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浅谈多要素自动气象站教学实验设计

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摘要:目前,南京信息工程大学中国气象局综合观测培训实习基地(南京)观测对实验场的大气温度、湿度等测量,通过人工观测、记录后录入计算机系统并利用显示屏发布,观测自动化程度低、气象信息共享不足。本实验利用THETDA-4型电子综合应用技术实验/开发平台,利用平台的传感器模块、主控模块、输入接口模块、数字显示模块、通讯模块等构建一个实时地面气象站。实时测量了大气温度、湿度、气压、风速、光照、空气质量、粉尘、下雨等信息,并将检测的气象信息通过串口Wi-Fi模块上传到互联网,方便用户及时了解观测场实时气象信息。实验可作为气象类创新实践设计项目,拓展学校大气观测场的实验,也可作为气象仪器、大气探测等课程的实践任务,提高学生对大气探测知识技能的掌握。

关键词:气象要素;自动气象站;传感器

为结合我国气象探测事业日新月异的发展,满足气象类各层次学生实验实习教学需求,在中国气象局及其相关部门的大力支持下,南京信息工程大学于2009年1月正式立项建设气象探测试验基地。该基地位于学校中苑,毗邻滨江校区,总体占地面积1.3万平方米,2009年10月底完成第一期地面观测站工程建设。建成后的基地显示屏可以发布观测场实时气象信息。观测场根据教学、科研的实际需要规划地面观测站为四大功能区:大气探测教学实习场、标准示范场、气象仪器性能比对试验场、移动观测站。观测项目包括:温度、湿度、气压、风向风速、雨量、辐射、蒸发等常规项目和气溶胶浓度、云高、含水量、温湿廓线、湍流通量等科研项目。气象观测数据通过路边电子显示屏实时发布。2010年4月28日中国气象局正式下文,命名为“中国气象局综合观测培训实习基地(南京)”。目前,学生在基地开展各类气象观测业务,有些业务由于行业标准的需要,还采用目测和机械钟自记录装置,如温度的观测采用水银温度计,湿度的观测采用毛发湿度计或干湿球湿度表,需要人工观测并记录,测量自动化程度低。同时,测试设备发生故障,人工故障判断和检修麻烦[1,2]。学校为了更好地服务于气象行业,培养更全面的气象类技术人才,在电子信息类专业开设了气象特色课程[2],如气象仪器、大气探测学、雷达原理和信号处理等,课程教材由学校专家教授编写,涉及大气探测的原理及相应的仪器设备的使用及维护。考虑到观测场的实际气候条件,为了更好地让学生理解和掌握大气探测的常用仪器的原理、安装、测试、维护等知识,结合THETDA-4型电子综合应用技术实验/开发平台,设计了一套地面气象观测站,实时显示观测场的气象信息并进行网络发布,同时测量的气象信息可以与标准观测场仪器进行比对,提高观测场气象要素测量的自动化程度。学生通过项目实验,可以更好地巩固本专业相关基础知识技能,同时了解学校的行业服务特色,更好的拓展就业渠道。

1系统设计及工作原理系统

为基于物联网的自动气象站,包括温度、湿度、气压、风速、光照、雨滴、空气质量等气象要素的测量。传感器信号包括模拟信号的A/D转换,数字单总线、IIC串行总线协议等。对于传感器的信号,单片机处理后通过Wi-Fi模块实现网络读取,按键和TFT屏实现用户的交互输入和信息本地显示。本项目实验的价值体现在两方面:(1)让电子类学生通过实验了解气象行业常用测量仪器的原理及简易气象站的设计,熟悉基本气象要素的测量系统设计;(2)作为一种基础的多传感器物联网解决方案,将许多传感器集成起来,通过节点的形式接入网络,实现远程的信息传输和共享[4,5]。系统包括核心控制器、温湿度传感器、气压传感器、光照传感器、空气质量传感器、风速传感器、RS485模块、雨滴传感器、TFT显示屏、Wi-Fi模块、8位独立功能按键、蜂鸣器、电源模块等。整个系统模块见图1,所有模块均来自于THETDA-4型实验平台。控制器负责采集传感器获得的气象要素信息,包括模拟信号和数字信号。TFT屏实时显示采集的时刻和气象要素值。软件程序对需要设定阈值的传感器进行设置,要素值超过阈值时蜂鸣器就发出警示声音。通过独立按键可以对实时时钟进行调校,Wi-Fi模块通过串口连接主控制器,通过无线上位PC机连接,通过网页实时发布观测场地气象信息,有线和无线客户通过PC机(互联网访问服务器)上的页面,获得气象信息。整个系统的硬件模块包括:主控制器STM32F103VET6,温湿度传感器DHT11模块,气压传感器MS5611,光照传感器BH1750FVI,空气质量传感器QS-01,三杯基于RS485总线风速传感器,电导式雨滴传感器[6,7],8位独立按键,TFT显示屏SSD1289,串口Wi-Fi模块HLK-RM04,蜂鸣器。电源利用+5V开关电源。

