基于互联网+智能化背景下的微型多功能气象仪设计

吴树添，全钊锋，张春美，张耀丹，向建安，杭彦伶

（广西民族师范学院 数理与电子信息工程学院，广西崇左，532200）

0 引言

当前，我国已经进入全面建设小康社会和构建社会主义和谐社会的新阶段。按照国家部署，从当前到 2035 年是我国基本实现现代化的关键时期。社会的经济发展对气象事业提出了更高的保障要求，如突发气象及相关灾害事件的预警预报、气候和气候变化预测预估、重大气象灾害风险评估等工作都要求有关气象部门提供准确可靠的实时观测数据。就极端天气对人们造成的损失而言，本世纪以来，我国平均每年因自然灾害造成的直接经济损失超过3000 亿元。因自然灾害每年大约有3 亿人次受灾[1]。可见极端天气的预警十分重要，截至当前，我国已基本建成了地基、空基、天基相结合，门类比较齐全，布局基本合理的现代化气象综合探测系统，能够实现对测量点温湿度、风向、风速、气压、土壤湿度等气象参数的实时测量，对主要气象灾害实现精准测量。它有助于我们了解环境中气象的变化情况、在工业、农业、渔业等行业中都起着重要的作用[2]。但是对于一些小范围、极端性、突发性强等气象灾害来说，现有的气象监测设施还不能完全覆盖到，又因体积大、户外充电困难和高昂的成本无法被普及。微型化气象自动化观测系统的建成对于提高天气气候预报准确率方面具有重要意义[3]。因此，我们设计了一个“基于互联网+智能化背景下的微型多功能气象仪”。微型多功能气象仪不仅可监测到周边地区的气象信息，如气温、湿度、风速等多个要素，在日常生活中，用户还可以通过手机APP、电脑端和微信小程序查看实时数据。如果出现极端天气状况，比如大雨、冰雹、雷电等情况时，微型多功能气象仪可以通过软件向周边人员进行预警，提醒人们提前做好准备工作。城市中的交通、城市绿化、人们的出行等都需要气象环境监测；乡村中的智慧农业种植和乡村地区突发大暴雨、狂风等极端天气做出预警，可以说微型多功能气象仪的监测范围非常广泛可以帮助城乡精细化管理。

1 系统设计

本设计总体采用模块化设计，由主要锂电池供电模块、STM32 主控模块、气象数据采集模块、ADC 采集模块、显示屏模块以及无线网络通信模块构成。本设计通过ADC 采集紫外线强度、风速、风向、PM2.5 颗粒浓度，以及土壤湿度等多个传感器数据，发送部分应用无线网络通信模块实现数据的通信传输，接收部分则由手机APP、物联网云平台以及LCD 显示模块等组成，进行实时监测，并且进行可视化图形数据显示，记录当前数据，并存入指定数据日志系统中，实现气象信息的智能化管理。本设计的设计结构组成框图如图1 所示。

图1 系统设计框图

2 硬件设计

微型多功能气象仪的硬件设计包括传感器模块、显示屏模块和外部通信设备模块三个部分，测量部分利用光照强度、风速、风向、温度、湿度、大气压强、紫外线强度、PM2.5 颗粒浓度、土壤湿度等传感器采集气象要素信息，具体的参数将显示在LCD 液晶屏幕上，同时LCD 液晶屏幕上显示的还有本设备仪器的电池容量、实时时间等，并将气象参数通过串口触摸屏显示并通过ESP8266-01S 模块实现与物联网云平台的远程数据传输，本设计的硬件设计的整体框架图如图2 所示。

图2 微型多功能气象仪硬件整体框架图

2.1 STM32 主控模块

根据本设计要求，控制器主要用于各个传感器信号的接收和辨认、控制无线传输模块发送和接收数据，控制液晶显示等。STM32F103C8T6 单片机算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制。由于其功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点，各个领域应用广泛。并且由于本设计需要用到的芯片引脚少，因此在本设计中采用STM32F103C8T6 单片机处理各种工作[4]。

