等人构建了一个专门用于收集太阳辐射数据的基于微处理器的系统^[2]。最近，Mukaro和Carelse ^[3,4]在1999年也建立了一个基于微控制器的太阳能和环境监测数据采集系统。对于我们的研究，我们在以下科学研究中也发现了一些确定和理由。可再生能源（RESs）的快速发展在过去二十年中，在全球各地安装了许多电力系统。 RES系统的缺点是安装成本仍然很高，因此其设计优化是可取的。然而，这样的努力需要详细了解系统安装地点的气象数据，因为相应的能源生产受气候条件的影响很大。因此，开发技术是必不可少的，这些技术将有助于评估在利益相关领域的可用RES潜力，从而在间歇能源生产条件下实现最低系统成本和最大运行可靠性。在许多情况下，需要来自许多不同位置的气象数据，以评估描述RES资源的空间变异性的模型，例如跨扩展地理区域的全局辐射，或者由于测量不可用而导致丢失的数据数据收集网络的发展。另外，由于气候条件的年度变化，需要对过去几年可用的大量数据进行统计处理，以获得RES资源的精确模型。因此，文本文件中通常应用的数据组织是无效的，自动化数据库管理系统的开发是不可或缺的。这样的系统通常包括用于记录感兴趣的信号的基于微控制器的单元，而所收集的数据通常被发送到PC用于存储和进一步处理。这种类型的系统通常安装在地理上隔离的区域，而所获取的数据必须分配给几个远程用户。可以通过互联网实时向远程用户显示所有获取的数据^[5,6]。

如今，用于生产电力的古典大型发电厂由沿海地区的微型发电机支持。由于经济和伦理方面，可再生能源所产生的电力的贡献正在迅速增加。特别是为家用电源，广播电台，路牌，水泵等引入了光伏（PV）面板。因此，在这种情况下，配电网络的连接往往是不切实际的，甚至是无用的，能源在当地生产和管理（独立工厂）。因此，这种植物通常很难达到，维护操作员的存在应尽可能的低，同时考虑到生产能量的中等价值。由于这些原因，这些植物需要远程监控和控制。监控系统可以在三个子系统中进行功能划分：

●光伏传感器单元，提供光伏发电机辐射入射的估计。

●数据采集系统，测量植物有趣的数量，表征整体表现，并可能存在可能的问题。

●管理与监控系统通信的传输系统。

GSM标准的使用在设备放置的任何地方独立地扩展了系统的有效性，甚至远离配电网络和传统和有线电信系统。由于GSM设备的低成本和扩散性，传输系统相当便宜，预计会变得更便宜，更便宜^[7]。

自动数据采集系统目前用于监控系统性能和操作控制。获得的信息可用于长期评估工厂效率，并在性能和可靠性方面优化未来系统。已经开发了几种数据采集系统，用于各种应用，包括测量，采集和处理环境变量^[8]，监测和评估光伏系统的性能，监测电池的状态泵浦光伏系统^[9]，测量混合光电 - 柴油系统的运行参数等。上述数据采集系统的一个常见特征是使用数据记录器或微控制器来测量和获取信号并传输它们通过串行端口RS-232连接到PC。这种数据采集系统允许测量PV系统的典型环境和系统变量（直流电流，直流电压，交流电流，交流电压，能量，功率，环境温度，太阳辐射），以及I -V光伏电站曲线。数据通过不同的接口传输并存储在计算机中^[10]。召集上述示例，我们希望证明像我们的Meteologger这样的系统有非常广泛的应用，由于用户的需求，因为自己的创作允许修改它，无论是物理和程序化。该系统是多功能和易于运输。提到我们的项目的优势使我们有希望，我们的系统也将受到普通用户的兴趣。

该项目的主要目的是设计从远程站网络接收到的数据传输系统，以便显着地接收数据并降低这些站的维护成本。首先，我们分析了用于收集和发送/接收现场数据的几种技术，其设定目标是获得实时远程信息，然后描述开发出的用于接收传感器信息的现场数据采集系统。

每个通信系统必须具有发射器，接收器和传输装置。发射器准备数字信息进行传输，然后通过传输方式传输信息。接收机检测和传输信息，以使其可视化，对其进行分析和分析。通常光纤，无线电传输或电缆用于传输^[11]。在我们的情况下，Meteologger和GSM调制解调器的结合被选为发射器，GSM网络作为传输手段，另一个GSM调制解调器连接到计算机作为接收器。

如今，微系统领域的研究进步着重于智能电子接口，提供了执行复杂操作的能力。特殊设计的特殊应用的电子接口提高了微系统的性能，为控制和通信提供了用户友好的环境^[12]。

