傳感器智能化及其通信協(xié)議、芯片的研制

1、不得用于商業(yè)用途儀器開(kāi)發(fā)任務(wù)/應(yīng)用開(kāi)發(fā)任務(wù)實(shí)施方案提綱名稱氣象要素傳感器智能化及其通信協(xié)議、芯片的硏制（一）目的和意義Forpersonaluseonlyinstudyandresearch;notforcommercialuse地面觀測(cè)智能設(shè)備按照其功能要求由幾個(gè)，或許多個(gè)最小功能部件單元組配構(gòu)成，形成一個(gè)完整的氣象探測(cè)應(yīng)用設(shè)備。該設(shè)備在功能實(shí)現(xiàn)方面，是通過(guò)部件單元的靈活組配形成，可任意擴(kuò)充。可以實(shí)現(xiàn)小至單點(diǎn)單要素的氣象監(jiān)測(cè),大到多點(diǎn)多要素的氣象監(jiān)測(cè)，直至擴(kuò)展到大的區(qū)域乃至全國(guó)范圍的氣象監(jiān)測(cè)設(shè)備網(wǎng)。最小功能單元的實(shí)現(xiàn)首先是單一氣象要素的智能化觀測(cè)，氣象業(yè)務(wù)的連續(xù)性、可比性和準(zhǔn)確性。本項(xiàng)目的工

2、作著重是對(duì)現(xiàn)有業(yè)務(wù)已應(yīng)用的傳感器通過(guò)定制的要求初步實(shí)現(xiàn)觀測(cè)要素傳感器的智能化。解決現(xiàn)有觀測(cè)中傳感器綜合性能的提高。目前地面氣象觀測(cè)要素傳感器根據(jù)不同的接口和接線方式以通訊電纜線或分采集器級(jí)聯(lián)方式接入主采集器，主采集器的功能一是完成基本氣象要素傳感器和各個(gè)分采集器的采樣數(shù)據(jù)，對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行控制運(yùn)算、數(shù)據(jù)計(jì)算處理、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制、數(shù)據(jù)記錄存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信和傳輸，與終端微機(jī)或遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心進(jìn)行交互；二是擔(dān)當(dāng)管理者角色，對(duì)構(gòu)成的其他分采集器進(jìn)行管理，包括網(wǎng)絡(luò)管理、運(yùn)行管理、配置管理、時(shí)鐘管理等以協(xié)同完成自動(dòng)觀測(cè)的功能。此方式對(duì)要素的擴(kuò)展和觀測(cè)位置的安置需要大量的電纜和電纜地溝管線進(jìn)行，在觀測(cè)布局方面受到

3、限制。其次要素的增加需要對(duì)通信協(xié)議和接入端口進(jìn)行重新配置和添加，特殊的傳感器還需要分采級(jí)聯(lián)方式，大大增加了建設(shè)維護(hù)成本。有線方式對(duì)防雷和抗干擾要求較高，不利于實(shí)施。并且此種方式將主采集器的功能地位至于頂端，一旦主采集器故障各種要素觀測(cè)會(huì)處于全面缺測(cè)的狀況。主采集器作為氣象專用設(shè)備，集成復(fù)雜、批量小、成本高，可靠性低于通用的電子設(shè)備。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，尤其是計(jì)算機(jī)技術(shù)將向低功耗、智能化的方向發(fā)展，結(jié)合微機(jī)電傳感器技術(shù)和微電子技術(shù)的成果，以傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、智能信息處理技術(shù)和云計(jì)算技術(shù)為支撐，研制全自動(dòng)、低功耗、高集成、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的地面氣象自動(dòng)觀測(cè)智能設(shè)備，將地面觀測(cè)由過(guò)去的豎線結(jié)構(gòu)改變?yōu)榫W(wǎng)狀

4、結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)地面氣象要素的智能觀測(cè)成為地面氣象綜合觀測(cè)的必由之路。實(shí)現(xiàn)智能設(shè)備最小功能單元是構(gòu)成地面觀測(cè)智能設(shè)備的基礎(chǔ)。最小功能單元即時(shí)對(duì)單個(gè)氣象要素的智能化處理。Forpersonaluseonlyinstudyandresearch;notforcommercialuse氣象觀測(cè)業(yè)務(wù)要求，氣象要素觀測(cè)傳感器必須采用已定型的傳感器，保證氣象探測(cè)數(shù)據(jù)具有數(shù)值量化一致性的問(wèn)題。本項(xiàng)目重點(diǎn)對(duì)目前業(yè)務(wù)在用的傳感器，如風(fēng)向、風(fēng)速、溫度、濕度、氣壓、雨量、蒸發(fā)、輻射、輻射傳感器進(jìn)行智能化處理時(shí)，只對(duì)輸出信號(hào)端進(jìn)行智能化處理,傳感器的感應(yīng)部分保持不變。因此本項(xiàng)目主要是按照智能觀測(cè)設(shè)備要求定制常規(guī)氣象要素傳感

