基于STM32的便携式智能气象站设计

王琛玮, 燕并男

(西安石油大学,电子工程学院,陕西,西安 710065)

0 引言

气象灾害主要包括干旱、洪涝、暴雨、冰雹等由大气对人类的生存发展产生直接或间接损害的自然灾害,是发生频率高、影响范围十分广泛的自然灾害之一[1-2]。因此,可自动测量天气状况的气象站的作用尤为重要。

本文以便携式智能气象站为主要研究对象,目的在于实现多种气象数据的采集、处理和传送,以STM32为核心控制器,集成多个功能模块,使得信息可以实现远程传输,用户可以在上位机界面进行读取和分析,完成功能、性能、功耗、安装等方面都满足要求的便携式无人值守的智能气象采集系统。

1 系统方案设计

系统总体上共有5个模块,分别为电源模块、主控制器模块、信号采集模块、通信模块以及OneNET云平台模块。系统总体设计如图1所示。

图1 系统结构框图

电源模块负责给所有气象传感器以及主控制器供电。信号采集模块按照采集信号类型的不同,分为485总线传感器、输出模拟信号的雨量传感器、输出数字信号的五合一气象站模块[3],各自通过不同的接口将信号传输至STM32F103C8T6主控模块。主控模块内部将RS485总线传输的信号按照MODBUS协议转换格式类型,所有数据处理完成后,统一经由通信模块上传,ESP8266 Wi-Fi模块在进行配网及AT指令测试后[4-5],与OneNET云平台连接,在大屏上分析与显示气象数据变化,当参数波动超出所设定范围时,云平台会将触发器ID、触发器名称、数据流类型、阈值等信息发送给管理者[6],可实现气象灾害或极端天气的报警。

2 硬件部分设计

系统硬件部分由STM32主控模块、数据采集模块、通讯模块、电源模块等4部分组成。

2.1 主控制器

主控制器模块采用STM32F103C8T6[7],其最小系统主要由STM32主控、电源电路、BOOT启动电路、晶振电路、串口下载电路、按键与复位电路等6部分组成。其最小系统如图2所示。

2.2 数据采集模块

数据采集模块包括大气压力、空气温度、相对湿度、海拔、风速、风向、噪声、土壤温度、土壤湿度、PM2.5、PM10、雨量等传感器。

2.2.1 风速、风向传感器

风向传感器RS-FX-N01可以采集8个风向信息,即北风、东北风、东风、东南风、南风、西南风、西风、西北风,在云平台端分别以0～7表示,采集值为0～360°。风速传感器RS-FS-N01小巧便携,三杯式设计可以有效获得风速信息。它们均具有标准ModBus-RTU通信协议,接入方便。实物图如图3所示。

图3 风向和风速传感器实物图

2.2.2 空气质量传感器

空气质量传感器RS-PM-N01[8]主要用于测量PM2.5及PM10,是一款工业级通用颗粒物质量浓度变送器,测量范围为0～1000 μg/m3,分辨率为1 μg/m3,PM2.5和PM10的数据同时输出,采用独有的双频数据采集及自动标定技术,一致性可以达到±10%。实物图如图4所示。

图4 空气质量传感器实物图

2.2.3 土壤温度、湿度传感器

土壤温湿度传感器采用广州赛通科技有限公司研制的485型传感器,该传感器具有精度高、响应快、输出稳定的特性,完全防水(见图5)。供电采用DC 9～24 V,平均功耗为150 mW,土壤温度测量范围为-40～+80 ℃,土壤湿度测量范围为0～100% RH,温度测量精度为±0.5% ℃,温度分辨率为0.1 ℃,湿度分辨率为0.1%RH,响应时间不超过1 s,输出信号为RS485通信方式。

图5 土壤温湿度传感器实物图

2.2.4 噪声传感器

噪声传感器RT-ZS-BZ的安装方式为PCB板载,测量范围为30～120 dB,频响范围为20～12.5 kHz。采用电容传声器,具有性能稳定、动态范围宽的特点。实物图如图6所示。

图6 噪声传感器实物图

2.2.5 五合一气象站模块

GY-39是一款高性能、低成本的专用气象站模块,可以测量大气压力、空气湿度、温度、光照强度、海拔等5个气象参数[9],功耗小,供电电压为3～5 V,选用UART或IIC通信方式。实物图如图7所示。

2.3 通信模块

通信模块实现2个功能:一是采集环节中各个气象传感器与STM32单片机之间的通信这里主要采用RS485总线通信方式;二是STM32单片机与上位机之间的通信,采用Wi-Fi通信方式。原理图如图8所示。

图8 RS485通信及Wi-Fi通信电路图

2.4 电源模块

电源模块主要包括给传感器供电的12 V开关电源、PCB板上12 V转5 V的稳压部分以及用于给STM32供电的5 V转3.3 V稳压部分。

3 软件部分设计

系统软件设计的核心在于获取多个气象传感器的数据,然后通过无线传输模块将数据发送至OneNET云平台,主程序流程如图9所示。OneNET平台数据可视化大屏显示界面如图10所示。

图9 系统主程序流程图

4 总结

本文设计了一种基于STM32主控器结合多个气象传感器,通过ESP8266实现与云平台无线连接与远程通信的多功能、低功耗、便携式小型智能气象站系统。主要设计分为硬件部分与软件部分,经过系统软硬件联调,最终实现了既定功能,达到了预期效果。经过实验测试,该系统不仅简单便携,还可以提高气象站采集数据、传输及处理数据的效率。另外,该系统云平台端可实现气象数据分析、系统数据导出、气象灾害与极端天气报警、数据可视化显示等功能,为后期气象数据的应用奠定了良好的基础。