王琛瑋, 燕并男

(西安石油大學(xué),電子工程學(xué)院,陜西,西安 710065)

0 引言

氣象災(zāi)害主要包括干旱、洪澇、暴雨、冰雹等由大氣對(duì)人類的生存發(fā)展產(chǎn)生直接或間接損害的自然災(zāi)害,是發(fā)生頻率高、影響范圍十分廣泛的自然災(zāi)害之一[1-2]。因此,可自動(dòng)測(cè)量天氣狀況的氣象站的作用尤為重要。

本文以便攜式智能氣象站為主要研究對(duì)象,目的在于實(shí)現(xiàn)多種氣象數(shù)據(jù)的采集、處理和傳送,以STM32為核心控制器,集成多個(gè)功能模塊,使得信息可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程傳輸,用戶可以在上位機(jī)界面進(jìn)行讀取和分析,完成功能、性能、功耗、安裝等方面都滿足要求的便攜式無(wú)人值守的智能氣象采集系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體上共有5個(gè)模塊,分別為電源模塊、主控制器模塊、信號(hào)采集模塊、通信模塊以及OneNET云平臺(tái)模塊。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

電源模塊負(fù)責(zé)給所有氣象傳感器以及主控制器供電。信號(hào)采集模塊按照采集信號(hào)類型的不同,分為485總線傳感器、輸出模擬信號(hào)的雨量傳感器、輸出數(shù)字信號(hào)的五合一氣象站模塊[3],各自通過(guò)不同的接口將信號(hào)傳輸至STM32F103C8T6主控模塊。主控模塊內(nèi)部將RS485總線傳輸?shù)男盘?hào)按照MODBUS協(xié)議轉(zhuǎn)換格式類型,所有數(shù)據(jù)處理完成后,統(tǒng)一經(jīng)由通信模塊上傳,ESP8266 Wi-Fi模塊在進(jìn)行配網(wǎng)及AT指令測(cè)試后[4-5],與OneNET云平臺(tái)連接,在大屏上分析與顯示氣象數(shù)據(jù)變化,當(dāng)參數(shù)波動(dòng)超出所設(shè)定范圍時(shí),云平臺(tái)會(huì)將觸發(fā)器ID、觸發(fā)器名稱、數(shù)據(jù)流類型、閾值等信息發(fā)送給管理者[6],可實(shí)現(xiàn)氣象災(zāi)害或極端天氣的報(bào)警。

2 硬件部分設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件部分由STM32主控模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、通訊模塊、電源模塊等4部分組成。

2.1 主控制器

主控制器模塊采用STM32F103C8T6[7],其最小系統(tǒng)主要由STM32主控、電源電路、BOOT啟動(dòng)電路、晶振電路、串口下載電路、按鍵與復(fù)位電路等6部分組成。其最小系統(tǒng)如圖2所示。

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊包括大氣壓力、空氣溫度、相對(duì)濕度、海拔、風(fēng)速、風(fēng)向、噪聲、土壤溫度、土壤濕度、PM2.5、PM10、雨量等傳感器。

2.2.1 風(fēng)速、風(fēng)向傳感器

風(fēng)向傳感器RS-FX-N01可以采集8個(gè)風(fēng)向信息,即北風(fēng)、東北風(fēng)、東風(fēng)、東南風(fēng)、南風(fēng)、西南風(fēng)、西風(fēng)、西北風(fēng),在云平臺(tái)端分別以0～7表示,采集值為0～360°。風(fēng)速傳感器RS-FS-N01小巧便攜,三杯式設(shè)計(jì)可以有效獲得風(fēng)速信息。它們均具有標(biāo)準(zhǔn)ModBus-RTU通信協(xié)議,接入方便。實(shí)物圖如圖3所示。

圖3 風(fēng)向和風(fēng)速傳感器實(shí)物圖

2.2.2 空氣質(zhì)量傳感器

空氣質(zhì)量傳感器RS-PM-N01[8]主要用于測(cè)量PM2.5及PM10,是一款工業(yè)級(jí)通用顆粒物質(zhì)量濃度變送器,測(cè)量范圍為0～1000 μg/m3,分辨率為1 μg/m3,PM2.5和PM10的數(shù)據(jù)同時(shí)輸出,采用獨(dú)有的雙頻數(shù)據(jù)采集及自動(dòng)標(biāo)定技術(shù),一致性可以達(dá)到±10%。實(shí)物圖如圖4所示。

