一種小型便攜式環境氣象觀測一體站的設計和研制

■ 侯競波 郭晉川 高元朋

便攜式環境氣象觀測一體站以傳統氣象站為開發基礎，以民用環境氣象觀測設備為設計標準，完成了對溫度、濕度、氣壓、風向、風速、雨量、PM2.5、PM10、VOC、CO2、噪聲及某一種氣體（SO2、NO2、NO、O3、CO、H2S中的一種）等12種固定的環境要素的檢測。便攜式環境氣象觀測一體站主要注重于設備的小型化、內部高度集成化和系統長時間工作的穩定性，具有較強的在野外環境下的工作能力。

氣象行業經過多年的發展，一個大范圍的氣象數據監測網已經基本建成。傳統的氣象觀測站體積往往較大，安裝不便捷，研究和設計出一款高度集成的多要素采集系統共同構建的新型便攜式環境氣象觀測一體站符合發展需求。便攜式環境氣象觀測一體站利用小體積、多參數的優勢，進行高密度布局，能夠完善“互聯網+氣象”發展規劃的底層基礎建設工作。

本研究設計和研制的便攜式環境氣象觀測一體站體積小，建筑面積只有2 m2左右，只需支立起便攜式三腳架的面積即可。而且，該一體站成本低，針對性強，主要針對多參數環境探測，可測量溫度、濕度、氣壓、風向、風速、雨量、PM2.5、PM10、VOC、CO2、噪聲及某一種氣體（SO2、NO2、NO、O3、CO、H2S中的一種），共計12種要素。

1 系統整體設計

本設備系統在硬件電路方面大致分為兩部分，包括主控部分電路板和數據采集部分電路板。主控電路板以STM32F103系列單片機為主控核心，外圍配接充放電控制模塊、FLASH存儲模塊、RTC實時時鐘模塊、RS232通信模塊和電源模塊。數據采集部分包括CO2采集模塊、VOC模塊、氣體檢測模塊、PM2.5模塊、氣壓模塊、溫濕度模塊、風向風速監測模塊和雨量模塊。除了上述采集模塊之外，系統不再具有增加外部其他模塊的擴展能力。主控系統通過與各個模塊進行協議上的通信和對采集到的數據進行實時處理來實現數據的采集。系統的供電方式可以使用太陽能電池板或12 V適配器，除此之外，本系統還配備大容量2萬 mAh的鋰電池在無外部供電設備連接時對整個系統進行供電。系統的整體框架如圖1所示。

圖1 便攜式環境氣象觀測一體站系統框圖

2 設備電路技術特點

自動氣象站設備是一種能進行自動氣象數據采集、存儲和發送，并能根據需要將實時觀測數據轉換成氣象報文和編制成氣象報表的地面氣象觀測設備。本文所述的便攜式環境氣象觀測一體站和自動氣象站相比，具有集成度高、占地面積小、環境搭建較為容易等優點。核心主控芯片為32位單片機，運行時鐘周期可達72 MHz，外部配有32 M大容量FLASH，存儲分鐘數據可達6個月。設備可通過外部RS232接口連接DTU設備，從而實現無線的方式和后端服務器進行數據交互。系統還可以通過外部的RS232接口通過有線的方式與電腦端上位機直連進行通信，上位機界面如圖2所示。

圖2 便攜式環境氣象觀測一體站接收數據上位機界面

本項目主要是針對室外的多種氣象要素長期觀測的需求而建立，并根據市場需求對傳感器進行選型與集成。根據前期市場調研，系統具有11個必選氣象要素和6個可選氣象要素（6選1），其中必選要素包括溫度、濕度、氣壓、風向、風速、雨量、PM2.5、PM10、VOC、CO2和噪聲，可選要素（6選1）包括硫化氫（H2S）、一氧化碳（CO）、一氧化氮（NO）、二氧化氮（NO2）、二氧化硫（SO2）、臭氧（O3），共計可采集12種要素。不同要素使用的傳感器特點如下：

1） 溫、濕度傳感器采用S H T 2 1傳感器，具有精度高、封裝小的優點，溫度精確度可達±0.3℃，濕度精確度可達±3.0%，溫度的采集范圍為-40～125℃，濕度的采集范圍為0～100%。

2） 氣壓傳感器采用BMP180傳感器，氣壓精確度可達±0.12 hPa，采集范圍為300～1100 hPa。

3） PM2.5傳感器采用PMS5003傳感器，PM2.5和PM10的采集精度和采集濃度相關，在濃度為100～500 μg/m3時，采集精確度為±10%，在濃度為0～100 μg/m3時，采集精度為±10 μg /m3。

4） CO2模塊采用紅外CO2模塊，測量范圍為400～2000 ppm（1 ppm=10-6），其測量精度為±40 ppm。

5） VOC模塊采用KQM2800模塊，采集范圍為0.1～30 ppm，測量準確度為±0.5 ppm。

6） 雨量傳感器采用翻斗式雨量桶，采集板將雨量筒輸出的開關信號做與非運算，計算出降雨量，該雨量計測量精度為0.1 mm。

7） 風速傳感器為公司自主研發，主要元器件為光電碼盤，其測量范圍0～60 m/s，其準確度為±0.3 m/s（≤10m/s時）、0.26±0.04×V m/s（＞10 m/s時，V為實測風速）。

8） 風向傳感器為公司自主研發，主要元器件為磁鐵和磁編碼器IC，其測量范圍為0～360°，其準確度為±1°。

氣體傳感器模塊選用三電極電化學傳感器，電化學傳感器內部含有化學藥品，通過氣體與內部化學藥品進行的氧化還原反應，將產生一個微弱的電流，而氣體濃度越高，就會使氧化還原反應越劇烈，最后再通過算法，對采集到的數據進行處理，即可得出相應的氣體濃度。由于三電極電化學傳感器接口統一，但每種電化學傳感器系數不同，本設備可接表1中6種氣體中的其中一種，電化學傳感器參數見表1。