5、器，并進(jìn)行改進(jìn)應(yīng)用。通過(guò)定制技術(shù)的研究和實(shí)施，不僅可以在較短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)已有傳感器的初步智能化，同時(shí)通過(guò)研究和實(shí)施，積累傳感器智能化經(jīng)驗(yàn)和促進(jìn)傳感器智能化的相關(guān)硏究，包括測(cè)量檢測(cè)技術(shù)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等相關(guān)領(lǐng)域在傳感器硏究方面的應(yīng)用。引導(dǎo)氣象傳感器硏制單位改進(jìn)傳感器硏制工作。逐步由傳感能力測(cè)量向綜合一體化的智能傳感技術(shù)發(fā)展，提高傳感器的綜合應(yīng)用水平。（二）目標(biāo)及預(yù)期成果Forpersonaluseonlyinstudyandresearch;notforcommercialuse本任務(wù)的主要內(nèi)容有：梳理現(xiàn)有的常規(guī)要素傳感器了解其接口.接線方式、其他性能參數(shù),分析每一種宅象要素的外形

6、結(jié)構(gòu)和引線結(jié)構(gòu)，形成合理的定制技術(shù)要求；制定常規(guī)要素傳感器與專用宅象芯片”的接口標(biāo)準(zhǔn);通過(guò)測(cè)試完成不同要素傳感器對(duì)供電的要求，制定電力供應(yīng)支持標(biāo)準(zhǔn)和電源接線方式。通過(guò)本任務(wù)的實(shí)施，完成溫度、濕度、氣壓、風(fēng)向風(fēng)速、翻斗式降水、稱重式降水、蒸發(fā)、輻射等常規(guī)要素傳感器的智能接入準(zhǔn)備。預(yù)期成果，通過(guò)本任務(wù)的實(shí)施，提高傳感器智能化方面的基礎(chǔ)能力，為今后的新型傳感器智能化提供技術(shù)支撐。對(duì)已有的業(yè)務(wù)化傳感器向智能化傳感器量化生產(chǎn)提供技術(shù)參數(shù)依據(jù)。Forpersonaluseonlyinstudyandresearch;notforcommercialuse配合其他任務(wù)進(jìn)度,完成12套觀測(cè)要素智能最小化功能單

7、元，為測(cè)試試驗(yàn)提供設(shè)備保障，對(duì)整個(gè)智能觀測(cè)設(shè)備提供基礎(chǔ)支撐。（三）技術(shù)方案對(duì)現(xiàn)有常規(guī)氣象要素傳感器的外部結(jié)構(gòu)、接線結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)和布局，研究專用氣象芯片接口與傳感器對(duì)接技術(shù)。在外部結(jié)構(gòu)和接線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上充分考慮與智能處理模塊和電源模塊的集成設(shè)計(jì)。在外部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采取的技術(shù)路線為：1、原則上不改變業(yè)務(wù)使用傳感器的物理尺寸和傳感器配套的附屬設(shè)施，保持傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)感應(yīng)部分影響最小；2、按照智能處理模塊、網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊和電源模塊的物理尺寸合理設(shè)計(jì)布局結(jié)構(gòu)，形成傳感器一體化式樣。對(duì)于較大的傳感器,在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上將參考傳感器結(jié)構(gòu)，將智能處理模塊、網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊沁電源模賤入慎感酸.同時(shí)考慮一體化的防護(hù)措施；對(duì)

8、于小型傳感器在不影響傳感器感應(yīng)部分性能的基礎(chǔ)上進(jìn)行一體化改造接入,形成即插即用的整體結(jié)構(gòu)。3、外部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不能影響傳感器與支撐架設(shè)結(jié)構(gòu)的連接，能夠具備與目前已安裝的常規(guī)要素傳感器快速互換能力，便于在現(xiàn)有基礎(chǔ)上改造和更新。在接線結(jié)構(gòu)上采用的技術(shù)路線：1、按照一體化的結(jié)構(gòu)要求重新對(duì)原有接線進(jìn)行改造，適當(dāng)調(diào)整接線引出口以適應(yīng)與智能處理模塊和電源模塊的對(duì)接；2、制定規(guī)范的線序，對(duì)引線進(jìn)行封裝處理提高防護(hù)能力；3、實(shí)現(xiàn)傳感器接口與智能處理模塊的標(biāo)準(zhǔn)化對(duì)接”避免安裝錯(cuò)誤。專用氣象芯片”接口與傳感器對(duì)接技術(shù)上：通過(guò)線陰位置的優(yōu)化設(shè)計(jì)和跳線設(shè)置,使智能處理模塊能夠自動(dòng)識(shí)別傳感器類型。2、檢測(cè)引線連接是否正常，

9、完成檢測(cè)后，快速調(diào)用接入傳感器的處理程序。!1!技術(shù)難點(diǎn)：傳感器接口和接線改造，完成；接線引出封裝工藝改進(jìn)與適應(yīng)惡劣環(huán)境的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)；創(chuàng)新點(diǎn)：智能氣象傳感器的專用處理芯片的接口自動(dòng)識(shí)別設(shè)計(jì)；名稱智能傳感器軟硬件系統(tǒng)研制（一）目的和意義（儀器開(kāi)發(fā)任務(wù)重點(diǎn)描述本任務(wù)在整個(gè)儀器設(shè)備開(kāi)發(fā)中的作用與地位；應(yīng)用開(kāi)發(fā)任務(wù)重點(diǎn)描述擬解決的應(yīng)用問(wèn)題，包括應(yīng)用問(wèn)題來(lái)源，任務(wù)實(shí)施對(duì)儀器設(shè)備開(kāi)發(fā)的作用。）近十幾年來(lái),隨著我國(guó)科技水平和經(jīng)濟(jì)能力的不斷提升,常規(guī)地面觀測(cè)要素已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了由人工觀測(cè)向自動(dòng)觀測(cè)的轉(zhuǎn)變，在云能天等人工觀測(cè)項(xiàng)目的自動(dòng)化研究中也取得了一些突破性的進(jìn)展。但是作為臺(tái)站的基本架構(gòu)依然是以一臺(tái)微計(jì)算機(jī)為核心

