基于大氣環(huán)境下的氣象要素檢測(cè)設(shè)計(jì)

江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文基于大氣環(huán)境下的氣象要素檢測(cè)設(shè)計(jì)系微電子學(xué)院專(zhuān)業(yè)電子信息工程技術(shù)姓名田慶國(guó)班級(jí)電子信息193學(xué)號(hào)201901320334指導(dǎo)教師董天天職稱(chēng)講師設(shè)計(jì)時(shí)間2021.9.15—2021.12.30摘要作為氣象信息系統(tǒng)的重要組成部分，氣象監(jiān)控技術(shù)為多個(gè)工業(yè)部門(mén)的安全生產(chǎn)服務(wù)，在防災(zāi)減災(zāi)、交通調(diào)度、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域有著舉足輕重的地位。針對(duì)氣象數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控的特點(diǎn)，采用STM32單片機(jī)與GPRS進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)，采用STM32單片機(jī)與GPRS進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)等技術(shù)，為氣象數(shù)據(jù)的采集、處理和存儲(chǔ)等方面進(jìn)行了研究。關(guān)鍵詞：大氣環(huán)境，氣象，要素，檢測(cè)目錄TOC\o"1-2"\h\u摘要 第1章緒論1.1國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.1.1國(guó)外研究現(xiàn)狀環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)在二十世紀(jì)五十年代首先在國(guó)外歐美等國(guó)家啟動(dòng)，在1950年之后發(fā)生了多次由環(huán)境問(wèn)題造成的事件，歐美等資本主義國(guó)家意識(shí)到環(huán)境污染問(wèn)題的嚴(yán)重性，開(kāi)始研究環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)，對(duì)大氣環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)與治理。從這之后，更多的國(guó)家都加入到這個(gè)隊(duì)伍中來(lái)，加大對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)的投資。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，技術(shù)更迭換代不斷加快，一些覆蓋范圍更加廣泛、準(zhǔn)確度高，并且高速、有效的大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)被研究出來(lái)。由一開(kāi)始的人工手動(dòng)監(jiān)測(cè)到現(xiàn)在全自動(dòng)化、多功能化監(jiān)測(cè)發(fā)展離不開(kāi)計(jì)算機(jī)和無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。美國(guó)設(shè)計(jì)了一套城市環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用了電化學(xué)傳感器技術(shù)，整個(gè)系統(tǒng)由四部分組成，采集節(jié)點(diǎn)通過(guò)傳感器獲取到城市環(huán)境數(shù)據(jù)，匯聚節(jié)點(diǎn)路由器與服務(wù)器之間通過(guò)WiFi連接，環(huán)境數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器進(jìn)行解析與保存，用戶可以通過(guò)在上位機(jī)訪問(wèn)服務(wù)器來(lái)獲取城市環(huán)境的數(shù)據(jù)。英國(guó)設(shè)計(jì)了一套基于物聯(lián)網(wǎng)的室內(nèi)環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)，在采集節(jié)點(diǎn)選取物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)板對(duì)齊進(jìn)行設(shè)計(jì)，并設(shè)有網(wǎng)關(guān)，利用藍(lán)牙和WiFi相結(jié)合的技術(shù)。在采集節(jié)點(diǎn)每300s采集一次信息，采集節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)之間利用藍(lán)牙進(jìn)行通信，網(wǎng)關(guān)和監(jiān)控中心通過(guò)WiFi技術(shù)。