數字式多要素集成氣象測量模塊開發

呂雪芹，黃宏智，何艷麗

(廣東省氣象探測數據中心，廣州 510080)

0 引言

世界進入新時代，城市飛速發展、高層建筑林立，城市群高度密集，致使城市氣象災害頻發，突發性、極端性和不可預見性明顯增加。城市已經成為氣象災害的高風險地區，氣象防災減災形勢十分嚴峻。同時，城市運行對氣象條件具有高度敏感性，因此，新型智慧城市的智慧安全運行、建設和發展，更加需要有針對性、精細化的氣象觀測業務。氣象標準觀測對周邊環境要求較高，在復雜的城市環境存在較多局限性，所以需要一種更加便利的適應物聯網大數據應用的微型氣象觀測儀器，如在城市智慧綜合桿上掛載微型自動氣象站，那么，微型化多要素的集成氣象測量模塊開發顯得非常迫切。

氣象傳感器是氣象探測的重要基礎。隨著科學技術的不斷發展，氣象傳感器的測量精度和穩定性也不斷提高。早期一般使用模擬型傳感器，通過機械式指針標識參量、人工讀數，測量誤差通常比較大。近十多年來發展到數字型傳感器，即是分離傳感元件+A/D轉換電路組成的數字轉換電路。這些電路主要是集成度不高，占PCB面積大，很難微型化，抗干擾和穩定性相對較弱。甘志強[1]等根據目前已有氣象數據采集器特點，分析低功耗智能型氣象傳感器的設計方案，設計溫度和濕度測量電路，構建無線網絡完成數據傳輸，認為一體化設計能夠提高采集精度和穩定性。安學武[2]通過微芯片計算技術和小型化集成技術等多技術融合，實現了一種農業物聯網多傳感器一體化數據采集系統，用于農業信息化、智能化監測。吳法太[3]等設計一種同時具有溫度濕度氣壓三合一的氣象傳感器，安裝使用方便，適應物聯網大面積監測場景。以往多要素氣象傳感器基本上基于分立元件配置外圍電路設計，占用PCB面積大，確實存在相對較高成本以及穩定性較低等缺點[4]。目前MEMS技術發展很快，溫度、濕度和氣壓傳感器采用MEMS工藝制備，具有微型化、高精度和集成度高的優點，很小封裝就可以集成溫度濕度氣壓3個要素的傳感器，使傳感器微型化成為可能，而且通過某種總線方式輸出數字信號。

氣象行業的基礎氣象觀測，一般是為了滿足氣候研究和預報預警服務應用開展的標準觀測，觀測數據追求準確、穩定、連續、代表性強等特點。隨著智慧城市的建設和發展，面向智慧城市的智能化運行管理、發展，借助城市智能化基礎設施(城市云、物聯網、智慧燈桿等)，布設微型化氣象環境儀器，拓展社會觀測大數據，形成“泛在感知網”，不斷完善地空天一體化大城市氣象觀測能力，拓展社會觀測等大數據信息采集渠道，形成新型、精細化的城市氣象觀測業務。目前在城市的多功能智能桿安裝微型化氣象儀器，開展社會觀測的需求非常迫切。

作者利用高度集成芯片BME280為核心進行二次開發，成功開發了微型數字化的智能氣象傳感器，實現溫度、濕度和氣壓三個要素的精準測量。硬件設計上對外圍電路的電源電路進行了抗干擾優化設計，設計PCB時注重信號線布線的等長原則、平行原則和電磁兼容原則，減少串擾幾率，提高整體性能。單片機STC15W408AS對傳感器件的測量數據做進一步的軟件質量控制，形成高質量的氣象報文組包輸出。模塊里設計了通用的RS232接口和USB接口便于與上位機交互，通用性和便捷性得到大幅度提高。這種數字型多要素微型化的氣象測量模塊，能夠較好地適應社會觀測所需的微型化氣象測量儀器使用。

以下把多要素測量模塊設計細節描述出來，供讀者參考。

1 BME280芯片性能

BME280是一款具有溫度、大氣壓力和濕度的環境傳感器，非常適合各種天氣/環境要素測量的可行解決方案。屬于MEMS集成式環境傳感器，數字式輸出，專門為滿足移動應用如手機等設備需要重點考慮小尺寸和低功耗關鍵要求而開發的新一代產品。具有高精度壓力、濕度和溫度測量性能，線性度很高。采用 2.5×2.5×0.93(mm3)的8引腳、金屬蓋 LGA 封裝，低功耗(1 Hz 時3.6 μA)設計，長期穩定工作，EMC魯棒性極強。其主要技術指標如下：

