吳樹添，全釗鋒，張春美，張耀丹，向建安，杭彥伶

（廣西民族師范學(xué)院 數(shù)理與電子信息工程學(xué)院，廣西崇左，532200）

0 引言

當(dāng)前，我國已經(jīng)進(jìn)入全面建設(shè)小康社會和構(gòu)建社會主義和諧社會的新階段。按照國家部署，從當(dāng)前到 2035 年是我國基本實現(xiàn)現(xiàn)代化的關(guān)鍵時期。社會的經(jīng)濟發(fā)展對氣象事業(yè)提出了更高的保障要求，如突發(fā)氣象及相關(guān)災(zāi)害事件的預(yù)警預(yù)報、氣候和氣候變化預(yù)測預(yù)估、重大氣象災(zāi)害風(fēng)險評估等工作都要求有關(guān)氣象部門提供準(zhǔn)確可靠的實時觀測數(shù)據(jù)。就極端天氣對人們造成的損失而言，本世紀(jì)以來，我國平均每年因自然災(zāi)害造成的直接經(jīng)濟損失超過3000 億元。因自然災(zāi)害每年大約有3 億人次受災(zāi)[1]。可見極端天氣的預(yù)警十分重要，截至當(dāng)前，我國已基本建成了地基、空基、天基相結(jié)合，門類比較齊全，布局基本合理的現(xiàn)代化氣象綜合探測系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對測量點溫濕度、風(fēng)向、風(fēng)速、氣壓、土壤濕度等氣象參數(shù)的實時測量，對主要氣象災(zāi)害實現(xiàn)精準(zhǔn)測量。它有助于我們了解環(huán)境中氣象的變化情況、在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、漁業(yè)等行業(yè)中都起著重要的作用[2]。但是對于一些小范圍、極端性、突發(fā)性強等氣象災(zāi)害來說，現(xiàn)有的氣象監(jiān)測設(shè)施還不能完全覆蓋到，又因體積大、戶外充電困難和高昂的成本無法被普及。微型化氣象自動化觀測系統(tǒng)的建成對于提高天氣氣候預(yù)報準(zhǔn)確率方面具有重要意義[3]。因此，我們設(shè)計了一個“基于互聯(lián)網(wǎng)+智能化背景下的微型多功能氣象儀”。微型多功能氣象儀不僅可監(jiān)測到周邊地區(qū)的氣象信息，如氣溫、濕度、風(fēng)速等多個要素，在日常生活中，用戶還可以通過手機APP、電腦端和微信小程序查看實時數(shù)據(jù)。如果出現(xiàn)極端天氣狀況，比如大雨、冰雹、雷電等情況時，微型多功能氣象儀可以通過軟件向周邊人員進(jìn)行預(yù)警，提醒人們提前做好準(zhǔn)備工作。城市中的交通、城市綠化、人們的出行等都需要氣象環(huán)境監(jiān)測；鄉(xiāng)村中的智慧農(nóng)業(yè)種植和鄉(xiāng)村地區(qū)突發(fā)大暴雨、狂風(fēng)等極端天氣做出預(yù)警，可以說微型多功能氣象儀的監(jiān)測范圍非常廣泛可以幫助城鄉(xiāng)精細(xì)化管理。

1 系統(tǒng)設(shè)計

本設(shè)計總體采用模塊化設(shè)計，由主要鋰電池供電模塊、STM32 主控模塊、氣象數(shù)據(jù)采集模塊、ADC 采集模塊、顯示屏模塊以及無線網(wǎng)絡(luò)通信模塊構(gòu)成。本設(shè)計通過ADC 采集紫外線強度、風(fēng)速、風(fēng)向、PM2.5 顆粒濃度，以及土壤濕度等多個傳感器數(shù)據(jù)，發(fā)送部分應(yīng)用無線網(wǎng)絡(luò)通信模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的通信傳輸，接收部分則由手機APP、物聯(lián)網(wǎng)云平臺以及LCD 顯示模塊等組成，進(jìn)行實時監(jiān)測，并且進(jìn)行可視化圖形數(shù)據(jù)顯示，記錄當(dāng)前數(shù)據(jù)，并存入指定數(shù)據(jù)日志系統(tǒng)中，實現(xiàn)氣象信息的智能化管理。本設(shè)計的設(shè)計結(jié)構(gòu)組成框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計框圖