圖4 空氣質(zhì)量傳感器實(shí)物圖

2.2.3 土壤溫度、濕度傳感器

土壤溫濕度傳感器采用廣州賽通科技有限公司研制的485型傳感器,該傳感器具有精度高、響應(yīng)快、輸出穩(wěn)定的特性,完全防水(見(jiàn)圖5)。供電采用DC 9～24 V,平均功耗為150 mW,土壤溫度測(cè)量范圍為-40～+80 ℃,土壤濕度測(cè)量范圍為0～100% RH,溫度測(cè)量精度為±0.5% ℃,溫度分辨率為0.1 ℃,濕度分辨率為0.1%RH,響應(yīng)時(shí)間不超過(guò)1 s,輸出信號(hào)為RS485通信方式。

圖5 土壤溫濕度傳感器實(shí)物圖

2.2.4 噪聲傳感器

噪聲傳感器RT-ZS-BZ的安裝方式為PCB板載,測(cè)量范圍為30～120 dB,頻響范圍為20～12.5 kHz。采用電容傳聲器,具有性能穩(wěn)定、動(dòng)態(tài)范圍寬的特點(diǎn)。實(shí)物圖如圖6所示。

圖6 噪聲傳感器實(shí)物圖

2.2.5 五合一氣象站模塊

GY-39是一款高性能、低成本的專用氣象站模塊,可以測(cè)量大氣壓力、空氣濕度、溫度、光照強(qiáng)度、海拔等5個(gè)氣象參數(shù)[9],功耗小,供電電壓為3～5 V,選用UART或IIC通信方式。實(shí)物圖如圖7所示。

2.3 通信模塊

通信模塊實(shí)現(xiàn)2個(gè)功能:一是采集環(huán)節(jié)中各個(gè)氣象傳感器與STM32單片機(jī)之間的通信這里主要采用RS485總線通信方式;二是STM32單片機(jī)與上位機(jī)之間的通信,采用Wi-Fi通信方式。原理圖如圖8所示。

圖8 RS485通信及Wi-Fi通信電路圖

2.4 電源模塊

電源模塊主要包括給傳感器供電的12 V開(kāi)關(guān)電源、PCB板上12 V轉(zhuǎn)5 V的穩(wěn)壓部分以及用于給STM32供電的5 V轉(zhuǎn)3.3 V穩(wěn)壓部分。

3 軟件部分設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的核心在于獲取多個(gè)氣象傳感器的數(shù)據(jù),然后通過(guò)無(wú)線傳輸模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至OneNET云平臺(tái),主程序流程如圖9所示。OneNET平臺(tái)數(shù)據(jù)可視化大屏顯示界面如圖10所示。

圖9 系統(tǒng)主程序流程圖

4 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)了一種基于STM32主控器結(jié)合多個(gè)氣象傳感器,通過(guò)ESP8266實(shí)現(xiàn)與云平臺(tái)無(wú)線連接與遠(yuǎn)程通信的多功能、低功耗、便攜式小型智能氣象站系統(tǒng)。主要設(shè)計(jì)分為硬件部分與軟件部分,經(jīng)過(guò)系統(tǒng)軟硬件聯(lián)調(diào),最終實(shí)現(xiàn)了既定功能,達(dá)到了預(yù)期效果。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試,該系統(tǒng)不僅簡(jiǎn)單便攜,還可以提高氣象站采集數(shù)據(jù)、傳輸及處理數(shù)據(jù)的效率。另外,該系統(tǒng)云平臺(tái)端可實(shí)現(xiàn)氣象數(shù)據(jù)分析、系統(tǒng)數(shù)據(jù)導(dǎo)出、氣象災(zāi)害與極端天氣報(bào)警、數(shù)據(jù)可視化顯示等功能,為后期氣象數(shù)據(jù)的應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。