10、，多數(shù)據(jù)采集器采集并通過(guò)微計(jì)算機(jī)處理和傳輸,氣象數(shù)據(jù)只在數(shù)據(jù)中心存儲(chǔ)和被訪問(wèn)的豎線型架構(gòu),因此還存在較多問(wèn)題，主要體現(xiàn)在：設(shè)備缺乏有效的質(zhì)量控制、遠(yuǎn)程檢測(cè)等業(yè)務(wù)應(yīng)用功能,不能適應(yīng)氣象事業(yè)的發(fā)展需要，影響后期監(jiān)控和保障服務(wù)工作的開(kāi)展；云能天自動(dòng)化觀測(cè)設(shè)備未能實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)化應(yīng)用，缺乏穩(wěn)定、可靠的工程化產(chǎn)品設(shè)備，不能完全取代人工觀測(cè);氣象臺(tái)站中多種探測(cè)設(shè)備的觀測(cè)數(shù)據(jù)各自分散，業(yè)務(wù)和信息管理不流暢，需要人工干預(yù)處理,數(shù)據(jù)流程也采用由下至上的單向傳輸，不利于信息的交流、共享和控制；地面觀測(cè)業(yè)務(wù)集約性差，數(shù)據(jù)處理效率低下、資源浪費(fèi)嚴(yán)重；缺乏有效的多種信息數(shù)據(jù)融合處理能力和面向基層臺(tái)站所需要的氣象業(yè)務(wù)綜合服務(wù)功

11、能等。因此,依據(jù)我國(guó)綜合氣象觀測(cè)系統(tǒng)發(fā)展規(guī)劃，針對(duì)當(dāng)前地面觀測(cè)業(yè)務(wù)現(xiàn)狀和發(fā)展需求，本課題將最新的傳感器網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、智能信息融合處理技術(shù)引入到我國(guó)地面自動(dòng)化觀測(cè)業(yè)務(wù)中，結(jié)合地面觀測(cè)的業(yè)務(wù)模式和特定服務(wù)的需求，構(gòu)建一種以地面觀測(cè)業(yè)務(wù)模式需求為導(dǎo)向，體積小,功耗低,可靠性高，能夠自動(dòng)校準(zhǔn)維護(hù),組網(wǎng)傳輸靈活，能夠?qū)崿F(xiàn)和業(yè)努緊密結(jié)合的多傳感器數(shù)據(jù)融合的集數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)融合.數(shù)據(jù)傳輸以及自維護(hù)功能于一體的高度集成化的通用智能觀測(cè)模組，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)=象測(cè)量要素的分布式.交互式、可擴(kuò)展和廣域化，形成具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的地面自動(dòng)觀測(cè)智能設(shè)備。這是提高氣象儀器國(guó)產(chǎn)化程度,支撐國(guó)家氣象探測(cè)業(yè)務(wù)發(fā)展的需要，具有重

12、要的科學(xué)意義和應(yīng)用前景。（二）目標(biāo)及預(yù)期成果本項(xiàng)目的目標(biāo)是以傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、智能信息處理技術(shù)為支撐，研制針對(duì)宅象地面觀測(cè)業(yè)務(wù)的通用性低功耗、高集成、網(wǎng)絡(luò)化.智能化的地面宅象自動(dòng)觀測(cè)智能設(shè)備模組,實(shí)現(xiàn)地面宅象要素的智能觀測(cè)。本項(xiàng)目的預(yù)期成果主要包括三個(gè)方面：1）針對(duì)地面觀測(cè)測(cè)量要素的通用低功耗模組。該模組以低功耗，高性能的嵌入式微處理器為核心,具備可在線重構(gòu)的傳感器信號(hào)調(diào)理電路作為傳感器接口，兼容多種有線和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信接口（包括以太網(wǎng),RS485,WIFI以及ZIGBEE等模組支持電池、太陽(yáng)能、以及外接直流電源等多種供電方式，支持對(duì)部分傳感部件的在線計(jì)量檢定。該模組可以通過(guò)1P隼成方式形成SOC

13、方式的智能傳感專用芯片。2）針對(duì)智能地面觀測(cè)的通信協(xié)議棧。該通信協(xié)議棧面向地面測(cè)量的傳感器分布和組網(wǎng)特征,-方面考慮建立宅象測(cè)量傳輸?shù)膶＞W(wǎng),另一方面也充分考虎和現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)無(wú)人工干預(yù)的層次化智能組網(wǎng),支持超大規(guī)模的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)內(nèi)任意節(jié)點(diǎn)的尋址訪問(wèn)，能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)自維護(hù),能夠保證數(shù)據(jù)端對(duì)端的可等功能。3）針對(duì)智能地面觀測(cè)業(yè)勢(shì)模式的專用嵌入式軟件體系。該軟件系統(tǒng)包括專用的精簡(jiǎn)嵌入式操作系統(tǒng)在驅(qū)動(dòng)層支持模塊內(nèi)的接口硬件在線配置,支持智能觀測(cè)通信協(xié)議棧,同時(shí)在應(yīng)用層按照不同觀測(cè)業(yè)努需求定義不同的應(yīng)用模式，支持層次化多傳感器數(shù)據(jù)融合，對(duì)數(shù)據(jù)的按需采集和處理，以及綜合利用網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行自檢定等?？?/p>