系統外部還可配接太陽能充電板或電源適配器對系統進行供電，同時為保證在無外部供電設備接入的情況下穩定工作，設備內部還配備2萬 mAh鋰電池，使設備在無外部輸入的情況下可工作7天以上。隨著近幾年電池性能的提升，大容量國產電池相繼出現，其中以18650系列鋰電池為主，其電壓為2.7～4.2 V，單節電池無法滿足系統工作電壓需求，所以采用兩節鋰電池串聯的方式對系統進行供電，而為了保證電池充電時的安全性，平衡的充電模式是必不可少的，便攜式環境氣象觀測一體站采用纮康科技的HY2120芯片搭配8205A芯片對整個電池供電系統進行保護。系統內部還配備4 A的充放電控制器，使系統在有外部輸入時，可以在5 h以內將電池充滿，充放電控制器電路見圖3。

表1 電化學傳感器參數

3 設備結構技術特點

圖3 便攜式環境氣象觀測一體站充放電控制器電路

設備外殼全部采用鋁合金材質，大致結構包含風向傳感器、風速傳感器、通風罩、鋰電池、溫度傳感器、濕度傳感器和固定座，風向和風速傳感器通過一根穿線管將信號線和電源線與下方主控系統進行連接和固定。下方通風罩內集成了氣壓、CO2、PM2.5、VOC和氣體濃度檢測模塊，極大壓縮了空間占有率。由于考慮到內部電路板電源部分會發熱，從而影響到溫度傳感器的測量準確性，所以使用單獨的電路板將溫度傳感器獨立出來，引到了設備的最下方，這就極大地減小了電路對溫度傳感器的影響。設備內部總共包含14節大容量18650鋰電池，總含電量達到2萬 mAh以上。具體結構和外形見圖4，通風罩內部傳感器和電池布局見圖5。

圖4 便攜式環境氣象觀測一體站結構和外形圖

圖5 便攜式環境氣象觀測一體站內部結構圖

4 系統軟件流程

便攜式環境氣象觀測一體站采用ST公司的STM32F103系列單片機作為主控芯片，由于每種傳感器和單片機的通信方式均不相同，單片機需要為各個傳感器提供不同的接口。系統首次開機后，需要人工使用RS232串口為系統配置系統必要的設備參數，其中包括設備ID、系統時間、數據發送時間間隔等，設備信息設置完成后需要進行重啟操作。具體程序流程如圖6所示。

圖6 便攜式環境氣象觀測一體站程序流程圖

5 應用場景及開發意義

便攜式環境氣象觀測一體站是監測溫度、濕度、氣壓、風向、風速、雨量、PM2.5、PM10、VOC、CO2、噪聲及某一氣體（SO2、NO2、NO、O3、CO、H2S中的一種）等12種重要環境因子的物聯網終端，并且便攜式環境氣象觀測一體站可利用物聯網、云平臺等技術形成覆蓋重點區域的網絡平臺，實現環境氣象多元信息采集、分析、發布及跨行業數據資源共享，為政府決策提供依據。

便攜式環境氣象觀測一體站可以直接安裝于建筑物上（圖7），并使用外接DTU將數據傳輸到服務器，從而為居民提供局部空氣環境質量，還可使用和顯示器直連的方式，直接在居民區顯示出空氣環境質量。

圖7 便攜式環境氣象觀測一體站安裝于建筑物上

便攜式環境氣象觀測一體站還可以安裝于海洋浮標上方（圖8），再在外部配備太陽能充電設備和GPS定位設備，用DTU回傳的方式將海洋的氣象數據上傳至服務器，為航線規劃和海洋探測提供依據。

圖8 便攜式環境氣象觀測一體站安裝于海洋浮標上方

隨著智慧城市的普及和智慧氣象的快速發展，基于便攜式環境氣象觀測一體站還提出了一種智能燈桿的設計。便攜式環境氣象觀測一體站可立在馬路兩旁的延長壁上，可以使用手機APP等方式將氣象數據推送到路過行人的手機當中，還可以使用DTU 的方式將數據上傳到服務器，為交通行業提供可以參考的氣象數據（圖9）。

圖9 便攜式環境氣象觀測一體站安裝示例

6 結語

本文提出了便攜式環境氣象觀測一體站的設計理念。與自動站相比，便攜式環境氣象觀測一體站采用高集成方式對傳感器進行布局，極大減小了設備的體積，并減少了外部線纜的鋪設，從而提高了設備穩定性。便攜式環境氣象觀測一體站具有安裝便捷、占地面積小、采集要素多、應用場景廣等優勢，使其完全可以更全面應用到智慧城市中，為實現“互聯網+氣象”提供堅實的底層基礎建設工作。便攜式環境氣象觀測一體站的創新點在于以更好的系統穩定性和數據準確性為基礎，實現傳感器的高度一體化集成，同時便攜式環境氣象觀測一體站還極大降低了設備的安裝成本和生產難度。

深入閱讀

胡利軍, 馮小虎, 2008. 多種連接方式在自動站數據傳輸中的應用.氣象, 34(7): 114-117.

胡玉峰, 2004. 自動氣象站原理與測量方法. 北京: 氣象出版社.

沈文海, 2016. 再析氣象大數據及其應用. 中國信息化, (1): 85-96.

中國氣象局, 2003. 地面氣象觀測規范. 北京: 氣象出版社.