基于互聯網+智能化背景下的微型多功能氣象儀設計

吳樹添，全釗鋒，張春美，張耀丹，向建安，杭彥伶

（廣西民族師范學院 數理與電子信息工程學院，廣西崇左，532200）

0 引言

當前，我國已經進入全面建設小康社會和構建社會主義和諧社會的新階段。按照國家部署，從當前到 2035 年是我國基本實現現代化的關鍵時期。社會的經濟發展對氣象事業提出了更高的保障要求，如突發氣象及相關災害事件的預警預報、氣候和氣候變化預測預估、重大氣象災害風險評估等工作都要求有關氣象部門提供準確可靠的實時觀測數據。就極端天氣對人們造成的損失而言，本世紀以來，我國平均每年因自然災害造成的直接經濟損失超過3000 億元。因自然災害每年大約有3 億人次受災[1]。可見極端天氣的預警十分重要，截至當前，我國已基本建成了地基、空基、天基相結合，門類比較齊全，布局基本合理的現代化氣象綜合探測系統，能夠實現對測量點溫濕度、風向、風速、氣壓、土壤濕度等氣象參數的實時測量，對主要氣象災害實現精準測量。它有助于我們了解環境中氣象的變化情況、在工業、農業、漁業等行業中都起著重要的作用[2]。但是對于一些小范圍、極端性、突發性強等氣象災害來說，現有的氣象監測設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的建成對于提高天氣氣候預報準確率方面具有重要意義[3]。因此，我們設計了一個“基于互聯網+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測到周邊地區的氣象信息，如氣溫、濕度、風速等多個要素，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據。如果出現極端天氣狀況，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行預警，提醒人們提前做好準備工作。城市中的交通、城市綠化、人們的出行等都需要氣象環境監測；鄉村中的智慧農業種植和鄉村地區突發大暴雨、狂風等極端天氣做出預警，可以說微型多功能氣象儀的監測范圍非常廣泛可以幫助城鄉精細化管理。

1 系統設計

本設計總體采用模塊化設計，由主要鋰電池供電模塊、STM32 主控模塊、氣象數據采集模塊、ADC 采集模塊、顯示屏模塊以及無線網絡通信模塊構成。本設計通過ADC 采集紫外線強度、風速、風向、PM2.5 顆粒濃度，以及土壤濕度等多個傳感器數據，發送部分應用無線網絡通信模塊實現數據的通信傳輸，接收部分則由手機APP、物聯網云平臺以及LCD 顯示模塊等組成，進行實時監測，并且進行可視化圖形數據顯示，記錄當前數據，并存入指定數據日志系統中，實現氣象信息的智能化管理。本設計的設計結構組成框圖如圖1 所示。

圖1 系統設計框圖

2 硬件設計

微型多功能氣象儀的硬件設計包括傳感器模塊、顯示屏模塊和外部通信設備模塊三個部分，測量部分利用光照強度、風速、風向、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備儀器的電池容量、實時時間等，并將氣象參數通過串口觸摸屏顯示并通過ESP8266-01S 模塊實現與物聯網云平臺的遠程數據傳輸，本設計的硬件設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

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

2.2 BH1750 光照檢測模塊

本設計采用的BH1750 光照檢測模塊是一種數字式光強度傳感器，可測量環境光照強度并將其轉換為數字信號輸出，BH1750 光照檢測模塊采用數字信號輸出，測量結果穩定準確，并且具有較高的光學抗干擾性能，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的特點，模塊采用薄膜濕度傳感器和溫度傳感器來測量區域環境的濕度和溫度，它通過內部集成的ADC 將模擬信號轉換為數字信號，通過I2C 接口輸出，模塊數據測量的量程大且精度較高，對環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

本設計采用的BMP280 氣壓傳感器模塊是一種數字式氣壓溫度傳感器模塊，能夠檢測出環境中的空氣溫度和大氣壓力兩項數據信息，BMP280 模塊體積小并且測量精度高，最高具有高達0.01hPa 的氣壓測量精度，這使其可以實現非常精確的氣壓測量，且模塊的經濟成本較低，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 時鐘芯片應用了先進的溫度補償技術，可以在-40℃～85℃內保持高精度，其時間精確度的年誤差在±2 分鐘范圍內，DS3231 時鐘模塊電路連接圖如圖6 所示。

圖6 DS3231 時鐘模塊

2.7 無線網絡通信模塊

微型多功能氣象儀的運行監測功能是指用戶通過規定的軟件查看微型氣象儀采集氣象的數據和運行狀態參數，采集氣象的數據由各個傳感器采集后通過無線網絡通信模塊傳送至云平臺，包括傳感器采集的數據，以及供電電壓等。