14、體來(lái)說(shuō)，本項(xiàng)目的成果體現(xiàn)在硬件體系，數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,以及專用傳感器軟件體系三個(gè)方面。預(yù)期取得無(wú)線傳輸和智能組網(wǎng)方面的3項(xiàng)專利，軟件體系方面的3項(xiàng)軟件著作權(quán)，并形成數(shù)據(jù)接口等方面的5項(xiàng)規(guī)范。（三）技術(shù)方案（除介紹技術(shù)路線外，儀器開(kāi)發(fā)任務(wù)還應(yīng)介紹本任務(wù)與項(xiàng)目其他環(huán)節(jié)的集成方案）本課題的技術(shù)路線按照硏發(fā)內(nèi)容的不同，總體上將課題分為兩個(gè)階段。第一個(gè)階段：主要完成智能觀測(cè)傳感器的接口定義和開(kāi)發(fā)，以及通信協(xié)議棧和軟件體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和建立。）可重構(gòu)的傳感器信號(hào)調(diào)理接口地面氣象觀測(cè)又需要眾多的觀測(cè)要素，有些要素的測(cè)量輸出差別較大，包括噪聲源和信號(hào)特征，信號(hào)的幅度范圍等各不相同，因此需要進(jìn)行不同的前端處理。通

15、過(guò)設(shè)計(jì)可編程控制的模擬信號(hào)謹(jǐn)路選擇器r模擬開(kāi)關(guān)，以及數(shù)控電位器，増益可控放大器等，按照合適的方式組織起來(lái)，并提供完善的圖形化開(kāi)發(fā)界面和工具,以實(shí)現(xiàn)在通用平臺(tái)上對(duì)不同信號(hào)處理需求的適應(yīng)性。2）通信協(xié)議棧的開(kāi)發(fā)智能化的傳感器的關(guān)鍵之一就是網(wǎng)絡(luò)的接入，而網(wǎng)絡(luò)的接入則依賴于合適的通信協(xié)議棧。地面觀測(cè)點(diǎn)具有分布廣，環(huán)境復(fù)雜且不同地區(qū)差異很大，區(qū)域范圍內(nèi)傳感器分布相對(duì)密集,部分區(qū)域傳感器數(shù)量大且相對(duì)集中等特點(diǎn)。因此在通信協(xié)議棧的設(shè)計(jì)上，我們即需要考慮物理層的多種接入方式，也需要在傳輸層和網(wǎng)絡(luò)層考慮和現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的兼容性以及形成自有專用網(wǎng)絡(luò)的特殊性，同時(shí)還需要在應(yīng)用層考慮智能觀測(cè)數(shù)據(jù)的特定表現(xiàn)形式和應(yīng)用模式。本

16、課題的通信協(xié)議棧的開(kāi)發(fā)擬采取和傳統(tǒng)通信協(xié)議棧類似的層次劃分,并將各層次按照模塊化的方式實(shí)現(xiàn)封裝。對(duì)于具備有線接入條件的地方以RS485網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)的接入形式為主；對(duì)于相對(duì)集中的區(qū)域，特別是測(cè)點(diǎn)數(shù)目較大的區(qū)域以短距離的無(wú)線接入形式為主；而對(duì)于分散的孤立測(cè)點(diǎn)則綜合考慮使用衛(wèi)星通信或者利用網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商的商用遠(yuǎn)距離無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)。傳輸和網(wǎng)絡(luò)層對(duì)所有的智能傳感節(jié)點(diǎn)使用唯一的地址標(biāo)識(shí),該地址通過(guò)一個(gè)轉(zhuǎn)換接口可以綁定成IP等多種現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的地址，支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的雙向通信。通過(guò)引出每個(gè)層次的管理和數(shù)據(jù)封裝接口，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同網(wǎng)絡(luò)的不同層次的兼容接入。專用局部的大規(guī)模無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要在網(wǎng)絡(luò)層提高對(duì)于廣播和組播的傳輸效率

17、以滿足局部數(shù)據(jù)融合的需求；專用遠(yuǎn)距離的節(jié)點(diǎn)訪問(wèn)主要在于采用層次化的尋址方式優(yōu)化跨網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)尋址。為了適應(yīng)傳感節(jié)點(diǎn)低功耗低成本的需求，節(jié)點(diǎn)分為不同類別支持不同的網(wǎng)絡(luò)功能等級(jí)。在協(xié)議棧的設(shè)計(jì)中，各層次消耗資源較大的部分如路由表維護(hù)和查詢等均針對(duì)應(yīng)用層提供統(tǒng)一的封裝接口，以便于模塊化的協(xié)處理器功能擴(kuò)展。3）面向應(yīng)用的軟件體系設(shè)計(jì)軟件體系結(jié)構(gòu)包括了針對(duì)智能傳感器業(yè)務(wù)模式的專用操作系統(tǒng)和應(yīng)用運(yùn)行流程框架。作為一個(gè)通用化的智能傳感器,需要支持各種不同的變換器的電信號(hào)輸入，因此支持在線的前端調(diào)理電路的重構(gòu)和不同軟件數(shù)字信號(hào)處理模式的加載?？紤]到實(shí)際傳感器大部分采用間歇式的工作方式，同時(shí)又需要支持遠(yuǎn)程的喚醒和