2 硬件設(shè)計

微型多功能氣象儀的硬件設(shè)計包括傳感器模塊、顯示屏模塊和外部通信設(shè)備模塊三個部分，測量部分利用光照強度、風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度、大氣壓強、紫外線強度、PM2.5 顆粒濃度、土壤濕度等傳感器采集氣象要素信息，具體的參數(shù)將顯示在LCD 液晶屏幕上，同時LCD 液晶屏幕上顯示的還有本設(shè)備儀器的電池容量、實時時間等，并將氣象參數(shù)通過串口觸摸屏顯示并通過ESP8266-01S 模塊實現(xiàn)與物聯(lián)網(wǎng)云平臺的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，本設(shè)計的硬件設(shè)計的整體框架圖如圖2 所示。

圖2 微型多功能氣象儀硬件整體框架圖

2.1 STM32 主控模塊

根據(jù)本設(shè)計要求，控制器主要用于各個傳感器信號的接收和辨認(rèn)、控制無線傳輸模塊發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，控制液晶顯示等。STM32F103C8T6 單片機算術(shù)運算功能強，軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實現(xiàn)各種算法和邏輯控制。由于其功耗低、體積小、技術(shù)成熟和成本低等優(yōu)點，各個領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。并且由于本設(shè)計需要用到的芯片引腳少，因此在本設(shè)計中采用STM32F103C8T6 單片機處理各種工作[4]。

2.2 BH1750 光照檢測模塊

本設(shè)計采用的BH1750 光照檢測模塊是一種數(shù)字式光強度傳感器，可測量環(huán)境光照強度并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸出，BH1750 光照檢測模塊采用數(shù)字信號輸出，測量結(jié)果穩(wěn)定準(zhǔn)確，并且具有較高的光學(xué)抗干擾性能，BH1750 光照強度檢測模塊電路連接圖3 所示。

圖3 BH1750 光照強度模塊

2.3 AHT10 溫濕度模塊

本設(shè)計中使用的溫濕度傳感器模塊為AHT10 模塊，其具有高精度和快速響應(yīng)的特點，模塊采用薄膜濕度傳感器和溫度傳感器來測量區(qū)域環(huán)境的濕度和溫度，它通過內(nèi)部集成的ADC 將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，通過I2C 接口輸出，模塊數(shù)據(jù)測量的量程大且精度較高，對環(huán)境中的濕度測量范圍為0%～100%相對濕度，精度為±2%，溫度測量范圍為-40℃～+85℃，精度為±0.3℃，AHT10 溫濕度檢測模塊電路連接如圖4 所示。

圖4 AHT10 溫濕度檢測模塊

2.4 大氣壓強檢測模塊

本設(shè)計采用的BMP280 氣壓傳感器模塊是一種數(shù)字式氣壓溫度傳感器模塊，能夠檢測出環(huán)境中的空氣溫度和大氣壓力兩項數(shù)據(jù)信息，BMP280 模塊體積小并且測量精度高，最高具有高達(dá)0.01hPa 的氣壓測量精度，這使其可以實現(xiàn)非常精確的氣壓測量，且模塊的經(jīng)濟成本較低，以及在使用中較低的功耗，工作電流僅有2.7μA，更符合本設(shè)計的微型化且低功耗的要求。BMP280 大氣壓強檢測模塊電路連接圖如圖5 所示。

圖5 BMP280 大氣壓強檢測模塊

2.5 GY-ML8511 紫外線檢測模塊

紫外線檢測方面中，本設(shè)計采用的GY-ML8511 傳感器是一種紫外線強度傳感器模塊，主要利用ML8511 芯片實現(xiàn)紫外線強度的檢測。GY-ML8511 傳感器模塊在不同的紫外線強度下不同的電壓值，可直接接入單片機的模擬端口讀取模擬電壓值，用于測量紫外線強度。