工作電壓：3.3 V/5 V

溫度檢測：-40～85 ℃ (分辨率 0.01 ℃，精度±1 ℃)

濕度檢測：0～100%RH (分辨率 0.008%RH，精度±3%RH，響應時間1 s，滯后≤2%RH)

氣壓檢測：300～1 100 hPa (分辨率0.18 Pa，精度±1 hPa)

支持I2C接口通信，可設置從機地址。也可支持SPI接口通信，默認為I2C接口，可通過I/O口設置為SPI接口方式，非常方便在目前市場上普遍使用的單片機場景中應用。連接使用板載電平轉換電路，可兼容5 V/3.3 V電平，從而可以簡化外圍電路的復雜性和降低成本。

芯片還有一個優異特點就是具有較好的溫度補償能力，能夠對氣壓和濕度進行實時溫度修正，確保在全量程范圍內濕度、氣壓測量的準確性。

從芯片自身具備的性能指標來看，濕度指標達到氣象部門頒布的《自動氣候站功能規格需求書》要求，溫度和氣壓準確度尚有差距。但是如果用于社會氣象觀測用途，按照氣象部門要求，溫度和氣壓性能指標也是滿足的，因此可作為微型化的社會觀測設備使用。

2 硬件電路設計

2.1 主電路設計

BME280是一種純粹的數字式傳感器，由于只能輸出當前時刻的溫度、濕度及氣壓值，也即是氣象術語的“瞬時值”，僅僅是這些瞬時值還不能滿足氣象智能傳感器的功能要求，不能輸出氣象標準報文所需的各種氣象要素值，所以需要MCU讀數并處理成標準報文再輸出。MCU采用純國產芯片STC15W408AS，SOP16封裝，是新一代的16位簡化指令單片機，內嵌系統時鐘頻率高達48 MHz。芯片體積非常小，便于實現產品微型化。市場上普遍使用而且市場份額比較大，供貨能夠得到保證。由于BME280芯片接口為I2C或者SPI總線，不方便適配外圍數據采集終端設備連接，因此，模塊設計有RS232和USB接口對外通信，增強模塊的通用性和便利性。模塊的主要電路原理如圖1所示。

圖1 集成傳感器電路原理圖

對于一個精密測量模塊來說，硬件設計應該注意幾個方面技術問題，首先是電源設計是至關重要，紋波是否足夠小及穩定，對一個精密測量儀器來說非常關鍵，需要綜合考慮電磁兼容技術。另一方面就是輸出的接口電平應該符合標準規范要求，才能與外圍終端設備匹配，具備較好的通用性。因此，設計時必須注意的問題，MCU芯片STC15W408AS規定使用3.3 V電源，為了電平匹配，BME280以及串口MAX202和CH340N統一使用3.3 V供電。STC15W408AS有2個串口，其中一個與MAX202連接成為標準RS232接口，輸出大約-5～+5 V電平，滿足RS232標準規范電平要求。另一個串口通過CH340N將MCU的RS232TTL電平串口轉換為USB，一般來說，用戶端設備需要CH340驅動程序才能與CH340N通信。

電阻R1、R2、R3、R4是為了增強接口的可靠性而串聯在信號線上的，能夠有效防止異常電壓沖擊[5-6]，保護電路安全。

為了減少電源對BME280測量精度的影響，引腳6和引腳8接入的3.3 V需要加濾波電容C6和C8，濾掉高頻干擾信號。

BME280通過SPI總線(通過寄存器設置為SPI)與MCU通信，四線連接，SDI、SDO、CSK分別連接單片機的MOSI、MISO、SCLK，本模塊總線中只有一片BME280，片選CSB引腳可以直接接地GND。SPI總線讀寫速度非常快。

STC15W408內部有8 kB程序空間，5 kB不易失EEPROM，以及512字節RAM。對于處理溫度、濕度和氣壓三種要素的數據，計算環境條件都是足夠的,完全勝任讀取瞬時值并處理報文。單片機的運行速度也非常快，還可以做一些數據質控比較復雜的運算，也足以勝任高速通信的要求。

2.2 電源設計

把模塊看作集成傳感器，5 V供電取自與其連接的數據采集設備。如果鏈接USB，那么采集器端的USB接口5 V即供給模塊使用。如果連接采集器端RS232串口，則通過外接5 V對模塊供電。圖2為穩壓電路。5 V通過三端穩壓器LM1117S-3.3輸出3.3 V，驅動電流可以達到1 A，封裝采用SOT-223體積很小。輸入和輸出均加上高頻及低頻濾波電容是必須的，最好采用高頻陶瓷電容。