2.2 BH1750 光照检测模块

本设计采用的BH1750 光照检测模块是一种数字式光强度传感器，可测量环境光照强度并将其转换为数字信号输出，BH1750 光照检测模块采用数字信号输出，测量结果稳定准确，并且具有较高的光学抗干扰性能，BH1750 光照强度检测模块电路连接图3 所示。

图3 BH1750 光照强度模块

2.3 AHT10 温湿度模块

本设计中使用的温湿度传感器模块为AHT10 模块，其具有高精度和快速响应的特点，模块采用薄膜湿度传感器和温度传感器来测量区域环境的湿度和温度，它通过内部集成的ADC 将模拟信号转换为数字信号，通过I2C 接口输出，模块数据测量的量程大且精度较高，对环境中的湿度测量范围为0%～100%相对湿度，精度为±2%，温度测量范围为-40℃～+85℃，精度为±0.3℃，AHT10 温湿度检测模块电路连接如图4 所示。

图4 AHT10 温湿度检测模块

2.4 大气压强检测模块

本设计采用的BMP280 气压传感器模块是一种数字式气压温度传感器模块，能够检测出环境中的空气温度和大气压力两项数据信息，BMP280 模块体积小并且测量精度高，最高具有高达0.01hPa 的气压测量精度，这使其可以实现非常精确的气压测量，且模块的经济成本较低，以及在使用中较低的功耗，工作电流仅有2.7μA，更符合本设计的微型化且低功耗的要求。BMP280 大气压强检测模块电路连接图如图5 所示。

图5 BMP280 大气压强检测模块

2.5 GY-ML8511 紫外线检测模块

紫外线检测方面中，本设计采用的GY-ML8511 传感器是一种紫外线强度传感器模块，主要利用ML8511 芯片实现紫外线强度的检测。GY-ML8511 传感器模块在不同的紫外线强度下不同的电压值，可直接接入单片机的模拟端口读取模拟电压值，用于测量紫外线强度。

2.6 DS3231 时钟模块

本设计采用的DS3231 实时时钟芯片是一款具有高精度和低功耗的时钟模块，DS3231 时钟芯片可以为本设计提供毫秒、秒、分、时以及年、月、日、星期等实时时间信息，DS3231 时钟芯片应用了先进的温度补偿技术，可以在-40℃～85℃内保持高精度，其时间精确度的年误差在±2 分钟范围内，DS3231 时钟模块电路连接图如图6 所示。

图6 DS3231 时钟模块

2.7 无线网络通信模块

微型多功能气象仪的运行监测功能是指用户通过规定的软件查看微型气象仪采集气象的数据和运行状态参数，采集气象的数据由各个传感器采集后通过无线网络通信模块传送至云平台，包括传感器采集的数据，以及供电电压等。

本设计采用ESP8266-01S 无线模块，ESP8266 是一个无线保真（WiFi）的小工具。它是芯片（SoC）一个实用系统，它支持无线802.11 b/g/n 标准，具有STA/AP/STA+AP三种工作模式，内置TCP/IP 协议栈，支持多路TCP Client连接和丰富的SocketAT 指令等功能[5]。在内置的与TCP/IP 协议中，可以结合任意微控制器与任何WiFi 网络来连接，使用AT 指令固件与单片机进行通信，更方便与单片机进行连接，在本设计中ESP8266 是通过MQTT 协议实现与OneNet 平台连接及交换数据。

3 软件设计

3.1 系统主程序设计

在本设计中，我们设计了一个实时的智能终端用户监测系统来完成软件的气象数据采集功能，便携式气象仪能够完成多个气象参数量的多种采集样式的采集。软件设计的原理和流程由STM32 芯片与部分传感器模块之间通过I2C 总线进行数据传输，在软件设计上，使用了I2C、串口、MQTT等通信协议，包括I2C 总线数据采集、数据处理和数据传输三个部分，本设计采用了MQTT 协议实现数据传输，通过WiFi 模块将采集的数据上传至云端，以供远程控制和监控，系统程序流程图如图7 所示。

