基于STM32的便攜式智能氣象站設計

王琛瑋, 燕并男

(西安石油大學,電子工程學院,陜西,西安 710065)

0 引言

氣象災害主要包括干旱、洪澇、暴雨、冰雹等由大氣對人類的生存發展產生直接或間接損害的自然災害,是發生頻率高、影響范圍十分廣泛的自然災害之一[1-2]。因此,可自動測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象,目的在于實現多種氣象數據的采集、處理和傳送,以STM32為核心控制器,集成多個功能模塊,使得信息可以實現遠程傳輸,用戶可以在上位機界面進行讀取和分析,完成功能、性能、功耗、安裝等方面都滿足要求的便攜式無人值守的智能氣象采集系統。

1 系統方案設計

系統總體上共有5個模塊,分別為電源模塊、主控制器模塊、信號采集模塊、通信模塊以及OneNET云平臺模塊。系統總體設計如圖1所示。

圖1 系統結構框圖

電源模塊負責給所有氣象傳感器以及主控制器供電。信號采集模塊按照采集信號類型的不同,分為485總線傳感器、輸出模擬信號的雨量傳感器、輸出數字信號的五合一氣象站模塊[3],各自通過不同的接口將信號傳輸至STM32F103C8T6主控模塊。主控模塊內部將RS485總線傳輸的信號按照MODBUS協議轉換格式類型,所有數據處理完成后,統一經由通信模塊上傳,ESP8266 Wi-Fi模塊在進行配網及AT指令測試后[4-5],與OneNET云平臺連接,在大屏上分析與顯示氣象數據變化,當參數波動超出所設定范圍時,云平臺會將觸發器ID、觸發器名稱、數據流類型、閾值等信息發送給管理者[6],可實現氣象災害或極端天氣的報警。

2 硬件部分設計

系統硬件部分由STM32主控模塊、數據采集模塊、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],其最小系統主要由STM32主控、電源電路、BOOT啟動電路、晶振電路、串口下載電路、按鍵與復位電路等6部分組成。其最小系統如圖2所示。

2.2 數據采集模塊

數據采集模塊包括大氣壓力、空氣溫度、相對濕度、海拔、風速、風向、噪聲、土壤溫度、土壤濕度、PM2.5、PM10、雨量等傳感器。

2.2.1 風速、風向傳感器

風向傳感器RS-FX-N01可以采集8個風向信息,即北風、東北風、東風、東南風、南風、西南風、西風、西北風,在云平臺端分別以0～7表示,采集值為0～360°。風速傳感器RS-FS-N01小巧便攜,三杯式設計可以有效獲得風速信息。它們均具有標準ModBus-RTU通信協議,接入方便。實物圖如圖3所示。

圖3 風向和風速傳感器實物圖

2.2.2 空氣質量傳感器

空氣質量傳感器RS-PM-N01[8]主要用于測量PM2.5及PM10,是一款工業級通用顆粒物質量濃度變送器,測量范圍為0～1000 μg/m3,分辨率為1 μg/m3,PM2.5和PM10的數據同時輸出,采用獨有的雙頻數據采集及自動標定技術,一致性可以達到±10%。實物圖如圖4所示。

圖4 空氣質量傳感器實物圖

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、響應快、輸出穩定的特性,完全防水(見圖5)。供電采用DC 9～24 V,平均功耗為150 mW,土壤溫度測量范圍為-40～+80 ℃,土壤濕度測量范圍為0～100% RH,溫度測量精度為±0.5% ℃,溫度分辨率為0.1 ℃,濕度分辨率為0.1%RH,響應時間不超過1 s,輸出信號為RS485通信方式。

圖5 土壤溫濕度傳感器實物圖

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,具有性能穩定、動態范圍寬的特點。實物圖如圖6所示。

圖6 噪聲傳感器實物圖

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,可以測量大氣壓力、空氣濕度、溫度、光照強度、海拔等5個氣象參數[9],功耗小,供電電壓為3～5 V,選用UART或IIC通信方式。實物圖如圖7所示。

2.3 通信模塊

通信模塊實現2個功能:一是采集環節中各個氣象傳感器與STM32單片機之間的通信這里主要采用RS485總線通信方式;二是STM32單片機與上位機之間的通信,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開關電源、PCB板上12 V轉5 V的穩壓部分以及用于給STM32供電的5 V轉3.3 V穩壓部分。

3 軟件部分設計

系統軟件設計的核心在于獲取多個氣象傳感器的數據,然后通過無線傳輸模塊將數據發送至OneNET云平臺,主程序流程如圖9所示。OneNET平臺數據可視化大屏顯示界面如圖10所示。

圖9 系統主程序流程圖

4 總結

本文設計了一種基于STM32主控器結合多個氣象傳感器,通過ESP8266實現與云平臺無線連接與遠程通信的多功能、低功耗、便攜式小型智能氣象站系統。主要設計分為硬件部分與軟件部分,經過系統軟硬件聯調,最終實現了既定功能,達到了預期效果。經過實驗測試,該系統不僅簡單便攜,還可以提高氣象站采集數據、傳輸及處理數據的效率。另外,該系統云平臺端可實現氣象數據分析、系統數據導出、氣象災害與極端天氣報警、數據可視化顯示等功能,為后期氣象數據的應用奠定了良好的基礎。