環(huán)境監(jiān)測(cè)經(jīng)歷了半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展后，發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)于大氣環(huán)境的監(jiān)測(cè)已經(jīng)做的非常完善。歐洲國(guó)家也建立了非常完善的大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)體系，能夠覆蓋歐盟每一個(gè)成員國(guó)的區(qū)域，并能與本國(guó)的監(jiān)測(cè)網(wǎng)相結(jié)合。兩個(gè)監(jiān)測(cè)體系互相支持、互為補(bǔ)充，擴(kuò)大了監(jiān)測(cè)范圍。1.1.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)受經(jīng)濟(jì)發(fā)展的制約，空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)起步較晚，整體落后于發(fā)達(dá)國(guó)家，特別是現(xiàn)階段我國(guó)環(huán)境污染非常嚴(yán)重，增加了對(duì)大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的需求。由于環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)落后，沒(méi)能更好的做到智能化、實(shí)時(shí)性。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和更多人對(duì)環(huán)境健康的關(guān)注加深，我國(guó)的環(huán)境監(jiān)測(cè)和監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)也不斷完善，在2016年，就做到了在全國(guó)338個(gè)城市實(shí)時(shí)的大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)的城市也比上一年增加了一倍。由于空氣監(jiān)測(cè)站的成本很大，在城市的環(huán)境監(jiān)測(cè)中，投入的監(jiān)測(cè)設(shè)備比較少，并不能對(duì)城市進(jìn)行全部的覆蓋，存在監(jiān)測(cè)盲區(qū)，這樣不易于實(shí)現(xiàn)細(xì)致化的管理。目前，國(guó)內(nèi)大多數(shù)大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)都采用藍(lán)牙、WiFi以及ZigBee等技術(shù)進(jìn)行組網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)，這些都是短距離傳輸技術(shù)。如果要做到更遠(yuǎn)距離的通信，增加覆蓋范圍，需要在中間增加路由節(jié)點(diǎn)。這樣做研發(fā)和建設(shè)成本會(huì)增加，在組網(wǎng)過(guò)程中，增加了信息傳輸?shù)碾y度，降低系統(tǒng)壽命?？偠灾?，在國(guó)內(nèi)對(duì)于環(huán)境監(jiān)測(cè)的研究取得了突飛猛進(jìn)的進(jìn)步，給我國(guó)環(huán)境的監(jiān)測(cè)和治理帶來(lái)了非常大的幫助。但是在環(huán)境的監(jiān)測(cè)精度和功率的損耗等細(xì)節(jié)方面做的還不夠完善，因此，對(duì)于監(jiān)測(cè)精度高、功率損耗低、建造成本低、監(jiān)測(cè)范圍更廣和長(zhǎng)時(shí)間在室外運(yùn)作的大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的需求非常高。1.2研究意義隨著人類(lèi)社會(huì)的進(jìn)步，以及科技的飛速發(fā)展，人們對(duì)更加精確且即時(shí)的天氣預(yù)報(bào)的需求越來(lái)越大，同時(shí)，對(duì)大氣監(jiān)測(cè)站的檢測(cè)也越來(lái)越嚴(yán)格。這就要求我們，要對(duì)大氣環(huán)境中的各種氣象要素進(jìn)行全方位不間斷的長(zhǎng).期監(jiān)測(cè)，獲得海量的基礎(chǔ)氣象資料，并對(duì)這些資料進(jìn)行氣象信息分析、氣候變化評(píng)估、氣象科學(xué)研究工作。因此，獲得了大量的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確可靠的觀測(cè)觀測(cè)資料，是提高天氣預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率和氣象服務(wù)能力的重要前提和保證。傳統(tǒng)的大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)廣泛存在著檢測(cè)氣體單一、系統(tǒng)測(cè)量精度不高、無(wú)法長(zhǎng)期收集數(shù)據(jù)、對(duì)于監(jiān)測(cè)范圍更廣的區(qū)域，在基于大氣環(huán)境的基礎(chǔ)上，精確地根據(jù)氣象要素進(jìn)行一系列檢測(cè)，并形成一套行之有效且經(jīng)濟(jì)便捷的系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)尤為重要。