第１期 ２０１２年３月 气象水文海洋仪器 Ｍｅｔｅｏｒ０１ｏ ｃａｌ，Ｈｙｄｒｏｌｏｇｉｃａｌ ａｎｄ Ｍａｒｉｎｅ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ Ｎｏ．１ Ｍａｒ．２０１２
自动气象站可视化监控系统设计
陈余才ｈ。，行鸿彦 ，季鑫源 ，吴 展。
（１．南京信息工程大学，江苏省气象传感网工程中心，南京２１００４４；２．南京信息工程大学电子与信息Ｘ－程学 院，南京２１００４４；３．长春气象仪器研究所，长春１３００１２）
摘 要：为了对野外无入值守的自动气象站可视化监控，基于Ｃ３２８摄像模块，以ＡＲＭ７体系
结构的ＬＰＣ２３８７芯片为处理器，嵌入ｔ￣Ｃ／ＯＳ—ＩＩ操作系统，采用多任务软件设计方法，通过复 用自动气象站的ＧＰＲＳ模块与上位机的通信，提供上位机命令、定时、红外感应三种触发方
式，设计了自动气象站可视化监控系统．将监控系统移植到自动气象站后，测试表明，系统在保 障气象要素信息安全传输的前提下，能够及时获取气象要素传感器运行时候的图像信息，延迟
时间不超过２Ｏ Ｓ，满足自动气象站可视化监控的管理需求。 关键词：自动气象站；可视化监控；Ｃ３２８；ＡＲＭ；￣Ｃ／ＯＳ－１Ｉ；ＧＰＲＳ 中图分类号：ＴＨ７６５ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００６—００９Ｘ（２０１２）０１—００３９—０６
Ｖｉｓｕａｌ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｗｅａｔｈｅｒ ｓｔａｔｉｏｎ
Ｃｈｅｎ Ｙｕｃａｉ ”。Ｘｉｎｇ Ｈｏｎｇｙａｎ ，Ｊｉ Ｘｉｎｙｕａｎ ”，Ｗｕ Ｚｈａｎａ （１．Ｎａｎｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｊｉａｎｇｓｕ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｅｎｔｅｒ ｏｆ Ｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌ Ｓｅｎｓｏｒ Ｎｅｔｗｏｒｋ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００４４；２．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ａｎｄ Ｉｎｙｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎａｎｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００４４；３．Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ Ｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ， Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ １３００１２）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ｖｉｓｕａｌ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｆｏｒ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｗｅａｔｈｅｒ ｓｔａｔｉｏｎ（ＡＷＳ）ｉｎ ｔｈｅ ｆｉｅｌｄ，ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｃａｍｅｒａ ｍｏｄｕｌｅ Ｃ３２８，ｕｓｉｎｇ ＬＰＣ２３８７ ｗｉｔｈ ＡＲＭ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｓ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ ａｎｄ ｅｍｂｅｄｄｉｎｇ ｃ／ ＯＳ－ＩＩ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅ ｖｉｓｕａｌ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｗｅａｔｈｅｒ ｓｔａｔｉｏｎ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ，ｗｈｉｃｈ ａｄｏｐｔｓ ｍｕｌｔｉ—ｔａｓｋ ｓｏｆｔｗａｒｅ，ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｅｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ＰＣ ｂｙ ｕｔｉｌｉｚｉｎｇ ＧＰＲＳ ａｎｄ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ｔｈｒｅｅ ｔｒｉｇｇｅｒ ｍｏｄｅｓ ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｃｏｍｍａｎｄ，ｔｉｍｉｎｇ ａｎｄ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ．Ａｆｔｅｒ ｔｒａｎｓｐｌａｎｔａｔｉ０ｎ ｏｆ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ
ｔｏ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｗｅａｔｈｅｒ ｓｔａｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｃａｎ ａｃｑｕｉｒｅ ｔｈｅ ｉｍａｇｅ
ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｆｒｏｍ ｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａＩ ｅｌｅｍｅｎｔ ｓｅｎｓｏｒ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｓｅｃｕｒｉｔｙ ｉＳ ｇｕａｒａｎｔｅｅｄ．Ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｌａｙ ｔｉｍｅ ｉｓ ｗｉｔｈｉｎ ２Ｏ ｓｅｃｏｎｄｓ，ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｓａｔｉｓｆｉｅｄ ｗｉｔｈ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ
ｏｆ ｖｉｓｕａｌ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｆｏｒ ＡＷＳ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｗｅａｔｈｅｒ ｓｔａｔｉｏｎ；ｖｉｓｕａｌ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ；Ｃ３２８；ＡＲＭ；ｕＣ／ＯＳ－ＩＩ；ＧＰＲＳ
收稿日期：２０１１－１１—２Ｏ． 基金项目：江苏省科技支撑计划（ＢＥ２００８１３９）；江苏省“六大人才高峰”计划；科技部公益性行业科研专项 （ＧＹＨＹ２００８０６０１４）；江苏省高校科研成果产业化推进项目（ＪＨＢ２０１１—１５）；江苏省“传感网与现代气象装 备”优势学科建设项目：校科研基金２００８０３２２． 作者简介：陈余才（１９８６一），男，硕士．现从事气象仪器与嵌入式系统研究．
万方数据·４０· 气象水文海洋仪器
０ 引言
自动气象站是指能按设定的要求，对多种气
象要素自动进行采集、处理、存储和传输的地面气 象观测智能设备 。我国于１９９９年将自动气象
站投入正式观测，它的使用改变了过去人工观测 的业务模式，提高了气象观ｉ贝４的时间密度和空间 密度，同时也保证了观测精度，为迅速、准确、有效
地提供气象保障与气象服务，打下良好的基础 。 在自动气象站建设的迅猛发展过程中，不同
地区的气候差异、气象站安装位置的不同，管理规 范缺失等，都会干扰自动气象站的正常工作。例
如：沿海地区自动气象站腐蚀比较严重，西北地区 尘土影响较大，丘陵地带易受到鸟类的攻击等等，
此外，非相关技术人员的不正确操作也会对气象 站正常工作造成影响。因此，有必要对自动气象
站进行可视化监控管理，实时反馈自动气象站的 运行情况，供气象观测人员及时了解和处理自动
气象站的异常现象，分析潜在的数据安全隐患，增 强自动气象站的可靠性和自我检错能力，具有重 要的实际意义ｌｌ３ｊ。 自动气象站可视化监控最初采用第一代模拟
监控系统，使用同轴电缆线传输，模拟方式存储， 具有传输距离有限，存储量大，易干扰等缺点。随
着图像信息技术和移动通信技术的迅猛发展，数 字化监控系统通过无线传输方式，使图像信息获 取变得更加灵活、便捷。目前，国内自动气象站可
视化监控主要集中在气象观测场的全局监控，有 线或３Ｇ无线宽带传输，监控系统独立，成本高。