2.6 DS3231 時鐘模塊

本設(shè)計采用的DS3231 實時時鐘芯片是一款具有高精度和低功耗的時鐘模塊，DS3231 時鐘芯片可以為本設(shè)計提供毫秒、秒、分、時以及年、月、日、星期等實時時間信息，DS3231 時鐘芯片應(yīng)用了先進(jìn)的溫度補償技術(shù)，可以在-40℃～85℃內(nèi)保持高精度，其時間精確度的年誤差在±2 分鐘范圍內(nèi)，DS3231 時鐘模塊電路連接圖如圖6 所示。

圖6 DS3231 時鐘模塊

2.7 無線網(wǎng)絡(luò)通信模塊

微型多功能氣象儀的運行監(jiān)測功能是指用戶通過規(guī)定的軟件查看微型氣象儀采集氣象的數(shù)據(jù)和運行狀態(tài)參數(shù)，采集氣象的數(shù)據(jù)由各個傳感器采集后通過無線網(wǎng)絡(luò)通信模塊傳送至云平臺，包括傳感器采集的數(shù)據(jù)，以及供電電壓等。

本設(shè)計采用ESP8266-01S 無線模塊，ESP8266 是一個無線保真（WiFi）的小工具。它是芯片（SoC）一個實用系統(tǒng)，它支持無線802.11 b/g/n 標(biāo)準(zhǔn)，具有STA/AP/STA+AP三種工作模式，內(nèi)置TCP/IP 協(xié)議棧，支持多路TCP Client連接和豐富的SocketAT 指令等功能[5]。在內(nèi)置的與TCP/IP 協(xié)議中，可以結(jié)合任意微控制器與任何WiFi 網(wǎng)絡(luò)來連接，使用AT 指令固件與單片機進(jìn)行通信，更方便與單片機進(jìn)行連接，在本設(shè)計中ESP8266 是通過MQTT 協(xié)議實現(xiàn)與OneNet 平臺連接及交換數(shù)據(jù)。

3 軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計

在本設(shè)計中，我們設(shè)計了一個實時的智能終端用戶監(jiān)測系統(tǒng)來完成軟件的氣象數(shù)據(jù)采集功能，便攜式氣象儀能夠完成多個氣象參數(shù)量的多種采集樣式的采集。軟件設(shè)計的原理和流程由STM32 芯片與部分傳感器模塊之間通過I2C 總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，在軟件設(shè)計上，使用了I2C、串口、MQTT等通信協(xié)議，包括I2C 總線數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)傳輸三個部分，本設(shè)計采用了MQTT 協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，通過WiFi 模塊將采集的數(shù)據(jù)上傳至云端，以供遠(yuǎn)程控制和監(jiān)控，系統(tǒng)程序流程圖如圖7 所示。

圖7 程序流程圖

3.2 OneNET 云 平臺的設(shè)計

云平臺采用的是由中國移動打造的OneNET 物聯(lián)網(wǎng)開放平臺[6]，可在平臺上創(chuàng)建相關(guān)的產(chǎn)品及接入設(shè)備。MQTT 協(xié)議基于TCP/IP 協(xié)議棧，是一種輕量級的通信協(xié)議，適用于設(shè)備與云平臺之間的可靠通信。設(shè)備連接WIFI后， 與OneNET 平臺進(jìn)行連接，將傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行打包及JSON 數(shù)據(jù)格式化后發(fā)送到云平臺[7]。云平臺將自動解析JSON格式的數(shù)據(jù)，形成圖像數(shù)據(jù)，生成可視化界面。本設(shè)計生成的可視化界面如圖8 所示。在同一個產(chǎn)品下接入多臺設(shè)備，每個設(shè)備有各自獨立的子系統(tǒng)，用于接收子系統(tǒng)所收集的氣象數(shù)據(jù)，實現(xiàn)一個產(chǎn)品可以顯示不同地點的氣象信息。

圖8 可視化界面圖

3.3 終端用戶的設(shè)計

在本設(shè)計中，手機客戶端使用的是基于HBuilder X 開發(fā)與設(shè)計的手機APP 和小程序。終端用戶可以通過特定的軟件和小程序查看微型多功能氣象儀的一些狀態(tài)數(shù)據(jù)，如系統(tǒng)電量、實時氣象數(shù)據(jù)等。