1.3氣象采集技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)近年來(lái)，隨著傳感技術(shù)和集成電路技術(shù)的快速發(fā)展，特別是以電腦為中心的數(shù)字信息技術(shù)，隨著電子通信技術(shù)和嵌入式微處理器技術(shù)的更新迭代，各種資料收集技術(shù)都有了飛躍，氣象采集技術(shù)也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。與此同時(shí)，氣象部門(mén)對(duì)大氣象站各方面的性能要求也將不斷的變化，隨之而來(lái)的是對(duì)氣象服務(wù)的需求進(jìn)一步加大，對(duì)自動(dòng)氣象站各方面的性能要.求也將不斷提高。新一代的氣象數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品將采用更為先進(jìn)的傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)采集和處理技術(shù)以及嵌入式技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)氣象站的高度智能化和模塊化，具有很強(qiáng)的兼容性、靈活性、可靠性、可擴(kuò)展性和可維護(hù)性。第2章系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)2.1工作原理本文是以當(dāng)今先進(jìn)的傳感器技術(shù)、數(shù)字電路技術(shù)、電子信息技術(shù)和嵌入式技術(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了基于嵌入式軟硬件技術(shù)和GPRS遠(yuǎn)程通訊技術(shù)構(gòu)建的自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。本系統(tǒng)能在無(wú)人值守的情況下，長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，可以自動(dòng)實(shí)時(shí)采集多種氣象要素信息，包括大氣溫濕度、大氣壓力、土壤溫濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、雨量、蒸發(fā)和總輻射等，并可海量地存儲(chǔ)和記錄這些氣象要素?cái)?shù)據(jù)。提供的數(shù)據(jù)采集接口有RS485總線，AD轉(zhuǎn)換，脈沖等多種形式，方便不同型號(hào)、各類(lèi)通信接口的氣象傳感器接入。所收集的天氣資料可以用LCD接口進(jìn)行即時(shí)顯示，也可以由GRPS系統(tǒng)將其實(shí)時(shí)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)和各省氣象臺(tái)站，實(shí)現(xiàn)對(duì)天氣資料的即時(shí)監(jiān)測(cè)。2.2系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)以大氣為基礎(chǔ)的天氣成分探測(cè)，可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)區(qū)域內(nèi)的大規(guī)模、全方位的氣象資料；多層次的收集、監(jiān)控和管理，其實(shí)就是一個(gè)龐大的氣象信息監(jiān)控網(wǎng)，包括多個(gè)自動(dòng)氣象站。氣象因素探測(cè)體系由大量的自動(dòng)化氣象監(jiān)測(cè)站、GPRS數(shù)據(jù)傳送網(wǎng)和氣象數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)中心三大部分構(gòu)成。該系統(tǒng)的整體框架見(jiàn)表2.1。圖2.1氣象要素監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框圖2.3技術(shù)路線設(shè)計(jì)該系統(tǒng)的主控制部分包括STM32，數(shù)據(jù)收集部分；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、人機(jī)交互模塊、通信模塊、供電模塊等六個(gè)模塊構(gòu)成.其中，以單片機(jī)為中心的主要控制單元是“心臟”，它主要承擔(dān)起對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)的控制作用，并為其它各部分的數(shù)據(jù)傳輸、處理、顯示、存儲(chǔ)、傳輸?shù)裙ぷ?。以傳感器為中心的?shù)據(jù)采集單元，根據(jù)數(shù)據(jù)的種類(lèi)將其分為智能傳感器、模擬量傳感器、數(shù)字傳感器、脈沖量傳感器等，并根據(jù)傳感器的特點(diǎn)，為各種信號(hào)提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)接口和數(shù)據(jù)采集方法。