本設計采用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，它支持無線802.11 b/g/n 標準，具有STA/AP/STA+AP三種工作模式，內置TCP/IP 協議棧，支持多路TCP Client連接和豐富的SocketAT 指令等功能[5]。在內置的與TCP/IP 協議中，可以結合任意微控制器與任何WiFi 網絡來連接，使用AT 指令固件與單片機進行通信，更方便與單片機進行連接，在本設計中ESP8266 是通過MQTT 協議實現與OneNet 平臺連接及交換數據。

3 軟件設計

3.1 系統主程序設計

在本設計中，我們設計了一個實時的智能終端用戶監測系統來完成軟件的氣象數據采集功能，便攜式氣象儀能夠完成多個氣象參數量的多種采集樣式的采集。軟件設計的原理和流程由STM32 芯片與部分傳感器模塊之間通過I2C 總線進行數據傳輸，在軟件設計上，使用了I2C、串口、MQTT等通信協議，包括I2C 總線數據采集、數據處理和數據傳輸三個部分，本設計采用了MQTT 協議實現數據傳輸，通過WiFi 模塊將采集的數據上傳至云端，以供遠程控制和監控，系統程序流程圖如圖7 所示。

圖7 程序流程圖

3.2 OneNET 云 平臺的設計

云平臺采用的是由中國移動打造的OneNET 物聯網開放平臺[6]，可在平臺上創建相關的產品及接入設備。MQTT 協議基于TCP/IP 協議棧，是一種輕量級的通信協議，適用于設備與云平臺之間的可靠通信。設備連接WIFI后， 與OneNET 平臺進行連接，將傳感器采集到的數據進行打包及JSON 數據格式化后發送到云平臺[7]。云平臺將自動解析JSON格式的數據，形成圖像數據，生成可視化界面。本設計生成的可視化界面如圖8 所示。在同一個產品下接入多臺設備，每個設備有各自獨立的子系統，用于接收子系統所收集的氣象數據，實現一個產品可以顯示不同地點的氣象信息。

圖8 可視化界面圖

3.3 終端用戶的設計

在本設計中，手機客戶端使用的是基于HBuilder X 開發與設計的手機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數據，如系統電量、實時氣象數據等。

本設計根據系統的需求在HBuilder X 開發環境下利用uve 框架，通過可視化地設計和調整了應用程序的用戶界面，對本程序進行界面設計和開發。客戶端成功連接網絡后，通過無線網對客戶端進行建立連接以及數據對接等通信過程，最終在手機客戶端顯示經過分析和處理的實時氣象信息數據。除了查看數據之外，并且本設計具有一定的監測功能，終端用戶可以預先設定數值，當系統監測到數據超過假定的數值時，系統將觸發報警器來提醒用戶。

3.4 功能測試及結果分析

本設計包含的功能主要分為硬件功能和軟件功能兩個部分，本節對“基于互聯網+智能化背景下的微型多功能氣象儀”在工作時的使用狀態進行測試和分析。

3.4.1 硬件性能進行測試與分析

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據，測試不同狀況下氣象儀的工作狀態和工作能力，將測試數據與氣象站的數據進行對比，進行氣象儀的精度分析，部分測試結果如表1 所示。

表1 物聯網微型氣象儀在不同時間段的測試數據

“基于互聯網+智能化背景下的微型多功能氣象儀”的硬件性能經過測試及實際數據對比，測試數據的誤差在允許范圍內，滿足本設計的設計指標要求。

3.4.2 手機APP 功能測試與分析

經過我們對手機APP的多次測試，測試結果得出手機APP 可以正常下載和使用，手機APP 接收并顯示的氣象數據與傳感器檢測的數據一致，實現了物聯網微型氣象儀的實時數據傳送和監測。圖9 為手機APP 功能效果圖。

圖9 手機APP 某一實驗的數據效果圖

由上述測量數據可以看出，經過軟硬件測試后，本設計成功實現了對溫度、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 單片機進行數據處理，互聯網進行數據的實時傳送，實現微型氣象儀的便攜、準確性。雖然微型多功能氣象儀所測量的數據與實際數據有所偏差，但此偏差在可接受的范圍內，可以認為是準確反映環境的氣象狀況。

4 結語

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備的研究目的。本設備采用先進的技術來提高系統的集成度，使得體積相比于傳統氣象儀而言更微小且功能多，在不同的環境下，放置該系統進行周圍數據的監測，用戶可根據監測數據的改變對自身的活動進行調整。該系統通過無線傳輸的方式為用戶提供周邊地區氣象實時監測數據，其低成本、微型化、多功能等特點易于普及小區域的氣象測量，用來滿足用戶對于環境參數測量的準確性和數據傳送的實時性的需求，為工農業生產和人民群眾生活提供精細化服務。