基于單片機(jī)的微型氣象站調(diào)研報(bào)告

1、儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院本科生科技學(xué)術(shù)實(shí)踐“六個(gè)一”工程調(diào)研報(bào)告車載微型交通氣象站姓名：學(xué)號時(shí)間：2014.11.19車載微型交通氣象站（）摘要：本次調(diào)研的目標(biāo)是了解當(dāng)前國內(nèi)幾家公司生產(chǎn)的微型氣象站的工作原理，技術(shù)指標(biāo)，以及研究方向。進(jìn)而為微型氣象站的設(shè)計(jì)提供更完備的技術(shù)資料和科學(xué)背景。本次調(diào)研采取實(shí)地參觀，拜訪請教，查找網(wǎng)絡(luò)信息和文獻(xiàn)資料的措施。目前了解到當(dāng)今社會(huì)能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確且盡可能全國大范圍對溫濕度、風(fēng)力風(fēng)向等氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行采集是很難不花費(fèi)高成本就可以辦到的，從而進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)式、低成本、大范圍地對各地氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行采集是很有必要的。關(guān)鍵詞：氣象站，物聯(lián)網(wǎng)，數(shù)據(jù)采集正文：1調(diào)研主要內(nèi)容、目標(biāo)與方案（

2、途徑）簡介調(diào)研內(nèi)容：（1）采集方式，（2）工作原理，（3）技術(shù)方案（4）技術(shù)指標(biāo)，（5）背景現(xiàn)狀，（6）發(fā)展前景。調(diào)研目標(biāo)：（1）了解微型氣象站的設(shè)計(jì)原理和技術(shù)方案；（2）總結(jié)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有系統(tǒng)的特點(diǎn)；（3）掌握進(jìn)一步改善的設(shè)計(jì)方案和設(shè)計(jì)思路。調(diào)研方案：（1）實(shí)地參觀校內(nèi)產(chǎn)品效果；（2）拜訪請教該老師；（3）上網(wǎng)查找微型氣象站的原理和設(shè)計(jì)方案；（4）閱讀有關(guān)微型氣象站的文獻(xiàn)資料。調(diào)研信息來源與調(diào)研過程的紀(jì)實(shí)現(xiàn)象觀察：在吉林大學(xué)朝陽校區(qū)參觀，了解校內(nèi)的兩個(gè)小型氣象站。拜訪請教：時(shí)間：2014.4.10地點(diǎn)：長春市單位：吉林大學(xué)人物：李冶老師交流內(nèi)容：我主要請教了老師關(guān)于微型氣象站的工作內(nèi)容和設(shè)計(jì)思路。

3、設(shè)計(jì)思路：通過多個(gè)傳感器，采集一系列天氣參數(shù)，如：溫度、濕度、風(fēng)速、氣壓、可吸入顆粒物含量等。通過模數(shù)轉(zhuǎn)換，A/D采集部分將相應(yīng)參數(shù)經(jīng)過單片機(jī)傳到上位機(jī)。參數(shù)可以在界面上顯示并存入電腦的數(shù)據(jù)庫中，軟件可以根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)繪制實(shí)時(shí)的圖像。軟件中如果能有一些數(shù)據(jù)處理，如：濾波、平滑等，效果會(huì)更好些。老師強(qiáng)調(diào)的重點(diǎn)：各種傳感器可以直接購置現(xiàn)有商品，有的輸出的是數(shù)字信號，有的輸出的是模擬信號；單片機(jī)可以選擇自帶模數(shù)轉(zhuǎn)換盒A/D采集的型號，或直接購買開發(fā)板（430單片機(jī)應(yīng)該夠用）；上位機(jī)界面可以選擇用VB,LabView,C+或C#編寫;單片機(jī)和上位機(jī)的通訊可以選擇串口或并口。我們總結(jié)的總體方案：網(wǎng)絡(luò)信