通信模塊主要包括STM32在數(shù)據(jù)采集工作中充當(dāng)主設(shè)備和各個(gè)傳感器的通信，以及STM32在數(shù)據(jù)通信中的應(yīng)用。數(shù)據(jù)儲(chǔ)存系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)對(duì)大量的氣象要素的觀測(cè)，必須擴(kuò)充更大的存貯量，并進(jìn)行與之配套的接口電路，如NANDFlash、SD卡、USB接口電路等。該系統(tǒng)采用了鍵盤(pán)和LCDLCD接口，為使用者提供了一個(gè)可視化的操作界面。電力模塊作為“動(dòng)力”，為各部件供電。在圖表2.2中顯示了天氣預(yù)報(bào)的工作過(guò)程。通訊模塊通訊模塊RS485 傳感I/O脈沖計(jì)數(shù)器 器接A/D口FLASH SD卡 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊電源模塊太陽(yáng)能蓄電池市電STM32F103VC處理器主控模塊脈沖信號(hào)數(shù)字信號(hào)模擬信號(hào)智能傳感器信號(hào)傳感器信號(hào)采集模塊JTAG調(diào)試GPRS串口圖2.2自動(dòng)氣象站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

第3章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1單片機(jī)選擇STM32F103VB是目前意法公司生產(chǎn)的STM32芯片的主要產(chǎn)品，主要用于工業(yè)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域；汽車(chē)電子，消費(fèi)電子等不同領(lǐng)域的市場(chǎng)需要。這款產(chǎn)品充分發(fā)揮了高性能、頂級(jí)的外部設(shè)備和低功耗低電壓工作特點(diǎn)，并基于簡(jiǎn)單的體系結(jié)構(gòu)和易于使用的設(shè)備，為用戶帶來(lái)了廉價(jià)的性?xún)r(jià)比。STM32是一個(gè)很好的方案，可以在相同的平臺(tái)上進(jìn)行工程的開(kāi)發(fā)。由于STM32的所有產(chǎn)品，有的只需很小的內(nèi)存和插針，有的則可以用來(lái)增加內(nèi)存和插針。有些產(chǎn)品適合于高性能和低功率的使用。有些產(chǎn)品適用于低費(fèi)用的簡(jiǎn)易程序，有些則適用于高端的復(fù)雜的程序。STM32單芯片采用同一管腳數(shù)量，能按系統(tǒng)要求選用各種內(nèi)存容量的機(jī)型，便于日后的升級(jí)。圖3.1顯示了STM32微處理機(jī)的晶體管腳。圖3.1STM32單片機(jī)芯片引腳圖3.2最小系統(tǒng)電路天氣觀測(cè)需要長(zhǎng)期在極端天氣條件下工作，因此對(duì)其工作穩(wěn)定性和能耗都有很高的需求；使用壽命長(zhǎng)，響應(yīng)速度快，防水，抗寒，防腐性能好。常規(guī)的傳感器很難達(dá)到這種需求，需要采用具有較高的防護(hù)級(jí)別的專(zhuān)用傳感器。在保證了每個(gè)氣象因素的技術(shù)性能要求的情況下，本論文選用了一種高可靠的、以標(biāo)準(zhǔn)方式輸出的、以5V為基準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)工作電壓、工作電流均低于10毫安、能耗低的特點(diǎn)。然而，由于各個(gè)感應(yīng)器的工作機(jī)理不同，其信號(hào)的種類(lèi)也不盡一致，如RS485信號(hào)、0—5V電壓、脈沖、格雷碼等。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)各種傳感器的數(shù)據(jù)收集，系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)出相應(yīng)的界面。表3-1描述了每個(gè)傳感器的型號(hào)、接口模式和特性指數(shù)：表3-1各傳感器接口方式與性能指標(biāo)序號(hào)傳感器類(lèi)型型號(hào)輸出信號(hào)類(lèi)型性能指標(biāo)參數(shù)測(cè)量范圍分辨率準(zhǔn)確度其它01風(fēng)速LVFSC-12脈沖070m/s0.1m/s0.2m/s0.4m/s02風(fēng)向LVFXC-12格雷碼0-360°1°2.5°≥0.3m/s03大氣溫度LVQWZ-31RS485-40～80℃0.1℃0.2℃04大氣濕度LVQSZ-31RS4850～100%RH0.1RH±3%RH05大氣壓力LVQYZ-31RS4850～1100hpa0.1hpa0.5hpa06降雨量LVYLC-02脈沖0-8mm/min0.2mm±3%07蒸發(fā)LVZFC-110-5V電壓0～100mm0.1mm；±1％08土壤溫度LVDWZ-310-5V電壓-40~70℃0.1℃0.2℃09土壤水分LVDSC-120-5V電壓0～100%RH0.1%RH3％RH10總輻射LVTBQ-2-B0-5V電壓0～2000W/m21W/m2±2％響應(yīng)時(shí)間≤30秒3.3存儲(chǔ)模塊電路圖3.2NandFlash接口3.4傳感器模塊電路。