18、遠(yuǎn)程主動(dòng)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)請(qǐng)求，因此采用在驅(qū)動(dòng)層進(jìn)行硬件低功耗控制，在操作系統(tǒng)層逬行業(yè)務(wù)模塊的低功耗控制。系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用運(yùn)行時(shí)按請(qǐng)求動(dòng)態(tài)加載軟件業(yè)務(wù)模塊的方法，確保系統(tǒng)運(yùn)行的低功耗。智能傳感器利用網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)有效性的監(jiān)測(cè)，以及根據(jù)關(guān)聯(lián)傳感器被請(qǐng)求的服務(wù)智能選擇自身的數(shù)據(jù)探測(cè)范圍，并完成相關(guān)數(shù)據(jù)的融合,在后臺(tái)通過(guò)數(shù)據(jù)監(jiān)聽(tīng)定期進(jìn)行傳感器的不同層次的計(jì)量自標(biāo)定。第二個(gè)階段：主要是定義面向業(yè)務(wù)模式的應(yīng)用以及應(yīng)用在一體化智能觀測(cè)傳感器中的集成應(yīng)用。1）硬件集成應(yīng)用，完成一體化智能觀測(cè)傳感器的功能單元組合封裝，對(duì)于經(jīng)過(guò)確定驗(yàn)證的部分，逐步集成到FPGA搭建的芯片驗(yàn)證平臺(tái)內(nèi),迸行SOC的集成開(kāi)發(fā)工作，并増加傳感器

19、的唯一標(biāo)識(shí)信息.產(chǎn)品信息.數(shù)據(jù)質(zhì)量控制參數(shù).計(jì)量檢定控制信息以及其他可追溯信息等。為傳感器的使用、計(jì)量提供全程完整的可追溯信息；）通信協(xié)議棧與軟件系統(tǒng)的集成，將通信協(xié)議棧集成到軟件體系內(nèi)的嵌入式操作系統(tǒng)運(yùn)行框架下，通過(guò)對(duì)其存儲(chǔ)資源使用的評(píng)估和優(yōu)化，作為一個(gè)模塊固化到SOC平臺(tái)內(nèi)；）業(yè)務(wù)功能的類別和模式定義及應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)，通過(guò)將探測(cè)業(yè)雋平臺(tái)的業(yè)勢(shì)內(nèi)容的數(shù)據(jù)服務(wù)需求模式在應(yīng)用層進(jìn)行特征抽取和設(shè)計(jì)，定義相關(guān)的數(shù)據(jù)表達(dá)形式和使用模式并以運(yùn)行時(shí)可動(dòng)態(tài)加載調(diào)度的組件形式集成于固化軟件中。本課題在設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，通過(guò)傳感器變換接口的定義來(lái)與各傳感器的設(shè)計(jì)相連接，在硬件和軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中遵從質(zhì)量控制規(guī)范，通過(guò)制定

20、數(shù)據(jù)接口規(guī)范，以及制定應(yīng)用層的服務(wù)類別定義和過(guò)程規(guī)范與系統(tǒng)軟件平臺(tái)進(jìn)行接口和交互。）難點(diǎn)及創(chuàng)新點(diǎn)本課題的難點(diǎn)包括如下幾個(gè)方面：1）可動(dòng)態(tài)重構(gòu)的前端信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)，由于對(duì)智能傳感器產(chǎn)業(yè)化的要求,必然需要一種通用可大規(guī)模生產(chǎn)的產(chǎn)品，而同時(shí)地面氣象觀測(cè)又需要眾多的觀測(cè)要素,有些要素的測(cè)量輸出差別較大,包括噪聲源和信號(hào)特征,信號(hào)的幅度范圍等各不相同，因此需要進(jìn)行不同的前端處理。2）兼容性網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)計(jì)，由于智能傳感器在實(shí)際使用過(guò)程中應(yīng)用的環(huán)境差異很大，特別是網(wǎng)絡(luò)，供電方式等各不相同，作為一體化的智能設(shè)備，應(yīng)該具有智能識(shí)別和連接功能，從而要求支持多種網(wǎng)絡(luò)的接入方式。3）智能傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的設(shè)計(jì)，作為一

21、個(gè)分布遍及全國(guó)的傳感器網(wǎng)絡(luò)，而且終端網(wǎng)絡(luò)的接入形式各不相同，所以數(shù)據(jù)和指令的傳輸可能需要跨越各種不同的網(wǎng)絡(luò)層次，如何解決在這種環(huán)境下，網(wǎng)路傳輸?shù)母咝?、可靠性、安全性，就需要一個(gè)符合地面觀測(cè)數(shù)據(jù)及其應(yīng)用特征的專用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧。4）智能傳感器的應(yīng)用模式設(shè)計(jì),作為智能化的觀測(cè)終端設(shè)備，智能傳感器應(yīng)該具備有綜合利用相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，按照被請(qǐng)求的任務(wù)功能需求進(jìn)行數(shù)據(jù)的融合處理,甚至包括系統(tǒng)的自維護(hù)功能，從而保持系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。本課題的創(chuàng)新性在于：1）利用可重構(gòu)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)于不同觀測(cè)傳感器信號(hào)的統(tǒng)一接入,極大提高了設(shè)備的可生產(chǎn)性和可用性，降低了成本。2）通過(guò)設(shè)計(jì)針對(duì)地面觀測(cè)數(shù)據(jù)傳輸和觀測(cè)臺(tái)站網(wǎng)絡(luò)接入環(huán)

