基于大气环境下的气象要素检测设计

江苏信息职业技术学院江苏信息职业技术学院毕业设计论文基于大气环境下的气象要素检测设计系微电子学院专业电子信息工程技术姓名田庆国班级电子信息193学号201901320334指导教师董天天职称讲师设计时间2021.9.15—2021.12.30摘要作为气象信息系统的重要组成部分，气象监控技术为多个工业部门的安全生产服务，在防灾减灾、交通调度、农业生产等领域有着举足轻重的地位。针对气象数据采集与监控的特点，采用STM32单片机与GPRS进行数据采集与存储，采用STM32单片机与GPRS进行数据采集、存储等技术，为气象数据的采集、处理和存储等方面进行了研究。关键词：大气环境，气象，要素，检测目录TOC\o"1-2"\h\u摘要 第1章绪论1.1国内外研究现状1.1.1国外研究现状环境监测技术在二十世纪五十年代首先在国外欧美等国家启动，在1950年之后发生了多次由环境问题造成的事件，欧美等资本主义国家意识到环境污染问题的严重性，开始研究环境监测技术，对大气环境进行监测与治理。从这之后，更多的国家都加入到这个队伍中来，加大对环境监测的投资。随着科学技术的发展，技术更迭换代不断加快，一些覆盖范围更加广泛、准确度高，并且高速、有效的大气环境监测系统被研究出来。由一开始的人工手动监测到现在全自动化、多功能化监测发展离不开计算机和无线传感网络技术。美国设计了一套城市环境监测系统，该系统利用了电化学传感器技术，整个系统由四部分组成，采集节点通过传感器获取到城市环境数据，汇聚节点路由器与服务器之间通过WiFi连接，环境数据上传到服务器进行解析与保存，用户可以通过在上位机访问服务器来获取城市环境的数据。英国设计了一套基于物联网的室内环境检测系统，在采集节点选取物联网开发板对齐进行设计，并设有网关，利用蓝牙和WiFi相结合的技术。在采集节点每300s采集一次信息，采集节点和网关之间利用蓝牙进行通信，网关和监控中心通过WiFi技术。环境监测经历了半个世纪的发展后，发达国家对于大气环境的监测已经做的非常完善。欧洲国家也建立了非常完善的大气环境监测体系，能够覆盖欧盟每一个成员国的区域，并能与本国的监测网相结合。两个监测体系互相支持、互为补充，扩大了监测范围。1.1.2国内研究现状国内受经济发展的制约，空气质量监测起步较晚，整体落后于发达国家，特别是现阶段我国环境污染非常严重，增加了对大气环境监测系统的需求。由于环境监测技术落后，没能更好的做到智能化、实时性。随着科学技术的不断发展和更多人对环境健康的关注加深，我国的环境监测和监测网络也不断完善，在2016年，就做到了在全国338个城市实时的大气环境监测，监测的城市也比上一年增加了一倍。由于空气监测站的成本很大，在城市的环境监测中，投入的监测设备比较少，并不能对城市进行全部的覆盖，存在监测盲区，这样不易于实现细致化的管理。目前，国内大多数大气环境监测系统都采用蓝牙、WiFi以及ZigBee等技术进行组网传输数据，这些都是短距离传输技术。如果要做到更远距离的通信，增加覆盖范围，需要在中间增加路由节点。这样做研发和建设成本会增加，在组网过程中，增加了信息传输的难度，降低系统寿命。总而言之，在国内对于环境监测的研究取得了突飞猛进的进步，给我国环境的监测和治理带来了非常大的帮助。但是在环境的监测精度和功率的损耗等细节方面做的还不够完善，因此，对于监测精度高、功率损耗低、建造成本低、监测范围更广和长时间在室外运作的大气环境监测系统的需求非常高。1.2研究意义随着人类社会的进步，以及科技的飞速发展，人们对更加精确且即时的天气预报的需求越来越大，同时，对大气监测站的检测也越来越严格。这就要求我们，要对大气环境中的各种气象要素进行全方位不间断的长.期监测，获得海量的基础气象资料，并对这些资料进行气象信息分析、气候变化评估、气象科学研究工作。因此，获得了大量的实时准确可靠的观测观测资料，是提高天气预报预测准确率和气象服务能力的重要前提和保证。传统的大气环境监测系统广泛存在着检测气体单一、系统测量精度不高、无法长期收集数据、对于监测范围更广的区域，在基于大气环境的基础上，精确地根据气象要素进行一系列检测，并形成一套行之有效且经济便捷的系统方案设计尤为重要。1.3气象采集技术的发展趋势近年来，随着传感技术和集成电路技术的快速发展，特别是以电脑为中心的数字信息技术，随着电子通信技术和嵌入式微处理器技术的更新迭代，各种资料收集技术都有了飞跃，气象采集技术也取得了长足的进步。