許杰文，郭羽翔，朱克備

(1.三明市氣象局，三明 365000；2.清流縣氣象局，清流 365300)

0 引言

PAMS-I型便攜自動氣象站應用現(xiàn)代氣象傳感器技術、數(shù)據(jù)采集器技術、微機與通信技術，實時對監(jiān)測地區(qū)的大氣溫度、濕度、壓力、風向和風速等氣象要素進行全自動觀測，通過筆記本電腦顯示實時氣象信息。雖然PAMS-I支持使用RS-232有線傳輸和SIM卡無線傳輸，但是廠家提供的無線接收軟件為中心站服務軟件，需要自建接收服務器系統(tǒng)并向寬帶運營商申請公共網(wǎng)絡IP，才能使用無線接收方式。使用無線接收數(shù)據(jù)方法復雜且成本高，使用RS-232有線傳輸雖然可以本地直接接收數(shù)據(jù)，但是需要用1根數(shù)據(jù)線連接到采集器，當遇到災害性天氣時，應急保障人員需要到現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)，為了接收數(shù)據(jù)，人員必須在便攜自動氣象站旁，人身安全存在隱患。

將PAMS-I型便攜自動氣象站的近端傳輸方式基于ESP8266芯片改造成無線傳輸方式，使近端有效傳輸距離延長到10 m以上，并且不用受串口線的束縛，可在有效范圍內(nèi)隨意移動和擺放接收用的筆記本電腦，極大地方便了便攜自動氣象站的使用，保障了惡劣天氣下現(xiàn)場應急維護人員的人身安全。

1 設備系統(tǒng)改造設計

1.1 設備改造原理

此次改造采用軟、硬件聯(lián)合開發(fā)的技術路線，利用ESP8266WiFi芯片將RS-232串口接收到的數(shù)據(jù)轉換成無線WiFi信號發(fā)射出去，筆記本電腦連接到ESP8266芯片生成的WiFi熱點，利用虛擬串口軟件模擬出1個串口，利用該虛擬串口模擬有線連接的方式采集便攜自動氣象站的數(shù)據(jù)。

1)對PAMS-I型便攜自動氣象站的數(shù)據(jù)發(fā)送端進行改造，加裝串口信號轉換模塊和ESP8266無線芯片以及電源轉換模塊，將數(shù)據(jù)發(fā)送方式修改為無線發(fā)送；

2)在ESP8266無線芯片中寫入設備信息修改的網(wǎng)頁，通過該網(wǎng)頁導入要修改的WiFi設置項目來修改WiFi信號傳輸；

3)在筆記本電腦端安裝虛擬串口軟件，模擬有線傳輸。

1.2 主芯片ESP8266介紹

在國內(nèi)外，WiFi芯片的生產(chǎn)商和種類很多，性能各異，但都能實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的功能。其中，ESP8266是一款性價比高的低功耗無線芯片[1]。ESP8266內(nèi)置32位CPU，能夠獨立運行，廣泛應用于智能家居、工業(yè)無線控制和無線傳感器等領域[2]，集成了標準數(shù)字外設接口、天線開關、射頻 balun、功率放大器、低噪放大器、過濾器和電源管理模塊等，僅需很少的外圍電路，可將所占 PCB空間降低；ESP8266共有17個GPIO管腳，通過配置適當?shù)募拇嫫骺梢越oGPIO管腳分配不同的功能。

ESP8266支持3種模式，分別是soft AP模式、station模式和softAP+station模式[3]。

station模式：ESP8266模塊通過路由器連接互聯(lián)網(wǎng)，利用手機或電腦通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)對設備的遠程控制。

soft AP模式：ESP8266模塊作為熱點，手機或電腦直接與模塊通信，實現(xiàn)局域網(wǎng)無線控制。

文章采用softAP模式，即把ESP8266當作一個WiFi 熱點[4]。

ESP8266模塊的底層固件是可定制的，可以在NodeMCU網(wǎng)站上定制ESP8266模塊固件，給模塊添加adc、sjson、http等功能。

1.3 串口轉換模塊介紹

串口是連接ESP8266芯片與PAMS-I便攜自動氣象站的指令交互橋梁，PAMS-I便攜自動氣象站的串口型號為DB9，文章也采用DB9串口。由于ESP8266芯片的串行數(shù)據(jù)輸出為TTL電平，而不是標準的RS-232電平，同時ESP8266芯片的供電電壓為 3.3 V，因此文章采用MAXIM公司的MAX3232電平轉換芯片將TTL電平與RS-232電平進行轉換。MAX3232是一種能夠實現(xiàn) RS-232 與 TTL 兩種邏輯電平相互轉化的專用芯片，芯片內(nèi)部包含二路接收器和二路驅動器以及1個電源電壓變換器，且只需3.3 V電源供電。MAX3232芯片的硬件接口十分簡單，單片機的串行接收端RXD和串行發(fā)送端TXD可直接連接到 MAX3232 的相應端口上[5]。