2实验系统功能及软件工程流程

本实验项目作为一个基本简易自动气象站,完成地面气象要素的检测;通过按键调校实时时间,程序设置预警阈值并发出警示信息;作为一个站点,将气象信息在互联网上发布,实现气象信息的共享。软件流程:先配置系统的优先级,2位抢占优先级,2位响应优先级;接着进行单片机内部和外部模块的初始配置,包括串口配置成波特率为9600,蜂鸣器的接口配置,TFT屏的初始化,按键的引脚配置,实时时钟的配置,定时器2的捕获功能的初始化(粉尘传感器),外部中断初始化。另外还包括数字温湿度传感器的配置,空气质量传感器的A/D转换配置,气压传感器的IIC引脚、复位、初始化,光照传感器的初始化,风速度传感器的RS485初始化,粉尘传感器的引脚配置,串口Wi-Fi模块的初始化。随后,对RS485总线的传输数据进行校验,TFT屏显示固定的字符等常量,Wi-Fi模块出厂设置默认为透传模式。为了通讯和网络安全,先退出透传模式,进入AT命令配置模式,利用串口配置Wi-Fi模块,配置好Wi-Fi模块后,还需要发送对应的数据,所以设置为AP模式。在20ms内判断Wi-Fi模块是否在线,如果在线,开始在下位机的TFT屏上显示气象信息数据并利用Wi-Fi模块进行数据推送,如果不在线,继续等待后再判断。在判断到Wi-Fi在线后,通过循环不断执行以下流程:扫描实时时钟,判断是否有键按下,如果有键按下,完成相应键值的操作,调校时钟,后续分别读取温湿度、气压、风速、光照、粉尘、雨滴等传感器的数值,并将数值显示在下位机的TFT屏上,当读取的值超过程序设定的阈值后,对应的行出现红色方框预警。Wi-Fi模块并对传感器的数值进行推送。

3实验实现及分析

实验需要的传感器主要有两种:数字信号输出和模拟信号输出。对于数字信号输出,主要覆盖同步串行通讯协议,也就是时序编程,包括单总线和IIC总线协议。模拟量输出为模拟电压,需要进行A/D转换,涉及单通道的单次或多次转换[8]。其中空气质量传感器输出为脉冲,需要通过捕获实现高低电平时间的测量,还要用到定时/计数器。风速传感器采用了异步串行通讯,包括RS485总线。另外,接口按键采用独立的8个按键实现,涉及外部输入中断。TFT屏涉及时序编程和汉字的取模等。Wi-Fi模块涉及异步通信协议,需要编程实现模块的驱动[9]。搭建的系统共用了12个模块。基于物联网的自动气象站其下位机嵌入式软件采用模块化设计,设计的工程软件基于keil软件开发环境,包括头文件(*.h)和源文件(*.c)。头文件和源文件均有库文件和用户自定义文件两类。STM32F103的库文件由软件开发商提供,主要配置单片机的相关功能模块和接口函数,方便用户的开发利用。用户自己定义文件基于库文件构建,包括配置接口引脚、宏定义、声明函数的头文件和模块化的不同模块单元的功能函数。上位机软件有辅助软件和自开发功能软件,自开发软件有基于PC机平台和手机两类。辅助软件来自网络,包括串口调试助手、网络调试助手、波特率计算软件等。用户开发的软件主要是网页,基于VC++的网页和基于安卓平台的软件。一个自动气象站,一般需在室外或室内空旷地方进行实验。在实验前,需要将需要的模块准备好,利用提供的实验面板合理将模块布置好,主要是将模块插在面板上并固定位置。在布置过程中,要考虑位置的摆放,便于接线。由于本实验项目涉及的工作电源主要为+5V和+3.3V,其中+3.3V可以由模块自带的稳压电路完成。通过对各模块的额定功耗估计,在+5V供电条件下,系统工作电流小于1A。在室外实验时,可以利用开关电源供电,将引到室外的220V交流电压通过开关电源变换为+5V使用,可以选择+5V/3A开关电源。