圖2 穩壓電路

需要注意的是，用戶端5 V電源接入端使用LC濾波電路[7-9]，如圖1中的濾波電路L1、C1及L2、C3，L1和L2使用磁珠代替。

2.3 PCB設計

微型化、數字式是本次設計的目的。PCB大小設計為50 mm×25 mm，有利于制作成筆狀傳感器，便于安裝在微型百葉箱里面。PCB板設計如圖3所示。為了增強抗干擾能力，頂層和底層需要敷銅，謹記敷銅與信號地GND連接[10-13]。在PCB上放置濾波電容電感器件應該盡量靠近芯片的電源輸入引腳，如C6、C8須緊靠BME280的引腳6及引腳6放置，增強濾波效果。電源布線走線盡量寬一些，一般不要小于12 mil，本設計中電源走線采取25 mil線寬。輸入端導線與輸出端導線應盡量避免平行布線以免發生耦合。STC15W408AS單片機芯片與BME280鏈接的數據線和地址線應盡量平行布線。

圖3 模塊的PCB

3 軟件設計

模塊的內嵌軟件采用C語言編寫。本設計重點是對BME280編寫代碼。包括芯片初始化、總線邏輯、寄存器寫、AD數據讀取等。單片機STC15W408初始化比較簡單，主要是完成引腳功能定義就可以使用。BME280芯片支持SPI和I2C兩種通信模式，因為模塊中只有一片BME280，可以把CSB引腳固定接地，上電就決定了它的接口方式為SPI，MCU實現SPI讀寫可以采用硬件邏輯完成，也可以使用軟件模擬來完成[14-16]，本設計使用軟件模擬總線邏輯來實現，使用起來更加靈活方便。

#include "bmp280.h"

#include "spi.h"

#include "STC8A_GPIO.h"

#define SCK_D(X) (X?(P15=1):(P15=0))

#define MOSI_D(X) (X?(P13=1):(P13=0))

#define MISO_I() P14

對BME280初始化代碼如下：

unsigned char BME280_Init(void)

{

unsigned char BME280_ID,ch;

//以下兩行軟件模擬SPI初始化

MOSI_D(1);

SCK_D(0);

BME280_ID=SPI_Receiver_Dat(ch,CHIP_ID_Addr);//Read the CHIP_ID- 0x58讀取芯片ID= 0x58

Parameter_Reading(); //讀取溫度、濕度和氣壓校準系數

SPI_Send_Dat(CMD_Addr,0xB6);//RESET

delay_ms(1000);

SPI_Send_Dat(IF_CONF_Addr,0x00);//設置4線SPI接口，禁止I2C看門狗啟動

SPI_Send_Dat(CONFIG_Addr,0x00);//設置IIR濾波器為旁路，即是沒有過濾

SPI_Send_Dat(FIFO_CONFIG,0x02);//設置寄存器包含FIFO幀內容配置

SPI_Send_Dat(INT_CTRL_Addr,0x02);//設置INT中斷引腳高電平有效，禁止所有中斷

SPI_Send_Dat(ODR_Addr,0x05);//設置輸出數據速率 0x04=80ms 0x05=160ms

SPI_Send_Dat(OSR_Addr,0x2d);//設置過采樣率x32

SPI_Send_Dat(ch,PWR_CTRL_Addr,0x33);//設置測量模式為正常模式，啟用壓力和溫度測量

delay_ms(1000);//需要適當延時等待芯片設置好

returnBME280_ID;

}

初始化以后，就可以對BME280進行讀寫了。下面通過軟件模擬SPI邏輯實現讀寫例程，代碼如下：

voidSPI_Send_Dat(unsigned char dat)

{ unsigned char n;

for(n=0;n<8;n++)

{ SCK_D(0);

if(dat&0x80)MOSI_D(1);

else MOSI_D(0);

dat<<=1;

SCK_D(1);

}

SCK_D(0);

}

unsigned char SPI_Receiver_Dat(void)

{ unsigned char n ,dat;

for(n=0;n<8;n++)

{ SCK_D(0);

dat<<=1;

if(MISO_I())dat|=0x01;

else dat&=0xfe;

SCK_D(1);

}

SCK_D(0);

returndat;

}

上述讀和寫例程是一次讀取或者寫入一個字節，可以進行寄存器參數設置，讀取AD轉換器的結果等。三個要素的數據都是通過SPI總線讀取。下面給出讀取溫度和氣壓代碼:

int32_t bmp280_read_Tdata()// 讀取溫度

{

unsigned char Temp_Data[3]={0};

intTemp_Result=0;