22、境特點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，提供了對(duì)任意端點(diǎn)的透明訪問(wèn)能力,從真正意義上有效實(shí)現(xiàn)了智能網(wǎng)絡(luò)化的地面觀測(cè)。3）設(shè)計(jì)了針對(duì)地面觀測(cè)數(shù)據(jù)采集和使用模式的終端軟件體系結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)面向請(qǐng)求的服務(wù)加載機(jī)制,以及后臺(tái)自維護(hù)機(jī)制，一方面最小化了終端資源需求，另一方面有效提高了觀測(cè)傳感器端的能效比。名稱傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)硏制（一）目的和意義（儀器開(kāi)發(fā)任務(wù)重點(diǎn)描述本任務(wù)在整個(gè)儀器設(shè)備開(kāi)發(fā)中的作用與地位；應(yīng)用開(kāi)發(fā)任務(wù)重點(diǎn)描述擬解決的應(yīng)用問(wèn)題，包括應(yīng)用問(wèn)題來(lái)源，任務(wù)實(shí)施對(duì)儀器設(shè)備開(kāi)發(fā)的作用。）在氣象觀測(cè)中的應(yīng)用目的是把氣象傳感器采集的溫濕壓風(fēng)等氣象要素，通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)局地聯(lián)網(wǎng)集中數(shù)據(jù)，并通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)、3G等遠(yuǎn)程聯(lián)網(wǎng)傳輸，并在

23、遠(yuǎn)程主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)管理與控制?；谖锫?lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)之一的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，使得相對(duì)于傳統(tǒng)的觀測(cè)體系就像移動(dòng)電話相比固定電話的優(yōu)勢(shì)一樣：安裝方便，移動(dòng)靈活,維護(hù)簡(jiǎn)單，備份容易，數(shù)據(jù)通信可靠。而這些特性非常適合于需要大量要素觀測(cè)的氣象觀測(cè)試驗(yàn)、應(yīng)急觀測(cè)、自動(dòng)站觀測(cè)等場(chǎng)合。通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，我們可以根據(jù)需要任意安置氣象傳感器，按照一定的協(xié)議規(guī)范,選擇或根據(jù)子網(wǎng)標(biāo)識(shí)及IEEE地址等自動(dòng)選擇所需的氣象要素。并方便地構(gòu)建各種氣象觀測(cè)系統(tǒng)。因此，通過(guò)本任務(wù)的實(shí)施，提供氣象行業(yè)的業(yè)務(wù)觀測(cè)水平與能力，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的示范推廣。目前，由于我國(guó)的傳感器之間的通信，目前主要采用RS232接口及模擬接口的形式，因此，需

24、要在此基礎(chǔ)上平穩(wěn)過(guò)渡。為兼顧全國(guó)已經(jīng)布設(shè)的大量自動(dòng)氣象站，在采用有線的同時(shí)，考慮無(wú)線方案，使得氣象觀測(cè)能力能夠較大幅度的提升。本任務(wù),是在氣象觀測(cè)中整體性能提升的一個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)。在氣象觀測(cè)中，一方面需要在觀測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的局部，與其他環(huán)境參數(shù)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)檢測(cè)，形成自動(dòng)氣象站；另一方面，需要把氣象數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)絿?guó)家或省級(jí)運(yùn)型監(jiān)控中心，以構(gòu)建綜合檢測(cè)系統(tǒng)。因此需要采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)局地通信接口及適合的遠(yuǎn)程通信裝置，把采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)控中心，并方便存儲(chǔ)、查詢、管理、數(shù)據(jù)分發(fā)，并顯示氣象要素的分布情況，從而實(shí)時(shí)監(jiān)控區(qū)域小尺度系統(tǒng)如雷暴的形成、移動(dòng)、與消亡。同時(shí)，可通過(guò)全國(guó)的實(shí)時(shí)氣象要素分布掌握中大尺度天氣的系

25、統(tǒng)的演變過(guò)程。（二）目標(biāo)及預(yù)期成果本任務(wù)的主要硏究?jī)?nèi)容有：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)硏究，數(shù)據(jù)通信器（數(shù)據(jù)采集器）技術(shù)研究，自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)集成技術(shù)初步硏究，以及自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的質(zhì)量保證技術(shù)研究。各個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)化的氣象觀測(cè)節(jié)點(diǎn)，一臺(tái)含有匯聚節(jié)點(diǎn)的計(jì)算機(jī)就可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)氣象站。利用很多個(gè)自動(dòng)氣象站以及相應(yīng)的數(shù)據(jù)通信器，通過(guò)遠(yuǎn)程服務(wù)器系統(tǒng),就可以構(gòu)成氣象觀測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)任務(wù)的實(shí)施，制定無(wú)線網(wǎng)絡(luò)化傳感器及其數(shù)據(jù)通信器構(gòu)建的自動(dòng)監(jiān)測(cè)站的系統(tǒng)架構(gòu)、協(xié)議規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)等。形成實(shí)時(shí)的氣象觀測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)氣象觀測(cè)集約化。建立30套以上的實(shí)際物聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)氣象站，進(jìn)行示范應(yīng)用,充分確保其實(shí)用性。發(fā)表論文6篇，申請(qǐng)專利3項(xiàng)，獲得軟件著作權(quán)3

