基于5G通信的地面气象观测站数据监测系统设计

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针对当前地面气象观测站中冗余干扰信息研究存在的数据监测精准度低的问题，提出基于 5G通信的地面气象观测站数据监测系统设计;以CC2430 芯片参考电路为基础，设计系统硬件结构，利用传感器单元将物理量转化为电信号形式，使用HMP45D型温度/湿度传感器调理温湿度信号，采用 MSP430F437 mcu模块，具有可编程电压管理器/监视器;通过GPRS通信模块，将采集到的气象数据传送到处理设备之中，经过后端数据处理模块完成数据处理;确定 5G通信 RIM一RS时域传输位置.，构建地面气象观测站数据监测方程，使用5G通信 TD一LTE远端基站干扰管理技术，完成观测站数据监测;由系统调试结果可知，该系统能够抑制来自雷达150°方位0～160 km 和雷达300°方位150～300 km 的干扰回波，数据监测精准度最高为 99%，对地面气象观测站数据具有良好的监测效果。
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$ |, V3 J9 X, F+ ?自动天气监测系统是目前国内应用最广泛的气象监测系统，是一种全新的气象数据基础监测方法。地面站的性能主要决定于地面站分布的空间密度和时间密度，初期气象监测系统是一种专业的硬件测量仪器。在仪器设计上，根据用户需求，明确了该系统的功能结构。在使用早期的天气监测系统时，很难修改或扩展系统功能。所以在发展过程中，既要消耗大量的物质资源和资金资源，又不利于提升和与时俱进，不利于推广。
1 u7 i$ H. [9 N) `3 A常规气象自动监测系统一般是一种台式的传统测量仪器，由许多不同的仪器组合而成的一个监测系统，使用场景单一、维护工作量大、成本高2】。传统的气象监测设备由于科技水平的不断提高，仍然存在着老化严重、技术落后、实验经费不足等问题。因此，提出了一种基于 5G通信技术的地面气象站数据监控系统的设计方案。结合 5G远程基站的工作原理和流程框架，采用时域、频域、空域和功率域的干扰抑制机制和方法，提出了5G 基站干扰管理解决方案。5G技术的出现为展示气象服务内容提供了多种途径，它能实时采集温度、相对湿度、风向、风速、降雨、气压等气象要素，能显示相关气象要素随时间的变化趋势，并能储存以往的历史数据，为气象研究和预报提供有效依据。
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7 M7 b8 {9 e: d; e/ @  f0 r1、基于5G通信监测系统框架设计
' g( t2 X% u$ D$ d$ s, E6 V图1中显示了由每个5G通信硬件节点组成的整体结构。
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8 n3 P* `/ k$ }8 b: C8 Z图1中最为重要的是无线传输芯片、微控芯片和支持5G通信协议的传感器芯片，在5G通信联盟中，各大公司纷纷推出相应的 5G 无线通信芯片。比如 TI 公司就拥有CC2420和CC2520，并且率先推出CC2430，它集成了单片机和无线传输芯片。以CC2420 单片机为核心的单片机5G通信解决方案芯片，具有高效的无线传输模块和 8051 控制器。以CC2430芯片为核心，加入少量外设即可完成整个系统。根据CC2430 芯片使用说明书中的参考电路，还需要增加∶
1）如控制开关、多个LED指示灯、UART接口的电源电路和IO电路，不增加其他传感器，因为内部温度传感器直接使用。
2）天线段设计使用了一种性能良好的 whip 芯片，而单片机天线接口则是射频差接口。为连接单级不平衡天线，需要一个转换电路，以实现平衡到不平衡。该系统采用 TI 公司微带电路方案。

2、硬件结构设计
移动通信技术 5G是目前蜂窝移动通信中最为先进的技术，天气监测系统是基于5G通信监测系统框架的，它由传感器、前端数据采集模块和后端数据处理模块 等组成。感应器用来检测气象因素，采集设备能够采集温度、相对湿度、风向、风速、降雨量和气压等气象要素。后台数据处理模块能 够处理前端数据采集模块获取的数据，该系统先采集气象资料，再将资料返回气象资料中心，进行资料显示与储存。气象台站也能基于以往储存的历史资料显示和分析历史天气状况。应用模块化、层次化编程思想，每个模块实现一种特定功能。硬件系统框架如图 2所示。

5 T! c( K1 u( e3 z2 D4 j, j2.1 感应器
' ~3 P) M* a0 e3 `5 Z' D选择亚德客磁性开关CMSG 三线常开 NPN 气缸感应器，能直接处理各种物理量，并将物理量转化为电子信号，供数据采集系统采集。在分析天气监测系统的基础上，通过信号调节装置将采集的传感器信号传送给计算机。
4 A4 T4 I  H" W- l, `2.2 信号调整
+ g0 z( {2 o+ K8 }信号灯调节装置采取措施放大、滤波和隔离由传感器和转换器发送的电信号，并将其转换成便于采集装置读取的信号。
采用铂热阻温度传感器采集温度、湿度信号，选择VAISALA公司的 HMP45D型温湿传感器，可广泛应用于各种仪器设备，如数据记录仪、实验室设备和气象站。传感接口简便，维护方便，广泛的使用环境特性，在高湿度的环境中，稳定性好，精度高，不受滞后性的影响，对粉尘、化学气体等环境因素有抵抗力。这是目前市场上最可靠的传感器之一，温湿度信号的调理电路如图3 所示。
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