圖3.3RS485接口電路圖3.5顯示模塊電路圖3.4LCD接口電路圖STM32采用GPIO接口來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)液晶顯示器的實(shí)時(shí)控制。STM32通過(guò)對(duì)液晶顯示器上不同的功能命令代碼進(jìn)行設(shè)置，從而達(dá)到不同的顯示效果。通過(guò)將STM32中的PD4、PD5、PC1-PD7的輸出端設(shè)置成低、輸出端和輸出端的PC0接口分別為低、高、低兩種情況下，能夠達(dá)到屏幕的清晰。在表格3-2中顯示了LCD的指令表：表3-2LCD部分功能指令表指令指令碼RSRWDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0清除顯示0000000001地址歸位000000001X進(jìn)入點(diǎn)設(shè)定00000001I/DS顯示開(kāi)/關(guān)0000001DCB游標(biāo)控制000001S/CR/LXX功能設(shè)定00001DLX0XXCGRAM地址0001AC5AC4AC3AC2AC1AC0DDRAM地址001AC6AC5AC4AC3AC2AC1AC0讀取BF標(biāo)志01BFAC6AC5AC4AC3AC2AC1AC0寫(xiě)RAM10D7D6D5D4D3D2D1D0讀RAM11D7D6D5D4D3D2D1D0第4章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1主程序設(shè)計(jì)圖4.1主程序流程圖4.2子程序設(shè)計(jì)4.2.1傳感器程序設(shè)計(jì)圖4.2采集板內(nèi)部實(shí)物圖圖4.3自動(dòng)氣象站外形圖4.2.2顯示程序設(shè)計(jì) 圖4.4實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示界面第5章系統(tǒng)軟件仿真5.1軟件程序調(diào)試該裝置利用溫濕度感應(yīng)器來(lái)感知周邊的氣溫、濕度，由微電腦完成讀出，再由液晶顯示器模組將溫濕度信息實(shí)時(shí)呈現(xiàn)，并由鍵盤(pán)模塊設(shè)置溫濕度報(bào)警上下限。如果溫、濕感應(yīng)器所讀出的溫度和濕度值超出了設(shè)置的范圍，則該系統(tǒng)的LED指示燈會(huì)顯示出故障，并發(fā)出警報(bào)。溫、濕度的讀出結(jié)果是正確的，LED燈會(huì)熄火，并將蜂鳴器關(guān)掉。5.2Proteus仿真結(jié)果單片機(jī)加載Code.hex文件，運(yùn)行仿真，LCD顯示當(dāng)前溫濕度；溫濕度值通過(guò)溫濕度傳感器模塊上的3個(gè)箭頭調(diào)整；設(shè)定按鍵一按，液晶顯示屏就會(huì)自動(dòng)地呈現(xiàn)目前溫度與濕度的安全區(qū)，也就是上下兩個(gè)界限。數(shù)字+和數(shù)字按鍵可調(diào)節(jié)上下兩個(gè)界限，如果目前的溫度與濕度不符合該溫度值，則對(duì)應(yīng)的LED告警燈將會(huì)發(fā)出警報(bào)。在持續(xù)的設(shè)定按鍵下，LCD的溫度和濕度數(shù)值就會(huì)恢復(fù)。圖5.1基于大氣環(huán)境的溫濕度傳感器Proteus仿真設(shè)計(jì)圖LCD顯示當(dāng)前濕度為43%RH，溫度為28℃。圖5.2LCD顯示濕度及溫度圖按下“設(shè)置”鍵后，可以設(shè)置溫度和濕度的上下限范圍，數(shù)值的增減通過(guò)“數(shù)值+”和“數(shù)值-”兩個(gè)鍵實(shí)現(xiàn)。圖5.3LCD顯示濕度及溫度圖總結(jié)與展望一、總結(jié)二、今后研究方向該系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了預(yù)定的功能，但在各個(gè)技術(shù)層面仍需進(jìn)一步的深入探討，在一些地方還需進(jìn)一步的改進(jìn)。比如，在工作計(jì)劃方面，以中斷與計(jì)時(shí)為基礎(chǔ)的嵌入式軟件設(shè)計(jì)模型，需要在一定的時(shí)限之內(nèi)，以最短的速度執(zhí)行所需的工作，如果不及時(shí)執(zhí)行，很可能會(huì)導(dǎo)致任務(wù)的無(wú)盡等候、大量的損失，從而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的災(zāi)難。雖然STM32這樣的速度不太可能出現(xiàn)這樣的問(wèn)題，但在系統(tǒng)規(guī)模不斷擴(kuò)大和更新的過(guò)程中，這將會(huì)成為一個(gè)巨大的威脅。其關(guān)鍵在于，如何通過(guò)開(kāi)發(fā)一個(gè)更為完備的任務(wù)計(jì)劃和一個(gè)軟體監(jiān)控技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于GPRS存在著延遲，導(dǎo)致實(shí)時(shí)性能受到限制。如何提高實(shí)時(shí)性是一個(gè)有待于更深層次的問(wèn)題。參考文獻(xiàn)[1]鄒武,多功能自動(dòng)氣象站檢測(cè)儀設(shè)計(jì)與制作.廣西壯族自治區(qū),北海市氣象局,2019-11-2