4、息：網(wǎng)上瀏覽了微型氣象站的特點(diǎn)。具體：1、微電腦氣象數(shù)據(jù)采集儀具有氣象數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、定時(shí)存儲(chǔ)、參數(shù)設(shè)定、參數(shù)和氣象歷史數(shù)據(jù)掉電保護(hù)等功能。數(shù)據(jù)采集器采用新一代處理器32位MotorolaCPU集成高精度GPS數(shù)字芯片，1微秒衛(wèi)星同步支持NMEA0183通訊協(xié)議，主動(dòng)型陶瓷天線讓定位更為精準(zhǔn)，通過氣象監(jiān)測軟件可以準(zhǔn)確定位查看監(jiān)測區(qū)域的氣象環(huán)境數(shù)據(jù)，方便于移動(dòng)觀測氣象數(shù)據(jù)，工業(yè)控制標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，便攜式防振結(jié)構(gòu)，漢字液晶鍵盤人機(jī)界面，使用先進(jìn)的雙屏顯示技術(shù)，主屏顯示實(shí)時(shí)氣象數(shù)據(jù)信息，輔屏顯示地理狀況信息包括方位、高度、天氣預(yù)報(bào)資料等等，人機(jī)界面友好，便于現(xiàn)場實(shí)時(shí)查看氣象分析數(shù)據(jù)，無需外接電腦終端

5、設(shè)備。2、標(biāo)準(zhǔn)RS232/485/USB通訊功能，支持標(biāo)準(zhǔn)MODBUS通訊協(xié)議，可以通過有線連接、局域網(wǎng)連接、光纖連接、Modem連接、GPRS移動(dòng)通訊、數(shù)傳電臺(tái)、3G通訊、衛(wèi)星通訊等多種通訊方式與氣象站接收服務(wù)器組成氣象監(jiān)測系統(tǒng)。3、自動(dòng)氣象站管理軟件可在WIND0WS2000以上環(huán)境即可運(yùn)行并支持最新WIN7操作系統(tǒng)，實(shí)時(shí)顯示各路數(shù)據(jù)，每隔10秒更新一次，每組數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)（存儲(chǔ)時(shí)間可以設(shè)定），與打印機(jī)相連自動(dòng)打印存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，生成標(biāo)準(zhǔn)氣象圖文報(bào)表及統(tǒng)計(jì)分析曲線，存儲(chǔ)量達(dá)數(shù)年以上，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式為EXCEL標(biāo)準(zhǔn)格式可供其它軟件調(diào)用，并可以將數(shù)據(jù)上傳至專業(yè)的網(wǎng)站進(jìn)行實(shí)時(shí)更新便于查詢。4、電源供電系統(tǒng)

6、有市電220V、直流5V、12V和太陽能供電系統(tǒng)多種方式進(jìn)行選擇。氣象數(shù)據(jù)采集器配備有綠色節(jié)能電源管理模塊系統(tǒng)，如使用太陽能系統(tǒng)方式供電，可保證連續(xù)陰雨天情況下十天無斷電穩(wěn)態(tài)工作。5、采用不銹鋼輕金屬支架和野外防護(hù)箱，外形美觀、耐腐蝕、抗干擾，可長期運(yùn)行于各種惡劣的室外環(huán)境，安裝支架高度包括2.5m能夠根據(jù)規(guī)范要求安裝氣象傳感器。6、完善的防雷擊、抗干擾等保護(hù)措施。在電子線路方面采用了防雷、噪聲抑止等多種抗干擾措施，在硬件和軟件設(shè)計(jì)方面采用了降額設(shè)計(jì)、電磁兼容設(shè)計(jì)、野值剔除等多種可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)，可靠運(yùn)行于各種惡劣的野外環(huán)境，低功耗、高穩(wěn)定性、高精度、可無人值守。文獻(xiàn)資料：閱讀了有關(guān)微型氣象站的

7、文獻(xiàn)資料。具體：作者：包粲，文章名稱：智能化氣象傳感器及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要信息摘要：本文采用單片機(jī)對原有的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和傳統(tǒng)氣象傳感器進(jìn)行改造和升級。通過使用單片機(jī)嵌入到傳統(tǒng)傳感器中，完成數(shù)據(jù)采集、處理和通訊工作，完成傳統(tǒng)傳感器的智能化數(shù)字輸出。傳統(tǒng)非智能傳感器輸出信號分為數(shù)字信號和模擬信號兩種，為實(shí)現(xiàn)嵌入式的智能傳感器，本文選用風(fēng)杯風(fēng)速計(jì)和風(fēng)向標(biāo)描述數(shù)字信號傳感器的智能化過程，而模擬信號傳感器的智能化則選用傳統(tǒng)短波總輻射表。采用低功耗系列的單片機(jī)作為處理核心，實(shí)現(xiàn)單站數(shù)據(jù)采集模塊的功能。提出采用485總線方式，將各個(gè)智能傳感器和單站數(shù)據(jù)采集模塊組成“氣象采集網(wǎng)絡(luò)即單站數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以達(dá)到簡化布