SPI_Receiver_Dat(BMP280_Read|BMP_Temp_msb);

Temp_Data[2]=SPI_Receiver_Dat(0xFF);

Temp_Data[1]=SPI_Receiver_Dat(0xFF);

Temp_Data[0]=SPI_Receiver_Dat(0xFF);

Temp_Result=Temp_Data[0]>>4;

Temp_Result|=Temp_Data[1]<<4;

Temp_Result|=Temp_Data[2]<<12;

returnTemp_Result;

}

Intbmp280_read_Pdata()// 讀取氣壓

{

unsigned char Press_Data[3]={0};

intPress_Result=0;

SPI_Receiver_Dat(BMP280_Read|BMP_Press_msb);

Press_Data[2]=SPI_Receiver_Dat(0xFF);

Press_Data[1]=SPI_Receiver_Dat(0xFF);

Press_Data[0]=SPI_Receiver_Dat(0xFF);

Press_Result=Press_Data[0]>>4;

Press_Result|=Press_Data[1]<<4;

Press_Result|=Press_Data[2]<<12;

returnPress_Result;

}

濕度讀取例程的代碼與溫度例程類似，限于篇幅，這里不再累述。讀取的瞬時值還需要進一步修正才能夠得到正確的溫度、濕度和氣壓值，芯片文檔有詳細說明，這里也不再累述。

獲得了正確的氣象要素數值后，需要進一步生成氣象報文，比如瞬時最大值最小值，1分鐘平均值，10分鐘滑動平均值等等，可以按照協議格式通過RS232或者USB接口輸出至用戶終端接收。

4 外場試驗分析

外場試驗的考核評估依據主要參考了《新型自動氣象(氣候)站功能需求書(修訂版)》和《氣象觀測專用技術裝備測試方法總則(修訂)》，對比觀測試驗內容包括對溫度、濕度、氣壓等數據獲取率、相關性、平均誤差、絕對離差、標準差等。

測量模塊的技術性能驗證需要實驗室靜態檢測和外場動態試驗，在實驗室靜態檢測滿足技術要求以后，開展外場觀測試驗是非常重要的，通過對外場實際觀測的數據進行評估和對比分析，來驗證測量模塊在實際工作的性能好壞[20-21]。

外場考核試驗處于自然環境中，存在各種各樣的干擾源，甚至惡劣的自然條件，動態試驗的結果能夠進一步說明模塊是否具有符合規定的測量準確性、長期工作穩定性以及組網應用的便捷性。評估結果表明了模塊的測量誤差和穩定性均達到了設計要求。

4.1 試驗方法

在廣州地區一個標準氣象觀測場范圍內，安裝了一套投入業務使用的具有氣象部門認證的自動氣象站作為參考標準，在參考標準站旁邊安裝一套被測的測量模塊，使兩者所處自然環境條件基本相同，確保兩者之間的可比性。測量模塊通過RS232接口連接數據采集器獲得實際觀測數據，參考標準自動站的數據正常上傳。為了試驗多變的天氣狀況，春天季節容易出現高濕天氣，因此選擇2019年11月至2020年2月時間段。外場觀測數據進行合理的數據質量控制，剔除個別人為因素造成的野值，形成數據集。對兩者之間的觀測數據進行如下對比分析。

在整個外場試驗考核的過程中，被測模塊與標準自動氣象站設備都采取自動校時機制，保持系統時間嚴格同步，保證獲取的觀測數據在時間上是一致的。同時，定期對兩種設備進行維護保養減少額外干擾。

4.2 評估方法

為了更好地反映被試驗模塊的觀測數據和標準參考站的觀測數據，統計兩者之間的相關系數、相對誤差、平均絕對誤差和標準差等幾個參數，這些參數能夠反映測量指標。具體的統計方法：

1)相關系數：相關系數是反應兩個研究變量之間線性相關程序的量，當相關系數的絕對值越接近1時，表示兩個研究變量之間線性相關程度越大，當相關系數的絕對值越接近0時，表示兩個研究變量之前線性相關程度越弱。

其中：ρXY代表相關系數，Cov(X,Y)代表X、Y的協方差D(X)、D(Y)，分別為X、Y的方差。

2)相對誤差：為絕對誤差與真值的比值。

其中：δ表示相對誤差，Y表示測試設備數據，X表示標準器數據。

3)平均絕對離差：平均絕對離差表示每個誤差值與平均誤差值之間的差的平均值。

4)標準差：

其中:σ為標準差，xi的平均值(算術平均值)為μ。

4.3 評估結果

數據分析時段：溫、濕、壓使用2019年11月至2020年2月的觀測數據。數據分析以正式業務使用的自動站觀測數據作為參考標準器，被考核模塊分別與標準器做各要素進行對比分析。