在本工作中，设计了基于微控制器的数据采集系统。该系统在下一节中描述，是围绕10位微控制器ATmega 16设计的，将用于气象站监控。选择特定的微控制器以产生快速和低成本的原型。来自传感器的信息进入微处理器，在此处被处理，然后发送到外部EEPROM存储器，并通过RS 232接口每24小时传送到GSM调制解调器。在由于电路或GSM调制解调器的问题而导致的数据传输失败的情况下，该存储器保存在存储器中，该存储器具有将其保持长达12天的能力。传感器的数量和这些传感器提供的信号在该电路的设计过程中已被考虑在内。已经对两种不同的数据采集系统进行现场测试和比较。还提出了本实验期间获得的初步结果。

2.实验数据

在这项工作中，我们使用15个气象台登记的全球辐射，光合作用激光辐射PAR，空气温度和相对湿度的测量。 这些车站位于Hueacute;neja（格拉纳达）内华达山脉自然公园的北侧。 图1示出了所提到的站的位置。

图1 远程站在内华达山脉的位置。

台站的高度在1077至1670米之间，其中站点之间的最大距离为10公里。 全球辐射适中，piranoacute;metroLI-COR 200-SZ PAR与piranoacute;metroLI-COR 190，采样时间为2.5分钟，使用HOBO，型号：H8和H8 PRO作为数据采集系统。

LI-COR传感器提供了一个非常小的微安数量级的信号，而HOBO数据采集系统的输入需要低于2.5V的信号。因此，设计了传感器LI-COR和HOBO之间的两个接口。 使用两个放大因子分别为343和98的放大因子。 上述放大器由6 V和7.2 A h的电池供电。 放大器的输出连接到数据采集系统H8（4-20 mA，0-2.5 V DC，8位分辨率）。 该系统具有32 kB的非易失性EEPROM存储器，每2.5分钟积累一次注册的测量值。

2.1 传输信息量

考虑到山区低温和高温的巨大影响，这些台站的数据采集系统的能力以及获得这些站点数据采集系统的重要性，从计量站网络启动和读取现场数据是一项艰巨的任务。 实时信息。 要传输的数据量是决定传输系统设计的关键。 到目前为止，测量时间为2.5分钟。 这个间隔主要是由于数据采集系统的局限性。 考虑到测量期间发生变化的可能性，已经计算了从每个站收集的新的每月数据量。 使用10 s的采样时间，收集的数据量大约为22 MB。 在同一时期，数据收集的估计时间约为2天，显示了安装数据传输系统的重要性。

3.方法论

在本节中，我们将分析第一个不同的远程传输系统。 许多配置是可能的。 第一个设计步骤是根据物流（可用的通信手段和运行时间）和经济考虑，最适合通信系统的个性化[7]。

3.1 远程数据传输

远程传输的主要系统是：无线电，卫星，电话和无线网络。图。图2显示了现场数据收集和传输到中央计算机的可能性的一般方案。传输系统的选择必须在考虑以下因素之后进行：服务的质量和覆盖范围，传输频率，传输信息量（kB），数据采集系统的类型，站间距离，干扰，所有设备的电源，安装和维护的价格，传输频率的许可（无线电），未来发展的可能性。通常限制传输系统选择的两个实际方面是安装仪器的传输频率和成本。考虑到上述考虑，我们将分析其中一些系统的优缺点。

无线电有可能发送和接收大量的信息，降低了传输的成本，并且在缺少电话线的情况下也是一个很好的选择。其主要缺点是获得传输频率和安装价格高的困难。

该卫星具有很大的空间和时间覆盖，并且在不使用电话线路的地方非常有用，但是这是一种非常昂贵的方法。其主要缺点是安装成本高昂。

就无线通信技术（WiFi和WiMax）而言，它们提供高速传输和有限的200米订单覆盖等级。 WiMax技术在WiFi上的绝对优势在于其较大的覆盖范围，达到50公里。目前在数据传输领域正在成功实施手机，特别是GSM / GPRS手机^[13,14]。其主要优点是灵活性和无限可达性，尽管后者受到手机普及率的限制。另一个优点是传输数据量的低成本，以及设备的远程控制和简单的电源解决方案。我们提出分析各种技术，我们建议无线电和电话[15]提供最显着的优势。

图2 现场数据传输的可能性

3.2数据传输和接收系统分析

在过去的几十年里，通过使用无线电台，已经从远程数据库传输了计量和地震信息。由于电话价格，电话并不是一个有趣的替代方案，而是近来用GPRS技术，通过电话传输已经开始流行。这项技术开辟了新的可能性，已经在这项工作中进行了分析。正如上述讨论中提到的，我们将使用无线通信技术对位于山脉不同区域的15个远程站进行现场数据采集试验，传统网络中没有信号。在表1中，我们可以看到编号的气象站，以及其地理坐标，移动运营商的海拔高度和覆盖率翻译成百分比。

以下是将用于从计量站网络到工作场所远程收集和传输数据的系统的描述。

表1 15个站台的特点

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