与此同时，气象部门对大气象站各方面的性能要求也将不断的变化，随之而来的是对气象服务的需求进一步加大，对自动气象站各方面的性能要.求也将不断提高。新一代的气象数据采集产品将采用更为先进的传感器技术、数据采集和处理技术以及嵌入式技术，实现了自动气象站的高度智能化和模块化，具有很强的兼容性、灵活性、可靠性、可扩展性和可维护性。第2章系统总体方案设计2.1工作原理本文是以当今先进的传感器技术、数字电路技术、电子信息技术和嵌入式技术为基础，设计了基于嵌入式软硬件技术和GPRS远程通讯技术构建的自动气象站数据采集系统。本系统能在无人值守的情况下，长期稳定运行，可以自动实时采集多种气象要素信息，包括大气温湿度、大气压力、土壤温湿度、风速、风向、雨量、蒸发和总辐射等，并可海量地存储和记录这些气象要素数据。提供的数据采集接口有RS485总线，AD转换，脉冲等多种形式，方便不同型号、各类通信接口的气象传感器接入。所收集的天气资料可以用LCD接口进行即时显示，也可以由GRPS系统将其实时传输到计算机监测和各省气象台站，实现对天气资料的即时监测。2.2系统方案设计以大气为基础的天气成分探测，可以实现一个区域内的大规模、全方位的气象资料；多层次的收集、监控和管理，其实就是一个庞大的气象信息监控网，包括多个自动气象站。气象因素探测体系由大量的自动化气象监测站、GPRS数据传送网和气象数据监测中心三大部分构成。该系统的整体框架见表2.1。图2.1气象要素监测系统框图2.3技术路线设计该系统的主控制部分包括STM32，数据收集部分；数据存储模块、人机交互模块、通信模块、供电模块等六个模块构成.其中，以单片机为中心的主要控制单元是“心脏”，它主要承担起对整个控制系统的控制作用，并为其它各部分的数据传输、处理、显示、存储、传输等工作。以传感器为中心的数据采集单元，根据数据的种类将其分为智能传感器、模拟量传感器、数字传感器、脉冲量传感器等，并根据传感器的特点，为各种信号提供相应的数据接口和数据采集方法。通信模块主要包括STM32在数据采集工作中充当主设备和各个传感器的通信，以及STM32在数据通信中的应用。数据储存系统要实现对大量的气象要素的观测，必须扩充更大的存贮量，并进行与之配套的接口电路，如NANDFlash、SD卡、USB接口电路等。该系统采用了键盘和LCDLCD接口，为使用者提供了一个可视化的操作界面。电力模块作为“动力”，为各部件供电。在图表2.2中显示了天气预报的工作过程。通讯模块通讯模块RS485 传感I/O脉冲计数器 器接A/D口FLASH SD卡 数据存储模块电源模块太阳能蓄电池市电STM32F103VC处理器主控模块脉冲信号数字信号模拟信号智能传感器信号传感器信号采集模块JTAG调试GPRS串口图2.2自动气象站系统结构图

第3章系统硬件设计3.1单片机选择STM32F103VB是目前意法公司生产的STM32芯片的主要产品，主要用于工业和医学领域；汽车电子，消费电子等不同领域的市场需要。这款产品充分发挥了高性能、顶级的外部设备和低功耗低电压工作特点，并基于简单的体系结构和易于使用的设备，为用户带来了廉价的性价比。STM32是一个很好的方案，可以在相同的平台上进行工程的开发。由于STM32的所有产品，有的只需很小的内存和插针，有的则可以用来增加内存和插针。有些产品适合于高性能和低功率的使用。有些产品适用于低费用的简易程序，有些则适用于高端的复杂的程序。STM32单芯片采用同一管脚数量，能按系统要求选用各种内存容量的机型，便于日后的升级。图3.1显示了STM32微处理机的晶体管脚。图3.1STM32单片机芯片引脚图3.2最小系统电路天气观测需要长期在极端天气条件下工作，因此对其工作稳定性和能耗都有很高的需求；使用寿命长，响应速度快，防水，抗寒，防腐性能好。常规的传感器很难达到这种需求，需要采用具有较高的防护级别的专用传感器。在保证了每个气象因素的技术性能要求的情况下，本论文选用了一种高可靠的、以标准方式输出的、以5V为基准的标准工作电压、工作电流均低于10毫安、能耗低的特点。然而，由于各个感应器的工作机理不同，其信号的种类也不尽一致，如RS485信号、0—5V电压、脉冲、格雷码等。为了实现对各种传感器的数据收集，系统需要设计出相应的界面。