4.3.1 溫度

圖4為評估時間段的溫度曲線，黑色為標準參考站溫度，灰色為被測模塊溫度。

圖4 二者溫度曲線

為了更好地評估各個溫度段的線性關系，把所有樣本中的各個溫度段分別統計出來樣本個數，如表1所示。

表1 模塊測量數據各溫度范圍誤差

從表1可以看出，不同的溫度段的平均相對誤差相差比較小，說明測量線性比較好。

統計結果表明，被測模塊與標準器溫度的相關系數為0.993 479，平均相對誤差為0.031，絕對離差為0.015，標準差為0.029。這些誤差都滿足地面氣象觀測規定指標要求。

4.3.2 相對濕度

圖5為評估時間段的相對濕度曲線，黑色為標準參考站的相對濕度，灰色為被測模塊的相對濕度。

圖5 二者相對濕度曲線

與溫度評估方法類似，為了更好地評估各個濕度段的測量線性關系，把所有樣本中的各個相對濕度段分別統計出來樣本個數，如表2所示。

表2 被測模塊各相對濕度范圍誤差

從表2可以看出，不同的濕度段的平均相對誤差相差只有0.033，說明測量線性比較好。

統計結果表明，被測模塊與標準器相對濕度的相關系數為0.992 673，平均相對誤差為-0.004，絕對離差為0.032，標準差為0.047。這些誤差都沒有超過規定指標要求。

4.3.3 氣壓

圖6為評估時間段的氣壓曲線，黑色為標準參考站氣壓，灰色為被測模塊氣壓。

圖6 二者氣壓曲線

與溫度評估方法類似，為了更好地評估各個氣壓段的測量線性關系，把所有樣本中的各個氣壓段分別統計出來樣本個數，列表如表3。

表3 被測模塊各氣壓范圍誤差

從表3可以看出，不同的氣壓段的平均相對誤差相差只有-0.000 22，說明測量線性很好。

統計結果表明，被測模塊與標準器氣壓的相關系數為0.991 766，平均相對誤差為-0.000 22，絕對離差為0.000 385，標準差為0.000 479。這些誤差都沒有超過規定指標要求。

5 結束語

對于精密測量儀器來說，硬件設計和軟件設計的方法和經驗十分重要，方法得當才能保證精密儀器的性能和穩定性。基于BME280多要素環境傳感器設計的集成氣象多要素測量模塊，實現了一體化、微型化結構。雖然BME280本身有比較完善的誤差補償方法，但是電源和外設的影響不容忽視，還與外圍電路關系較大，通過科學合理的硬件設計，尤其是外圍電路的技術細節設計，對確保模塊的測量精度至關重要。用戶端提供的電源紋波大小和其他干擾可能會影響測量精度，本設計通過增加電源的LC濾波電路是非常必要的。軟件處理方法上，注意超采樣時間適當長一些，也就是AD轉換器的積分時間長一些。另外，采取連續讀取3次數值再做質控[17-19]，提取合理準確的數據，這也是全量程最大允許誤差指標不超標的重要保證。

國產單片機STC15W408自帶內部時鐘RTC，最高頻率可達24 MHz，不需要外部復位引腳，只有16根引腳，體積非常小，總體性能可以滿足一般用途，十分適合微型化產品設計，微型化設計適應大面積物聯網氣象監測的應用場景[20-21]。測量模塊兩個串口為實際應用提供極大便利。在實際的應用中，用于社會觀測的微型自動氣象站中使用，硬件性能穩定。

一個穩定可靠的精密儀器產品，需要經過長時間的外場試驗和評估，通過評估數據來說明產品性能的好壞。本模塊進行了四個月時間的外場試驗，通過實際觀測數據對其動態性能進行練綜合的評估，結果表明，模塊與標準器兩者之間的相關系數、相對誤差、平均絕對誤差和標準差等達到設計要求。當然，試驗也存在欠缺，一方面外場試驗時間只有四個月，相對來說時間比較短，而且只在冬天和春天，未能橫跨一年四季；另一方面是冬天和春天的天氣變化范圍不是太大，遠沒有接近全量程范圍；還有一方面是只有南方區域的試驗而缺少北方天氣場景。總的來說數據評估的代表性還是有點欠缺，需要以后進一步試驗和評估。