8、線，增強(qiáng)儀器互換性，降低維修維護(hù)成本的目的。最后將各個(gè)單站數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過GPRS的通訊方式與數(shù)據(jù)中心進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證明，此套數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)適用于氣象、水文、環(huán)境等研究領(lǐng)域的野外儀器采集數(shù)據(jù)，并具有低功耗、低成本、低維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。3創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目立項(xiàng)建議（1）建議項(xiàng)目名稱：車載微型交通氣象站（2）立項(xiàng)背景和依據(jù)（包括研究目的及意義、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析與評價(jià)）（一）研究目的及意義：當(dāng)今社會(huì)能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確且盡可能全國大范圍對溫濕度、風(fēng)力風(fēng)向等氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行采集是很難不花費(fèi)高成本就可以辦到的，本項(xiàng)目研究物聯(lián)網(wǎng)式、低成本、大范圍地對各地氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。由于氣象事業(yè)已經(jīng)和人們的民用和工業(yè)活動(dòng)密

9、不可分，在國防建設(shè)、社會(huì)進(jìn)步、經(jīng)濟(jì)發(fā)展中，氣象采集技術(shù)扮演著重要的角色，同時(shí)隨著國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施，氣象采集技術(shù)對我們越來越重要；隨著人們對氣象信息需求的不斷變化，傳統(tǒng)的氣象觀測模式已經(jīng)無法滿足人們的需要，因此，自動(dòng)氣象數(shù)據(jù)采集技術(shù)在我國有了很好的發(fā)展；氣象數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的物聯(lián)性直接影響著數(shù)據(jù)實(shí)用性，從而，如何實(shí)現(xiàn)廣泛地從全國各地以致世界各地采集數(shù)據(jù)信息并匯總,今后必然是極其有意義的一個(gè)研究方向。通過后文國內(nèi)外氣象采集系統(tǒng)現(xiàn)狀的對比，可以看到，國內(nèi)的氣象采集系統(tǒng)雖然有了較大的發(fā)展，但是與國外的發(fā)展水平相比，仍有較大的差距。因此，為了提高我國氣象監(jiān)測事業(yè)的整體水平，必須重點(diǎn)發(fā)展新一代自動(dòng)氣象

10、站，對氣象傳感器、數(shù)據(jù)處理等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)。隨著微型計(jì)算機(jī)、新一代通信技術(shù)以及新型傳感器的不斷推廣與應(yīng)用，我國的氣象監(jiān)測系統(tǒng)必然將轉(zhuǎn)向微功耗、智能化、高可靠性、低成本廣泛性方向發(fā)展，必將為我們的生產(chǎn)和生活提供更可靠，更詳細(xì)的氣象信息。本項(xiàng)目研究的車載交通微型氣象站，能實(shí)現(xiàn)氣象站小型化和具體化，與物聯(lián)網(wǎng)概念相結(jié)合，是物聯(lián)網(wǎng)最底層的單個(gè)點(diǎn)，多點(diǎn)多地結(jié)合實(shí)時(shí)對大范圍的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并上傳到網(wǎng)絡(luò)。（二）國內(nèi)外研究現(xiàn)狀：（1）我國自動(dòng)氣象數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研制工作始于20世紀(jì)50年代后期，至今已經(jīng)了相當(dāng)大的進(jìn)展。目前，國內(nèi)有多個(gè)廠家生產(chǎn)自動(dòng)氣象站，如北京華創(chuàng)升達(dá)高科技發(fā)展中心和天津氣象儀器廠的CAWS系列、長