2 設備改造方法

2.1 設備的改裝和連接

將串口轉換模塊連接在PAMS-I上，ESP8266芯片上的21、22號管腳連接到串口TTL上的TXD和RXD接口，ESP8266芯片上的8、15號管腳并聯(lián)到ESP8266的VCC和GND引腳并連接到LM2596S DC-DC直流可調降壓電源模塊，電源模塊負責將PAMS-I的12 V電壓轉換成3.3 V電壓供電。

2.2 定制固件和程序燒寫

1)登錄NodeMCU網(wǎng)站，網(wǎng)址為https：//nodemcu-build.com/，登錄網(wǎng)頁后在“Your email”下的編輯框輸入自己的郵箱地址用于接收定制好的固件；

2)在“Select modules to include”選框內(nèi)勾選ADC、HTTP和SJSON 3個功能(如圖1，其余7個基礎選項是默認選好的不需要去改變，共有10個功能)；

圖1 選擇需要定制的功能

3)勾選完成后，點擊網(wǎng)頁左下方的“Start your build”按鈕，5 min后，生成的固件程序下載地址就會發(fā)送到預留的郵箱里，只需從下載地址下載固件程序即可；

4)將ES8266的15、18號管腳進行短接，使芯片進入燒寫模式，打開燒寫工具“ESP8266Flasher-x86-v0.9.2.4.exe”，在“配置”選項卡里只勾選“INTERNAL：//FLASH”選項，其他選項均不勾選，然后選擇下載好的固件程序，在“操作”選項卡里點擊“一鍵燒寫”按鈕，待進度條結束，若左下角出現(xiàn)綠色的“完成”字樣則表示固件燒寫成功。

2.3 導入應用程序

1)運行“LuaLoader.exe”程序導入配置好的應用程序，在命令欄的“setting”選項中打開串口，命令輸出框會彈出ESP8266芯片中的固件信息，可以看到之前定制的固件信息。若未彈出信息，則需更改右上角的波特率，找到正確的波特率即可正常連接。然后點擊“Upload File…”，選擇要導入的應用程序。

2)導入應用程序后，點擊右下角的“file.list”查看已經(jīng)導入的程序文件列表，目前該改造項目導入的文件有5個：“init.lua”、“httpServer.lua”、“index.html”、“udp.lua”和“index1.html”。導入完成后檢查文件是否齊全，確認需要導入的文件均導入成功后，點擊“Restart”開始運行程序。

3)應用程序列表

init.lua：芯片里的IP信息和端口設置、連接設備的IP地址和端口信息、ESP8266生成的無線WiFi信號的名稱和密碼都寫在該文件中。

httpServer.lua：http基礎服務的應用程序，該程序為網(wǎng)頁程序的基底，寫入該程序后html的網(wǎng)頁程序才能生效。

udp.lua：UDP服務程序，文件包括了串口設置和UDP服務器參數(shù)設置[6，7]。

index.html：主頁面程序，輸入IP地址可查看ESP8266芯片的IP地址和連接設備的IP地址。

index1.html：配置應用程序導入頁面，可導入init.lua和udp.lua文件，如果修改過這兩個文件，可以通過該網(wǎng)頁導入。

3 連接電腦接收數(shù)據(jù)

1)安裝虛擬串口程序USR-VCOM并生成虛擬串口(圖2)，其中目標端口和本地端口在寫入ESP8266的應用程序里的“init.lua”文件中。

圖2 用USR-VCOM設置虛擬串口

2)用筆記本電腦的無線網(wǎng)卡連接ESP8266發(fā)射出來的無線信號，設置信息都寫在了“init.lua”文件中，將筆記本電腦的無線網(wǎng)卡設置為自動獲取IP地址。

3)啟動便攜自動氣象站的接收端軟件，然后點擊命令欄的“系統(tǒng)參數(shù)設置”，在串口“通訊傳輸”框內(nèi)選擇要使用的COM端口號。

4)選好接收軟件的串口后，查看USR-VCOM里的虛擬串口是否變?yōu)椤伴_啟”，若變?yōu)椤伴_啟”則表示接收軟件已經(jīng)成功連接虛擬串口，然后查看“網(wǎng)絡接收”和“串口接收”兩處是否有數(shù)字增加，若有數(shù)字增加則表示已經(jīng)開始正常收發(fā)數(shù)據(jù)，此時等待接收端軟件接收便攜自動氣象站的數(shù)據(jù)即可。

4 結束語

基于物聯(lián)網(wǎng)無線傳輸芯片ESP8266改造的無線傳輸系統(tǒng)電路簡單可靠、經(jīng)濟實用，通過該系統(tǒng)能夠解除PAMS-I型便攜自動氣象站近端傳輸時的有線束縛，使傳輸更便捷，提升了便攜自動氣象站的使用安全性。目前該設備已應用于三明市氣象裝備網(wǎng)絡和裝備保障中心便攜站的應急響應和防恐演練，將來會逐步推廣到其他縣、市的便攜自動氣象站中。