本設(shè)計根據(jù)系統(tǒng)的需求在HBuilder X 開發(fā)環(huán)境下利用uve 框架，通過可視化地設(shè)計和調(diào)整了應(yīng)用程序的用戶界面，對本程序進(jìn)行界面設(shè)計和開發(fā)?？蛻舳顺晒B接網(wǎng)絡(luò)后，通過無線網(wǎng)對客戶端進(jìn)行建立連接以及數(shù)據(jù)對接等通信過程，最終在手機客戶端顯示經(jīng)過分析和處理的實時氣象信息數(shù)據(jù)。除了查看數(shù)據(jù)之外，并且本設(shè)計具有一定的監(jiān)測功能，終端用戶可以預(yù)先設(shè)定數(shù)值，當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測到數(shù)據(jù)超過假定的數(shù)值時，系統(tǒng)將觸發(fā)報警器來提醒用戶。

3.4 功能測試及結(jié)果分析

本設(shè)計包含的功能主要分為硬件功能和軟件功能兩個部分，本節(jié)對“基于互聯(lián)網(wǎng)+智能化背景下的微型多功能氣象儀”在工作時的使用狀態(tài)進(jìn)行測試和分析。

3.4.1 硬件性能進(jìn)行測試與分析

通過在崇左市室外放置微型多功能氣象儀采集不同時間段的氣象數(shù)據(jù)，測試不同狀況下氣象儀的工作狀態(tài)和工作能力，將測試數(shù)據(jù)與氣象站的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，進(jìn)行氣象儀的精度分析，部分測試結(jié)果如表1 所示。

表1 物聯(lián)網(wǎng)微型氣象儀在不同時間段的測試數(shù)據(jù)

“基于互聯(lián)網(wǎng)+智能化背景下的微型多功能氣象儀”的硬件性能經(jīng)過測試及實際數(shù)據(jù)對比，測試數(shù)據(jù)的誤差在允許范圍內(nèi)，滿足本設(shè)計的設(shè)計指標(biāo)要求。

3.4.2 手機APP 功能測試與分析

經(jīng)過我們對手機APP的多次測試，測試結(jié)果得出手機APP 可以正常下載和使用，手機APP 接收并顯示的氣象數(shù)據(jù)與傳感器檢測的數(shù)據(jù)一致，實現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)微型氣象儀的實時數(shù)據(jù)傳送和監(jiān)測。圖9 為手機APP 功能效果圖。

圖9 手機APP 某一實驗的數(shù)據(jù)效果圖

由上述測量數(shù)據(jù)可以看出，經(jīng)過軟硬件測試后，本設(shè)計成功實現(xiàn)了對溫度、濕度、氣壓、光照強度、大氣壓強等多個氣象要素的測量、顯示，并通過STM32 單片機進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的實時傳送，實現(xiàn)微型氣象儀的便攜、準(zhǔn)確性。雖然微型多功能氣象儀所測量的數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)有所偏差，但此偏差在可接受的范圍內(nèi)，可以認(rèn)為是準(zhǔn)確反映環(huán)境的氣象狀況。

4 結(jié)語

本課題研究的微型多功能氣象儀以微型化和多功能作為本設(shè)備的研究目的。本設(shè)備采用先進(jìn)的技術(shù)來提高系統(tǒng)的集成度，使得體積相比于傳統(tǒng)氣象儀而言更微小且功能多，在不同的環(huán)境下，放置該系統(tǒng)進(jìn)行周圍數(shù)據(jù)的監(jiān)測，用戶可根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)的改變對自身的活動進(jìn)行調(diào)整。該系統(tǒng)通過無線傳輸?shù)姆绞綖橛脩籼峁┲苓叺貐^(qū)氣象實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，其低成本、微型化、多功能等特點易于普及小區(qū)域的氣象測量，用來滿足用戶對于環(huán)境參數(shù)測量的準(zhǔn)確性和數(shù)據(jù)傳送的實時性的需求，為工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民群眾生活提供精細(xì)化服務(wù)。