11、春氣象儀器廠的DYYZII系列、江蘇無線電研究所的ZQZ_CII系列、廣東省氣象技術(shù)裝備中心的ZDZII型和北京阿斯曼科技發(fā)展公司的ASM、XYZ系列。其中CAWS600、XYZ06以及機(jī)場地面氣象觀測自動(dòng)化系統(tǒng)在軍隊(duì)和地方臺(tái)站得到了廣泛的推廣和應(yīng)用盡管如此，我國的氣象采集系統(tǒng)仍然存在不少問題。首先，大部分自動(dòng)氣象站采用集中式結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)采集器必須與具體的傳感器匹配，系統(tǒng)丌放性不高。其次，受技術(shù)水平和生產(chǎn)工藝的限制，國產(chǎn)傳感器的準(zhǔn)確性、可靠性較差，距世界先進(jìn)水平還有一定的差距，氣象傳感器主要依賴進(jìn)口。再者，國產(chǎn)自動(dòng)氣象站所采用的數(shù)據(jù)采集器大多與相應(yīng)的自動(dòng)氣象站配套使用，當(dāng)需要擴(kuò)充自動(dòng)氣象站觀測功

12、能，增加新的氣象要素傳感器時(shí)，不能直接進(jìn)行升級，必須更換，從而造成重復(fù)建設(shè)和資源浪費(fèi)。（2）國外的氣象采集系統(tǒng)自上世紀(jì)50年代末以來，已經(jīng)經(jīng)歷了三代的發(fā)展，特別是進(jìn)入90年代以后，自動(dòng)氣象站在許多發(fā)達(dá)國家得到了迅速的發(fā)展。如美國的自動(dòng)地面觀測系統(tǒng)（ASOS）,日本的自動(dòng)氣象資料收集系統(tǒng)（AMeDAS）、芬蘭的自動(dòng)氣象觀測系統(tǒng)（MILOS）和法國的基本站網(wǎng)自動(dòng)化觀測系統(tǒng)（MISTRAL）等。目前，全世界的70多個(gè)國家和20多個(gè)地區(qū)和組織基本上都是使用芬蘭VAISALA公司的氣象產(chǎn)品進(jìn)行氣象觀測,VAISALA公司自動(dòng)氣象站的代表系列足MAWS系列，目前在全球的大多數(shù)國家和地區(qū)使用的是MAWS20

13、1系列，該系列現(xiàn)已發(fā)展到了MAWS301、MAWS410系列。國外的自動(dòng)氣象站不僅擁有技術(shù)先進(jìn)、精確穩(wěn)定的氣象傳感器，而且還可以根據(jù)用戶的不同需求定制傳感器的種類和數(shù)量，采用通用的數(shù)據(jù)傳輸格式，用戶能自山配置數(shù)據(jù)的輸出格式。自動(dòng)氣象站采用良好的防護(hù)措施，能夠適應(yīng)各種不習(xí)的環(huán)境。在裝備使用的機(jī)動(dòng)性、操作的便捷性、維修的快捷性、惡劣環(huán)境的適應(yīng)性等方面都做得較好。（3）項(xiàng)目研究內(nèi)容（項(xiàng)目主要研究內(nèi)容；擬解決的關(guān)鍵問題、重點(diǎn)和難點(diǎn)）研究、設(shè)計(jì)一個(gè)采集一部分天氣參數(shù)并上傳到互聯(lián)網(wǎng)的車載微型交通氣象站，非行駛時(shí)可測得風(fēng)速與風(fēng)向，任意時(shí)刻可測量溫濕度、氣壓。并將這些數(shù)據(jù)信息進(jìn)行DA轉(zhuǎn)換,存儲(chǔ)到SD卡，進(jìn)行屏

14、幕顯示，間斷地通過藍(lán)牙上傳到車主的手機(jī)上（也可以傳遞電腦上）。擬解決的關(guān)鍵問題、重點(diǎn)和難點(diǎn)：1、單片機(jī)對多個(gè)氣象數(shù)據(jù)的綜合處理；2、風(fēng)向風(fēng)速模塊的研制；3、實(shí)時(shí)性實(shí)現(xiàn)較為困難；4、手機(jī)藍(lán)牙接受的實(shí)現(xiàn)比較困難；5、SD卡數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。重點(diǎn)：數(shù)據(jù)的采集與傳輸設(shè)計(jì)。難點(diǎn)：整體的實(shí)時(shí)性實(shí)現(xiàn)。（4）項(xiàng)目實(shí)施方案（研究思路和方法，實(shí)施計(jì)劃、技術(shù)路線）（一）研究思路和方法（1）電源模塊設(shè)計(jì)系統(tǒng)只有正常的供電才能穩(wěn)定的工作，所以電源模塊的設(shè)計(jì)尤為重要。由于各個(gè)單元電路供電電壓不完全相同，其中單片機(jī)模塊、各傳感器模塊、以及LCD顯示模塊的供電電壓為5V,藍(lán)牙供電3.3v，故電源電路的設(shè)計(jì)要兼顧各個(gè)部分的要求。圖為