表3-1描述了每个传感器的型号、接口模式和特性指数：表3-1各传感器接口方式与性能指标序号传感器类型型号输出信号类型性能指标参数测量范围分辨率准确度其它01风速LVFSC-12脉冲070m/s0.1m/s0.2m/s0.4m/s02风向LVFXC-12格雷码0-360°1°2.5°≥0.3m/s03大气温度LVQWZ-31RS485-40～80℃0.1℃0.2℃04大气湿度LVQSZ-31RS4850～100%RH0.1RH±3%RH05大气压力LVQYZ-31RS4850～1100hpa0.1hpa0.5hpa06降雨量LVYLC-02脉冲0-8mm/min0.2mm±3%07蒸发LVZFC-110-5V电压0～100mm0.1mm；±1％08土壤温度LVDWZ-310-5V电压-40~70℃0.1℃0.2℃09土壤水分LVDSC-120-5V电压0～100%RH0.1%RH3％RH10总辐射LVTBQ-2-B0-5V电压0～2000W/m21W/m2±2％响应时间≤30秒3.3存储模块电路图3.2NandFlash接口3.4传感器模块电路。图3.3RS485接口电路图3.5显示模块电路图3.4LCD接口电路图STM32采用GPIO接口来实现对液晶显示器的实时控制。STM32通过对液晶显示器上不同的功能命令代码进行设置，从而达到不同的显示效果。通过将STM32中的PD4、PD5、PC1-PD7的输出端设置成低、输出端和输出端的PC0接口分别为低、高、低两种情况下，能够达到屏幕的清晰。在表格3-2中显示了LCD的指令表：表3-2LCD部分功能指令表指令指令码RSRWDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0清除显示0000000001地址归位000000001X进入点设定00000001I/DS显示开/关0000001DCB游标控制000001S/CR/LXX功能设定00001DLX0XXCGRAM地址0001AC5AC4AC3AC2AC1AC0DDRAM地址001AC6AC5AC4AC3AC2AC1AC0读取BF标志01BFAC6AC5AC4AC3AC2AC1AC0写RAM10D7D6D5D4D3D2D1D0读RAM11D7D6D5D4D3D2D1D0第4章系统软件设计4.1主程序设计图4.1主程序流程图4.2子程序设计4.2.1传感器程序设计图4.2采集板内部实物图图4.3自动气象站外形图4.2.2显示程序设计 图4.4实时数据显示界面第5章系统软件仿真5.1软件程序调试该装置利用温湿度感应器来感知周边的气温、湿度，由微电脑完成读出，再由液晶显示器模组将温湿度信息实时呈现，并由键盘模块设置温湿度报警上下限。如果温、湿感应器所读出的温度和湿度值超出了设置的范围，则该系统的LED指示灯会显示出故障，并发出警报。温、湿度的读出结果是正确的，LED灯会熄火，并将蜂鸣器关掉。5.2Proteus仿真结果单片机加载Code.hex文件，运行仿真，LCD显示当前温湿度；温湿度值通过温湿度传感器模块上的3个箭头调整；设定按键一按，液晶显示屏就会自动地呈现目前温度与湿度的安全区，也就是上下两个界限。数字+和数字按键可调节上下两个界限，如果目前的温度与湿度不符合该温度值，则对应的LED告警灯将会发出警报。在持续的设定按键下，LCD的温度和湿度数值就会恢复。图5.1基于大气环境的温湿度传感器Proteus仿真设计图LCD显示当前湿度为43%RH，温度为28℃。图5.2LCD显示湿度及温度图按下“设置”键后，可以设置温度和湿度的上下限范围，数值的增减通过“数值+”和“数值-”两个键实现。图5.3LCD显示湿度及温度图总结与展望一、总结二、今后研究方向该系统的总体设计已经实现了预定的功能，但在各个技术层面仍需进一步的深入探讨，在一些地方还需进一步的改进。比如，在工作计划方面，以中断与计时为基础的嵌入式软件设计模型，需要在一定的时限之内，以最短的速度执行所需的工作，如果不及时执行，很可能会导致任务的无尽等候、大量的损失，从而导致整个系统的灾难。虽然STM32这样的速度不太可能出现这样的问题，但在系统规模不断扩大和更新的过程中，这将会成为一个巨大的威胁。其关键在于，如何通过开发一个更为完备的任务计划和一个软体监控技术来实现。由于GPRS存在着延迟，导致实时性能受到限制。如何提高实时性是一个有待于更深层次的问题。参考文献[1]邹武,多功能自动气象站检测仪设计与制作.广西壮族自治区,北海市气象局,2019-11-2