本文将从低成本、局部监控气象传感器的角度出 发，通过复用自动气象站ＧＰＲＳ模块，主动发送 监控命令，或满足某种触发条件的时候，自动获取 可视化监控信息，在没有监控需求的时候，让出 ＧＰＲＳ模块的使用权，供自动气象站传输气象要 素信息，为自动气象站提供一种低成本、易移植、
灵活多变的可视化监控方案。
１系统结构和方案
为了让工作人员能够及时、定期或自动获取 自动气象站可视化监控信息，系统提供上位机命
令、定时、红外感应三种触发方式，驱动摄像头模 块采集图像信息，有效的保证可视化监控的全面 性、稳定性。
系统采用分层思想进行设计，由设备层、驱动 层、处理层和传输层构成，如图１所示。设备层是 Ｃ３２８摄像头模块，通过它拍摄到自动气象站传感
器的运行状况；驱动层由三部分组成，即：热释电
红外线传感器Ｄ２０３Ｓ、主控芯片的定时器、上位 机，通过ＧＰＲＳ发送指令，驱动处理层，控制Ｃ３２８ 模块；处理层由主控芯片ＬＰＣ２３８７，并嵌入
ｃ／ｏｓ－Ⅱ操作系统等组成，实现设备层的控制以 及数据的处理；传输层使用ＧＰＲＳ（Ｈ７１１８Ｃ）实现
信息的无线传输及系统的外部控制：发送拍照／复 位命令，打开／关闭定时器拍照模式，打开／关闭红 外拍照模式等 ］。
设备层
驱动层
处理层 寄
图１系统结构图
２硬件设计与配置
２．１ Ｃ３２８模块配置
Ｃ３２８模块主要由ＯｍｎｉＶｉｓｉｏｎ ＯＶ ４０／８ ＶＧＡ数字彩色图像传感器和ＯＶ５２８主控芯片组
成，图像传感器取回的图像数据直接压缩成 ＪＰＥＧ格式并通过串口传输到外部设备。它的主 要特点有：
（１）小尺寸，低成本，低功率； （２）由自带的ＥＥＰＲＯＭ提供指令接口，通
过ＲＳ－２３２与外部设备通信； （３）内置ＪＰＥＧ ＣＯＤＥＣ，支持不同分辨率图像； （４）传输速率快，ＪＰＥＧ图像数据的传输速率
最高可达到１１５．２ Ｋｂｐｓ； （５）无需外部ＤＲＡＭ，可暂时保存图像数据。 由于Ｃ３２８内置了一系列不同含义，易懂易 用的程序指令，所以在主控芯片加上ＲＳ２３２电平
转换芯片，即可与Ｃ３２８进行通信。以本设计为
万方数据· ４２ · 气象水文海洋仪器 Ｍａｒ．２０１２
式中：Ｆ 为定时器时钟。同时，其定时器计数器
（ＴＣ）也是３２位，因此，定时的时长足够系统要求。
２．４。３ 热释电红外线警报拍照 当有人接近自动气象站时，为了确定是否是
相关专业人员对自动站进行操作，系统通过热释 电红外线传感器Ｄ２０３Ｓ感应人体发出的红外线， 经过红外传感信号处理器ＢＩＳＳ０００１处理，输出 一个高电平信号，触发主控芯片ＬＰＣ２３８７的外部 中断，执行拍照任务［１ ，如图３所示。将
ＢＩＳＳ０００１芯片引脚Ａ接地，采用了不可重复触 发工作方式，即在延时时间 内，触动Ｄ２０３Ｓ都
被忽略，当 时间结束，ＶＯ跳变为低电平，同时 启动封锁周期 。在Ｔ 时间内，任何动作都不 能触发ＶＯ为高电平，其中Ｔ ， 公式如下：
图３ Ｄ２０３Ｓ触发中断原理图 Ｔｘ￣４９１５２×Ｒ１０×Ｃ６ （１） Ｔ ≈２４×Ｒ９×Ｃ７ （２） 系统可以根据可视化监控灵敏度的差异，调 整Ｒ９、Ｒ１０、Ｃ６、Ｃ７的值，满足不同的需要。
３软件系统设计［ｕ］
软件系统开发选用ＡＤＳ１．２为开发环境，包
括系统软件设计和应用软件设计。系统软件设计 的主要任务是将ｕｃ／ｏｓ－Ⅱ移植到ＬＰＣ２３８７上， 应用软件设计的主要任务是系统功能的实现。 ３．１ 系统软件设计
ｕｃ／ｏｓ－ＩＩ是一种基于优先级的抢占式多任 务实时操作系统口引。任何操作系统设计之初只 针对某一中特定的处理器，为了使之能够在某个
特定的处理器上运行，所以需要修改其源代码，这 个过程就叫移植。移植ｕＣ／ＯＳ一Ⅱ对硬件的要求
很低，只需该处理器有堆栈指针，有ＣＰＵ内部寄 存器入栈、出栈指令并且支持中断，产生定时中断
即可，对编译器的要求是支持ｃ语言和汇编语言 的混合编程，ＬＰＣ２３８７和ＡＤＳ１．２很好的满足了 移植的软硬件要求。要完成移植需要进行以下４ 个内容［１引：
（１）结合ＡＤＳ１．２编译手册，在ＯＳ—ＣＰＵ．Ｈ
中定义与处理器相关的常量、宏以及数据类型。 （２）修改文件０Ｓ ＣＦＧ．Ｈ，将不需要的系统
服务屏蔽，降低程序代码存储空间，减少资源损 耗。 （３）编写Ｃ语言文件ＯＳ—ＣＰＵ．Ｃ，实现对任 务控制块ＯＳ＿ＴＣＢ的操作。
（４）编写汇编语言文件ＯＳ＿ＣＰＵ．ＡＳＭ完成 任务栈的初始化。
３．２应用软件设计 ３．２．１ 系统任务功能和优先级设计 根据自动气象站可视化监控系统设计的要 求，将任务划分为命令接收处理模块、Ｃ３２８驱动
模块及图像数据发送模块３个任务。每个任务都 根据关键性、紧迫性和实时性的要求分配一定的 优先级［１ 。任务及中断的定义如表１、表２所示。
表１
系统多任务划分
万方数据