26、項(xiàng)。（三）技術(shù)方案（除介紹技術(shù)路線外，儀器開(kāi)發(fā)任務(wù)還應(yīng)介紹本任務(wù)與項(xiàng)目其他環(huán)節(jié)的集成方案）本任務(wù)在所硏制的基本氣象傳感器以及GPS/MET能見(jiàn)度等特殊氣象儀器的基礎(chǔ)上，形成一個(gè)較大型的綜合氣象觀測(cè)系統(tǒng)。本任務(wù)是本項(xiàng)目?jī)x器集成的無(wú)線通信傳輸部分。本任務(wù)研制無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)及接口，研究數(shù)據(jù)通信器，構(gòu)成包括數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、處理、傳輸、控制、集中管理等為一體的物聯(lián)網(wǎng)型自動(dòng)監(jiān)測(cè)傳輸系統(tǒng)。(1)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)目前無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)較為常用的有Crossbow公司的產(chǎn)品注要采用CC2420及AVR單片機(jī)構(gòu)成，已相對(duì)落后；英國(guó)JENNIC公司采用含有32位處理器的JN5121.JN5139等各種型號(hào)的單片式無(wú)線傳

27、感器網(wǎng)絡(luò)z處理速度較高但其內(nèi)核沒(méi)有完全開(kāi)放；基于TI的CC2430.CC2530等系統(tǒng)則有較低的成本、較高的性能、較好的技術(shù)支持及開(kāi)放資源，是本設(shè)計(jì)的首選。本系統(tǒng)采用CC2530構(gòu)成單片式的結(jié)構(gòu),利用ZigBeePro協(xié)議棧來(lái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。申請(qǐng)人已經(jīng)設(shè)計(jì)了基于的CC2530處理器的基出模塊，其性能良好。以近幾年從事無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)研究取得的一些成功經(jīng)驗(yàn)為基出，針對(duì)本任務(wù)的氣象檢測(cè)應(yīng)用領(lǐng)域，自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)由一個(gè)或多個(gè)相同或不同類型的傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)局域的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)氣象站。自動(dòng)氣象站中可以根據(jù)需要有一大功率路由節(jié)點(diǎn),與自動(dòng)氣象站的具有協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的主機(jī)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)相連。也可以直接把協(xié)調(diào)器

28、節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)在通信器上,并連接遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)據(jù)通信器主要由無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、主處理器系統(tǒng)、遠(yuǎn)程通信模塊構(gòu)成。各無(wú)線網(wǎng)絡(luò)化傳感器節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)里利用ZigBeePro等技術(shù)通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)出，利用數(shù)據(jù)通信器的協(xié)調(diào)器接收并送主處理器系統(tǒng)解碼、存儲(chǔ)、處理、簡(jiǎn)單質(zhì)量控制，再通過(guò)遠(yuǎn)程通信模塊發(fā)送到遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器采用CC2530模塊實(shí)現(xiàn)，并采用ZigBeePro協(xié)議棧,此協(xié)調(diào)器(匯聚)節(jié)點(diǎn)也采用低功耗設(shè)計(jì)。ARM嵌入式系統(tǒng),由于其獨(dú)特的速度及功耗優(yōu)勢(shì)，非常適合于作為數(shù)據(jù)通信單元，也是目前高性能測(cè)控系統(tǒng)中優(yōu)先選擇的方氧本系統(tǒng)中，擬采用S3C2440系統(tǒng),具有較多的開(kāi)放

29、資源以及工業(yè)級(jí)的特性,體積小巧，可配多種尺寸的彩屏或單色屏,功耗也較低。采用S3C2440的硬件系統(tǒng),并通過(guò)Linux及WINCE操作系統(tǒng)下的試驗(yàn)，證實(shí)了可行性。采用低功耗設(shè)計(jì)，可以確保較長(zhǎng)時(shí)間的電池供電設(shè)計(jì)。遠(yuǎn)程通信中，GPRS、3G、TCP/IP、UDP收發(fā)已進(jìn)行了初步試驗(yàn)，結(jié)果是可行的。TCP/IP、UDP只是在互聯(lián)網(wǎng)接入的情況下的選擇；GPRS與3G可以合而為一，3G具有CDMA2000、TD-SCDMA.WCDMA的選擇。中國(guó)電信的CDMA2000lxEV-DO系統(tǒng)已可提供上行和下載的峰值速率分別達(dá)153.6kbps.2.4Mbpsz申請(qǐng)人已進(jìn)行了該通信的實(shí)現(xiàn)，用于氣象數(shù)據(jù)的通信是可

30、行的肚匕方案優(yōu)先考慮。中國(guó)移動(dòng)的TD-SCDMA集CDMA、TDMA、FDMA技術(shù)優(yōu)勢(shì)于一體、系統(tǒng)容量大、頻譜利用率高、抗干擾能力強(qiáng),實(shí)際網(wǎng)絡(luò)速度可達(dá)384Kbps。中國(guó)聯(lián)通的WCDMA是具備代表性的3G移動(dòng)通信技術(shù)，可支持384kbps2Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率。(3)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)接口研制無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)及接口，采用CC2530無(wú)線處理器設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，并采用ZigBeePro協(xié)議棧。在接口中采用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),并可提供地址、狀態(tài)等相關(guān)信息。通過(guò)密碼驗(yàn)證后提供遠(yuǎn)程的傳感器自動(dòng)校準(zhǔn)命令。采取測(cè)試試驗(yàn)、考核、篩選等措施,并優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)接口需完成試驗(yàn)、原理圖設(shè)計(jì)、PCB設(shè)計(jì)、電路制版、焊接

