基于單片機的移動氣象監測裝置的結構設計

徐萌， 段瑞珍， 劉娜， 劉本坤

（哈爾濱理工大學榮成學院，山東 榮成 264300）

0 引言

隨著氣象事業的迅猛發展，現代氣象業務對氣象監測提出了更高的要求。但目前現有的氣象監測平臺還存在著種種不足，如數據采集方式落后，測量精度不高，難以實現無人值守監測，運行成本過高等［1］。為此，本文提出的基于單片機的智能氣象檢測平臺的設計與實現方案，具有低功耗、高穩定、高精度、易于維護和擴充以及實時智能檢測等優良性能。

圖1 總體設計框圖

1 氣象監測裝置總體設計

本文設計的氣象監測裝置設計思路如圖1所示，采用配備紅外避障和4路巡線傳感器的履帶機構作為運動裝置；利用壓力傳感器測量風速，電子羅盤測量風向，溫濕度傳感器測量溫度、濕度；利用光敏模塊測量光強差，從而控制2軸云臺轉動追光，使光伏太陽能電池板的光電效率最大化；并通過Zigbee協議使下位機與PC端上位機數據雙向傳輸［2］。該裝置可實現自主氣象監測和自動模式下的復雜地形中的循跡，避障并進行自動氣象數據的智能監測。實驗室搭建模型如圖2所示。

圖2 氣象站實物圖

2 氣象監測裝置的運動結構設計

2.1 裝置的運動

裝置運動機構采用履帶結構底盤，配備L298N電機驅動板和2路直流電機，并配合紅外避障和4路循跡傳感器，使裝置能夠在復雜地形條件下行進氣象監測。在底盤上方架設雙軸太陽能追光平臺，云臺部分則安置太陽能光伏電池板和光電模塊并接入蓄電池，采集能源，供給監測需要。

2.2 移動底盤的履帶結構設計

移動底盤主體構架由加裝關節履帶結構的DD1-1履帶車框架式集成地盤改裝構成。底盤驅動電機采用直流力矩電機。直流力矩電機的負載特性過硬，擁有較大的過載能力，減少運行時，速度受到負載沖擊的影響，使其上安置的監測設備的選擇自由度大大提高，增強平臺的擴展性［3-4］。

本文提出的氣象監測裝置，因其具備野外無人值守氣象監測能力，所以對平臺移動機構的越障能力和強度都提出了較高的要求。傳統的機器人履帶雖然能夠完成上述任務，但是機體過于笨重，深入復雜地形有一定難度，無法自由行動［5-6］。若將履帶結構（圖3）進行異構改裝，可減小履帶結構的幾何尺寸和重量，進而解決這一問題，滿足設計要求。

圖3 關節履帶結構

2.3 太陽能追光云臺系統的設計

2.3.1 追光云臺的結構設計

雙軸云臺采用上下左右4個中點處光敏模塊的設計使光伏太陽能電池板陣列可以水平360°、空間180°自由旋轉追光且無死角，最大化光電轉化效率。

如圖4所示，將水平旋轉云臺平面架設在導電滑環轉子中軸上，中軸外通過聯軸器聯接同步齒輪。在步進電機轉動軸上嵌套相配合的同步齒輪。并將兩齒輪用80XL同步帶配合聯接，通過控制步進電機的轉動來帶動云臺底部水平方向的360°自由轉動。云臺所需的布線，包括4組光敏模塊和光伏太陽能電池板以及一組步進電機控制電路連線，均由導電滑環的轉子端引線聯接，并由導電滑環定子斷引線引出分別接入平臺之下的對應蓄電裝置和控制裝置。

圖4 追光云臺聯接

其中，在支撐太陽能電池板的矩形平臺四條邊的中點位置，安裝4組光敏模塊，通過比較光強，控制云臺的正對光強最大方向。

2.3.2 追光云臺的蓄電系統的設計

本系統中的負載是自動氣象站，其供電需求是直流正負12 V，所需功率約為15 W。所需電能全部由鉛酸蓄電池供給。白天，把光伏太陽能電池板所輸出的多余電能通過光伏控制器存儲起來；晚上，將作為系統電能的輸入，保證整個系統的正常持續運行［7-8］。

3 氣象監測裝置的監測結構設計

3.1 監測裝置的總體設計

該氣象監測平臺在風速風向的測量上采用壓力傳感器測量風速，占據空間小，所以對氣流的影響微弱，從而使測量數據更準確［9］。將相應傳感器集成在風標上，并安裝在運動機構以上，一體化程度高，減小其他因素對測量數據的干擾。最后由Zigbee模塊通訊，將數據傳回顯示端。

3.2 數據檢測模塊的設計

該氣象監測平臺采用HMC5883L電子羅盤來測量風向。溫濕度測量方面采用體積微小、低功耗的DHT11數字溫濕度傳感器。因該氣象監測平臺在風速測量方式上異于常見的氣象站的測量方式，所以采用BMP085壓力傳感器來滿足設計要求。

4 結語

本文提出了一種基于單片機的氣象監測平臺的設計方案。該平臺在風速、風向測量方式上具有一定的創新性，能有效地提高測量精度，減小設備體積。且具備多種測量方式，可通過人為操作在特定場所實時測量，或者在常規監測設備無法架設的情況下，通過其優越的越障性能、靈活的機動性，快速進入場地。即時進行無人值守的氣象監測和數據傳送，填補了該方面的一定程度的空白。

［1］ 黃寧寧.多要素自動氣象站系統的設計與實現［D］.哈爾濱：哈爾濱理工大學,2012：1-2.

［2］ 高繼森.基于Zigbee的井下溫度檢測技術［J］.平頂山學院學報，2011（10）：43-47.

［3］ 陳宏.巡視機器人結構設計及控制研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學，2007：19-20.

［4］ 李漢舟，楊世超，基于模糊PID的直流力矩電機轉速控制［J］.中國慣性技術學報,2004，12（6）：79-83.

［5］ 張凡.履帶式移動機器人的控制與避障［D］.南京：南京理工大學，2013：1-8.

［6］ 陳慧寶，李婷，徐解民，關節式履帶機器人的爬梯性能研究［J］.電子機械工程，2006，22（2）：60-61.

［7］ 楊萍，楊金明，張昊，新型太陽能——風能混合發電系統的研制［J］.華北電力技術，2004（1）：12-15.

［8］ 余興國，自動氣象站風光互補供電系統［D］.南京：南京信息工程大學，2012：14-21.