15、氣象采集終端電源電路圖，外部供電電壓為5伏。5伏到3.3伏的電平轉(zhuǎn)換采用的是美國ADMOS公司生產(chǎn)的AMS1117穩(wěn)壓器。AMS1117系列穩(wěn)壓器具有功耗低、體積小、壓差小等特點(diǎn)，符合本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想，因此硬件設(shè)計(jì)時(shí)用它來進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。（2）單片機(jī)模塊傳感器智能化和數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計(jì)都要用到單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，因此，對單片機(jī)的選型將決定系統(tǒng)的性能和成本。在對系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行定位后，綜合考慮處理速度、成本、功耗、集成功能等要素，我們選擇TI公司生產(chǎn)的51系列處理。（3）溫濕度傳感器模塊選用DHT11溫濕度傳感器，它是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳

16、感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性。傳感器包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測溫元件，并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接。因此該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比極高等優(yōu)點(diǎn)。每個(gè)DHT11傳感器都在極為精確的濕度校驗(yàn)室中進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式儲(chǔ)存在OTP內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測信號的處理過程中要調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù)。單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡易快捷。超小的體積、極低的功耗，信號傳輸距離可達(dá)20米以上，使其成為各類應(yīng)用甚至最為苛刻的應(yīng)用場合的最佳選則。產(chǎn)品為4針單排引腳封裝。連接方便，特殊封裝形式可根據(jù)用戶需求而提供。（4）氣壓傳感器模塊選用MS5611-01

17、BA氣壓傳感器，它是由MEAS（瑞士）推出的一款SPI和PC總線接口的新一代高分辨率氣壓傳感器，分辨率可達(dá)到10cm。該傳感器模塊包括一個(gè)高線性度的壓力傳感器和一個(gè)超低功耗的24位工模數(shù)轉(zhuǎn)換器（工廠校準(zhǔn)系數(shù)）。MS5611提供了一個(gè)精確的24位數(shù)字壓力值和溫（5）LCD顯示模塊度值以及不同的操作模式，可以提高轉(zhuǎn)換速度并優(yōu)化電流消耗。高分辨率的溫度輸出無須額外傳感器可實(shí)現(xiàn)高度計(jì)/溫度計(jì)功能?？梢耘c幾乎任何微控制器連接。通信協(xié)議簡單，無需在設(shè)備內(nèi)部寄存器編程。MS5611壓力傳感器只有5.0毫米x3.0毫米X1.0毫米的小尺寸可以集成在移動(dòng)設(shè)備中。這款傳感器采用領(lǐng)先的MEMS技術(shù)并得益于MEAS（瑞士）十余年的成熟設(shè)計(jì)以及大批量制造經(jīng)驗(yàn)，保證產(chǎn)品具有高穩(wěn)定性以及非常低的壓力信號滯后。LCD模塊電路設(shè)計(jì)主要完成LCD模塊VDD,VSS,RS，剛W,E，DB0DB7,PSB等管腳的電路連接。LCD正常工作除了必需的供電與接地外，還必須接受相應(yīng)的命令驅(qū)動(dòng)。RS管腳和DB0DB7管腳配合完成數(shù)據(jù)/命令的選擇和輸入/輸出，PSB管腳則完成數(shù)據(jù)模式的選擇。所以，電路正常工作，必須完成這些管腳的正確連接。具體的電路設(shè)計(jì)如下圖為LCD顯示模塊接口電路圖。由于本系統(tǒng)采用的是8位并行連接方式，所以RSRW（二）實(shí)施計(jì)劃、技術(shù)路線E管腳分別連入單片機(jī)的P1