31、、調(diào)試、編程、測(cè)試、老化等工作。(4)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)系統(tǒng)集成技術(shù)初步研究為滿足自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的通用性、互換性,以方便組網(wǎng)、維護(hù)、維修，需要研究數(shù)據(jù)傳輸?shù)膮f(xié)議規(guī)范。規(guī)范傳感器節(jié)點(diǎn)的功能、數(shù)據(jù)格式等，確保滿足物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的綜合氣象觀測(cè)系統(tǒng)的要求。結(jié)合SOCKET技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程主機(jī)對(duì)各自動(dòng)氣象站的數(shù)據(jù)采集，并建立實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)管理，通過(guò)主機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)基于地理信息系統(tǒng)的氣象數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)在線顯示。進(jìn)行大量無(wú)線處理器模塊的可靠性仿真試驗(yàn),以驗(yàn)證實(shí)際通信的可靠性。建立物聯(lián)網(wǎng)新一代綜合氣象觀測(cè)系統(tǒng)，進(jìn)行試驗(yàn)、考核、示范應(yīng)用以及觀測(cè)試驗(yàn)應(yīng)用，充分保證其實(shí)用性。）難點(diǎn)及創(chuàng)新點(diǎn)難點(diǎn):1、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)接口的微型化及彳氐功

32、耗設(shè)計(jì)需要設(shè)計(jì)微型的體積，以不影響安裝空間。在沒(méi)有數(shù)據(jù)通信時(shí)自動(dòng)進(jìn)入休眠狀態(tài)，而通信時(shí)，微秒級(jí)時(shí)間內(nèi)激活，從而降低功耗。2、數(shù)據(jù)通信器的設(shè)計(jì)采用ARM微處理器及局域、遠(yuǎn)程通信技術(shù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)通信器的設(shè)計(jì)。需要考慮局域無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組建、以及傳輸距離的協(xié)調(diào)關(guān)系，并形成一個(gè)能安全的可靠工作的通信網(wǎng)絡(luò)。遠(yuǎn)程傳輸時(shí)，采用3G、TCP/IP、GPRS等技術(shù)實(shí)現(xiàn)。3、數(shù)據(jù)傳輸可靠性硏究氣象數(shù)據(jù)信息量極大，臺(tái)站多，數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃猿蔀殛P(guān)鍵因素，因此采用CRC校驗(yàn)等措施，確保氣象數(shù)據(jù)的質(zhì)量。4、軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程采集、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)的建立與更新。此外,還需進(jìn)行綜合數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì),基于地理信息系統(tǒng)的顯示

33、查詢系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。創(chuàng)新點(diǎn)：1、基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的高精度自動(dòng)氣象站系統(tǒng)。2、基于地理信息系統(tǒng)的實(shí)時(shí)等值線圖及溫度分布顯示及查詢系統(tǒng)。名稱智能傳感器一體化集成系統(tǒng)定制（一）目的和意義（儀器開(kāi)發(fā)任務(wù)重點(diǎn)描述本任務(wù)在整個(gè)儀器設(shè)備開(kāi)發(fā)中的作用與地位;應(yīng)用開(kāi)發(fā)任務(wù)重點(diǎn)描述擬解決的應(yīng)用問(wèn)題，包括應(yīng)用問(wèn)題來(lái)源，任務(wù)實(shí)施對(duì)儀器設(shè)備開(kāi)發(fā)的作用。）智能傳感器從部件上包括傳感模塊、智能處理模塊、網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊以及電源模塊等四個(gè)部分，其整體系統(tǒng)要從總體設(shè)計(jì)入手，不僅要考慮每個(gè)模塊單元部件的穩(wěn)定性和可靠性，還要將各功能模塊進(jìn)行高度集成，以提高智能傳感器的運(yùn)行穩(wěn)定性以及在各種惡劣環(huán)境下的適用性。因此智能傳感器一體化集成系統(tǒng)設(shè)計(jì)和

34、實(shí)現(xiàn)是最終決定該設(shè)備能否成為業(yè)務(wù)應(yīng)用的一個(gè)重要因素。其主要解決微型化、低功耗、抗電磁雷擊干擾、防塵干擾、高低溫濕環(huán)境適應(yīng)性等方面的問(wèn)題。（二）目標(biāo)及預(yù)期成果實(shí)現(xiàn)常規(guī)氣象六要素智能傳感器的一體化設(shè)計(jì),預(yù)期達(dá)到的性能指標(biāo)如下：自身功耗：小于10mW;供電方式：一體化小型太陽(yáng)能供電組件（包括為通訊部分供電）；工作環(huán)境：環(huán)境溫度-5OC+85C;相對(duì)濕度:0100%;（三）技術(shù)方案（除介紹技術(shù)路線外，儀器開(kāi)發(fā)任務(wù)還應(yīng)介紹本任務(wù)與項(xiàng)目其他環(huán)節(jié)的集成方案）從電路設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上充分考慮傳感模塊、智能處理模塊、網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊以及電源模塊的集成設(shè)計(jì)。在電路設(shè)計(jì)上采取的技術(shù)路線為：（1）通過(guò)對(duì)電路兀器件以及包括電路板材料的選型，PCB板的布線處理、制作工藝技術(shù)的完善等處理手段,提高系統(tǒng)電子部件的高低溫工作的適用性。（2）通過(guò)合理、有效的溫度補(bǔ)償以及溫度控制處理技術(shù)，提高系統(tǒng)電子部件在高低溫環(huán)境下的測(cè)量精度。(3)通過(guò)采用合理、有