一种民航气象观测自动站数据无线传输系统的研制

时间：2024-09-03

中国民用航空青岛空中交通管理站宋文佳

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实时的气象观测数据是管制部门指挥飞机起降必须的数据之一，在塔台管制中起到至关重要的作用，数据传输中断后，会严重影响飞行安全。近年来，全国机场出现多起空管系统传输线路被挖断情况。针对这种情况，本文设计了一款针对气象观测自动站数据的无线传输辅助系统。通过该系统可以作为对内场设备运行情况的一种监控手段和气象自动站数据传输的一套备份方式，保证数据传输的可靠性。

民航；气象；无线传输；自动站

引言

本项目针对民航气象设备的特点，采用嵌入式开发平台，引入实时串口信号采集、信号存储、无线发射接收技术和小功率远程无线传输等多种技术实现了该系统硬件设备的自主研发，完成重要数据的无线传输及异地显示功能。软件方面，数据库采用sql server，可视化数据监控界面采用.NET Framework平台进行架构设计，最终通过ASP.NET技术在监控网络的网页上显示传输数据信息并将历史数据制作成曲线图等产品。[1]

1. 设计目的

为实现自动化站数据的无线传输，实时监控各个站内设备的运行情况，达到数据备份以及设备运行、数据监控的目的。

2. 系统设计

该系统待测设备的状态信息通过数据线缆传给发射主机,发射主机将数据整合后通过USB线缆传到无线发射模块，由无线发射模块发射向空中发送出去；与接收主机相连的无线接收模块接收到外来数据进行判别后通过USB线缆传送到主机，然后由服务器进行处理及显示。本方案是完成无线发射模块和无线接收模块的设计。根据通用性和模块化的设计思想,无线模块的设计采用分离式设计,即无线模块由无线收发单元和载板组合的设计方法。

2.1 无线收发单元

无线收发单元是本设计方案的核心设计，无线收发单元主要由对外接口、MCU单元、时钟芯片、射频芯片及天线接口组成。对外接口与载板对接，由载板通过此接口对模块提供的电源和模式配置指令，同时完成串口数据的传输；MCU单元在接收到由对外接口传来的配置命令后对射频芯片进行配置，控制射频芯片将数据信号通过天线接口发射出去，并将接收到的信号通过对外接口传输到载板；时钟芯片为MCU及射频芯片提供同步时钟；天线接口连接天线，完成信号的发射与接收。[2]

2.1.1 对外接口

对根据信号形式的多样性，接口可选择通用性较强的排针式连接器，通用性强，连接可靠。

2.1.2 MCU单元

MCU单元选择Silicon labs公司的C8051F340芯片，内部有4个16位定时计数器、两个具有扩展波特率配置的全双工串口、一个增强型SPI接口、多大4352字节的内部RAM及多大40个的IO引脚，其70%的指令执行时间为1～2个系统时钟周期，系统最高时钟可达48MHz，具有高速精准的内部时钟振荡器。

2.1.3 射频芯片

射频芯片同样选用Silicon labs公司的产品，选用SI443x系列的无线收发器，其频率范围为380MHz～510MHz，接收灵敏度可达-124dBm，20dBm的最大发射功率，可设置多个频道，步进为1KHz，最高31250bps的波特率，支持无线唤醒，支持在线修改射频属性，支持多种调制解调方式，如FSK、GFSK、OOK及扩频调制等。

2.1.4 时钟芯片及天线选择

时钟芯片选用精度更高的30MHz的有源晶振，天线选择SMA接口的30dB高增益全向天线。

2.2 收发载板

收发载板的电源转换芯片，选用LM1117-3.3V芯片，具有良好的线性输出，将USB输入的5V电源转换为3.3V,为无线模块提供电源；U1芯片将USB信号转化为TTL电平的串口信号,选择CH340芯片，具有全速的USB设备接口，外围器件只需要晶振和电容，计算机端WINDOWS操作系统下的串口应用程序完全兼容，无需修改。硬件全双工串口，内置收发缓冲区，支持通讯波特率50bps～2Mbps；D1、D2为串口的收发指示，D3为电源指示灯，D4为无线模块的数据收发指示，对数据的收发传输一目了然；拨码开关S1用于配置收发模块的工作模式，使用2位的贴片拨码开关，体积小，使用灵活方便；接口J2与前面设计到外部无线模块相连接，完成无线模块与主机端通信的对接。[3][4]