降水预报定性验证平台的设计与实现

摘要

为适应中国气象局提出的气象预报要向精细化方向发展的战略思想要求,解决由于降水监测站点分布稀少,以及现有自动气象站翻斗式雨量计难以测量小于0.1mm降水,较难获得小范围降水真实情况从而导致降水及部分灾害性(冰雹等)天气预报准确率低、空漏报率高等问题。提出并设计一种成本低廉、实用性强、可密集布点的降水信息采集平台。采用基于电容式和压电式原理的感雨器并结合温度传感器专用于获取降水起始与终止时间以及区分降水类型。平台利用基于CC2530的ZigBee无线通信技术,构建了降水数据的网络传输系统,实现了降水信息的实时传输。平台利用VC环境设计存放历史降水信息的数据库,可以实现历史降水信息的查阅,同时开发了基于Google Earth API的各降水监测点的实况界面。该平台不仅可以采集真实的降水的降水信息,用于订正降水预报,提高预报准确率,还可以获取不同的降水类型,对类似冰雹等灾害性天气预报准确率的提高也有一定的帮助。另外,本平台可大面积分布,从而减少大量的人力物力。
　　本文主要研究了电容式感雨器栅状电容的电容值与电极长度、宽度、间隔以及数目的关系,并在此基础上设计出一种高灵敏度的栅状电容,结合555振荡电路来将降水信号造成的电容变化转换为频率变化的电信号,同时设计了一种压电式传感器的感雨信号电荷放大器。为提高感雨精度,提出了感雨器安装、加热装置、降水起始与终止判断、降水类型区分等方案。
　　针对感雨器采集点分布广且密集的特点,综合对比多种通信协议,确定采用ZigBee技术的降水信息传输方案。在深入研究ZigBee的协议构架、网络设备及拓扑结构的基础上,在IAR编程环境下进行了感雨器信号处理与信息传输的程序设计。为解决野外供电问题,设计了太阳能充电的蓄电池供电电路。考虑到整个平台的稳定、简捷以及资源的有效利用,采用CC2530片上系统芯片作为主控制器,并对其无线射频电路和电源电路等进行了合理设计。经测试表明:该平台基本达到预期目标。能准确记录降水起始与终止时间以及对降水类型的简单分类,在通信质量好的情况下能准确传输数据,实时提供降水分布信息。达到了用于定性评估降水预报准确率的要求。

目录

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 前言

1.1.1 降水的监测

1.1.2 感雨器的定义

1.1.3 感雨器的分类

1.2 感雨器的国内外研究现状

1.3 研究的目的、意义和主要内容

1.3.1 研究目的及意义

1.3.2 研究内容

第二章 感雨传感器

2.1 传感器

2.1.1 传感器的定义

2.1.2 传感器的组成与分类

2.2 电容式传感器

2.2.1 电容式传感器的简介及特点

2.2.2 电容式传感器的分类

2.3 平面栅状电容传感器

2.3.1 平板电容器

2.3.2 带等量异号电荷的无限长平行导线的电容

2.3.3 带等量异号电荷的平面栅状电容传感器的电容

2.4 压电式传感器

2.5 感雨器的布设

2.6 本章小结

第三章 无线通信

3.1 ZigBee技术

3.1.1 ZigBee技术概述

3.1.2 ZigBee技术的主要特点

3.2 ZigBee协议构架

3.2.1 物理层

3.2.2 MAC层

3.2.3 网络层

3.2.4 应用层

3.3 ZigBee网络结构

3.3.1 ZigBee网络设备

3.3.2 ZigBee网络拓扑结构

3.4 CC2530芯片概述

3.4.1 CC2530简介

3.4.2 CC2530内部CPU介绍

3.4.3 CC2530特点

3.5 本章小结

第四章 硬件设计

4.1 硬件总体设计

4.2 无线模块电路设计

4.2.1 无线收发

4.2.2 无线收发射频电路

4.2.3 功率放大电路

4.3 电容测量电路及加热电路设计

4.3.1 TLC555和TLC556芯片

4.3.2 555振荡电路

4.3.3 双路555振荡电路设计

4.3.4 加热装置电路设计

4.4 电荷放大器电路设计

4.4.1 电荷放大器

4.4.2 电荷放大电路设计

4.5 温度采集模块设计

4.5.1 Pt100概述

4.5.2 温度采集电路设计

4.6 串口通讯模块电路设计

4.6.1 RS232标准

4.6.2 串口电路设计

4.7 电源管理模块电路设计

4.7.1 CN3083充电管理芯片

4.7.2 充电电路设计

4.7.3 电源供电电路设计

4.8 硬件抗干扰设计

4.9 本章小结

第五章 软件设计

5.1 ZigBee2007/PRO协议栈研究分析

5.1.1 IAR Embedded Workbench软件开发环境

5.1.2 ZigBee2007/PRO协议栈工作流程

5.2 下位机软件编程设计

5.2.1 协调器节点程序设计

5.2.2 路由器节点程序设计

5.2.3 降水起始与终止时间判断

5.2.4 终端设备节点程序设计

5.2.5 数据包格式设计

5.3 上位机软件编程设计

5.3.1 串口编程设计

5.3.2 降水起始与终止的综合判断和降水类型的判断

5.3.3 数据处理和存储系统设计

5.3.4 实时数据显示系统设计

5.3.5 结合雷达数据的感雨数据显示系统

5.4 本章小结

第六章 平台测试

6.1 硬件测试

6.2 软件测试

6.3 本章小结

第七章 总结与展望

参考文献

致谢

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