图7 程序流程图

3.2 OneNET 云 平台的设计

云平台采用的是由中国移动打造的OneNET 物联网开放平台[6]，可在平台上创建相关的产品及接入设备。MQTT 协议基于TCP/IP 协议栈，是一种轻量级的通信协议，适用于设备与云平台之间的可靠通信。设备连接WIFI后， 与OneNET 平台进行连接，将传感器采集到的数据进行打包及JSON 数据格式化后发送到云平台[7]。云平台将自动解析JSON格式的数据，形成图像数据，生成可视化界面。本设计生成的可视化界面如图8 所示。在同一个产品下接入多台设备，每个设备有各自独立的子系统，用于接收子系统所收集的气象数据，实现一个产品可以显示不同地点的气象信息。

图8 可视化界面图

3.3 终端用户的设计

在本设计中，手机客户端使用的是基于HBuilder X 开发与设计的手机APP 和小程序。终端用户可以通过特定的软件和小程序查看微型多功能气象仪的一些状态数据，如系统电量、实时气象数据等。

本设计根据系统的需求在HBuilder X 开发环境下利用uve 框架，通过可视化地设计和调整了应用程序的用户界面，对本程序进行界面设计和开发。客户端成功连接网络后，通过无线网对客户端进行建立连接以及数据对接等通信过程，最终在手机客户端显示经过分析和处理的实时气象信息数据。除了查看数据之外，并且本设计具有一定的监测功能，终端用户可以预先设定数值，当系统监测到数据超过假定的数值时，系统将触发报警器来提醒用户。

3.4 功能测试及结果分析

本设计包含的功能主要分为硬件功能和软件功能两个部分，本节对“基于互联网+智能化背景下的微型多功能气象仪”在工作时的使用状态进行测试和分析。

3.4.1 硬件性能进行测试与分析

通过在崇左市室外放置微型多功能气象仪采集不同时间段的气象数据，测试不同状况下气象仪的工作状态和工作能力，将测试数据与气象站的数据进行对比，进行气象仪的精度分析，部分测试结果如表1 所示。

表1 物联网微型气象仪在不同时间段的测试数据

“基于互联网+智能化背景下的微型多功能气象仪”的硬件性能经过测试及实际数据对比，测试数据的误差在允许范围内，满足本设计的设计指标要求。

3.4.2 手机APP 功能测试与分析

经过我们对手机APP的多次测试，测试结果得出手机APP 可以正常下载和使用，手机APP 接收并显示的气象数据与传感器检测的数据一致，实现了物联网微型气象仪的实时数据传送和监测。图9 为手机APP 功能效果图。

图9 手机APP 某一实验的数据效果图

由上述测量数据可以看出，经过软硬件测试后，本设计成功实现了对温度、湿度、气压、光照强度、大气压强等多个气象要素的测量、显示，并通过STM32 单片机进行数据处理，互联网进行数据的实时传送，实现微型气象仪的便携、准确性。虽然微型多功能气象仪所测量的数据与实际数据有所偏差，但此偏差在可接受的范围内，可以认为是准确反映环境的气象状况。

4 结语

本课题研究的微型多功能气象仪以微型化和多功能作为本设备的研究目的。本设备采用先进的技术来提高系统的集成度，使得体积相比于传统气象仪而言更微小且功能多，在不同的环境下，放置该系统进行周围数据的监测，用户可根据监测数据的改变对自身的活动进行调整。该系统通过无线传输的方式为用户提供周边地区气象实时监测数据，其低成本、微型化、多功能等特点易于普及小区域的气象测量，用来满足用户对于环境参数测量的准确性和数据传送的实时性的需求，为工农业生产和人民群众生活提供精细化服务。