实验能够在本地实时显示观测场的温度、湿度、气压、风速、是否有雨滴、空气质量等,同时实时显示当前时间。实验者可以跟标准观测场的测量结果比对,也可以人为改变局部大气环境要素值,从而验证系统测试的数据的精度及误差,如用火机打火改变环境温度、嘴巴吹气改变湿度、风扇吹风改变风速等。学生通过这些操作就能够理解系统的测量正确与否。系统调试成功后的下位机的显示相应传感器的读数,其中红色方格出现,表示测量值超过程序设置的阈值,蜂鸣器发声音。在本地局域网内实现了气象信息的共享,串口Wi-Fi设置网络名称为:wifiap_ssid="ATK-RM04",对应的密码:wifiap_password="12345678",这样局域网内就有Wi-Fi信号可以访问了,其中串口在实验中考虑接入设备的数量,采用了AP模式。利用网页设计工具,在一台笔记本电脑上设计了相应的气象要素信息发布网页,此台笔记本电脑作为局域网服务器,网页地址为:“http://192.168.16.172:8090/w/q.html”。手机用户,无论是安卓平台还是苹果平台,只需要利用UC浏览器输入相应网址或扫描地址对应的二维码就可以访问[10],前提要接入串口转Wi-Fi模块提供的无线网络。实验实现了大气温度、大气湿度、地面气压、地面风速、光照强度、空气质量、是否下雨和粉尘的测量,并可以在网络上发布,实现气象信息远程共享,测试结果是实时的。虽然实验平台没有提供风向标,没有完成风向的测量,但实验完成了南京信息工程大学中国气象局综合观测培训实习基地(南京)的其他业务观测内容,并增加了光照强度、空气质量、下雨、粉尘等气象信息观测。由于选用的数字传感器,精度比观测站更高,但选用的传感器量程有些不如观测场的传感器大。

4教学验的创新

由于本实验项目涉及气象知识和电子类专业基础知识,实验的代码全部开源,整个工程采用了模块化编程。可以根据学生的能力逐个理解传感器的应用,然后完整加入到系统。当气象要素超过程序设定值,蜂鸣器会发出声音,提示关注现象,独立按键可以对实时时间进行调校。在实验中,学生需要使用开发环境软件Keil,通过C语言编程修改工程中的主函数和子函数文件,也可以根据硬件引脚配置来修改资源设定头文件,工程需要重新编译、链接生成可以下载到硬件的二进制代码。学生也可以利用JLINK对工程进行调试,跟踪程序中的关键变量,检查程序设计的逻辑是否正确。整个实验基于THETDA-4型电子综合应用技术实验/开发平台,学生实验前需要选择对应的模块,按照设计的布局固定在实验面板上,通过接插引用进行模块之间的连接,包括电源的连接和信号的连接。学生在实验中需要严谨细致,根据绘制的原理图和具体模块的接口,用不同颜色的导线将各模块连接起来。学生在整个实验项目中,能够掌握硬件的原理、连接,嵌入式程序的设计、调试等。实验创新性设计表现在以下几方面。(1)实时时间的调校,采用了系统初始化时的后备电池检测策略,当后备电池掉电后需要重新配置时间,否则系统不再调校时间。如果发现实时时间错误,取下电池装上开机重新配置时间,减少了按键中断查询和程序扫描的软件开销,提高了系统的响应速度。(2)在Wi-Fi模块的配置上,采用了全自动的串口配置,无须手动复位模块。(3)TFT屏采用了静态存储技术,即FSMC技术,提高了屏幕刷新速度。(4)网页提供了二维码接入访问方式。

5结语

由于本实验涉及32位STM32F103单片机平台、涉及A/D转换编程、单总线和IIC同步串行通讯编程、串行异步Wi-Fi模块的编程、TFT屏的时序编程、独立按键的中断响应等相关电子技术,学生通过本实验项目基本能完成基于STM32F103VET6单片机平台的传感器信号输入和输出显示,涉及定时/计数器的应用,掌握一种基本的多传感器的信息传输和远程共享的物联网解决方案。

参考文献

[1]李雁,李峰,郭维,夏元彩,周青,周薇.气象观测设备运行状态综合判定技术应用[J].南京信息工程大学学报,2016,8(5):439-445.

[2]徐伟,裴晓芳,季鑫源,陈晓,行鸿彦.高精度多通道自动气象站气压检定仪的设计[J].仪表技术与传感器,2016(2):34-38.

[3]杨光祥,胡健,朱超平,彭燕妮.依托中央与地方共建项构筑电子信息类工程人才实践创新平台[J].实验技术与管理,2017,34(1):25-28.

[4]姚巍,渠红星,沈岳峰,连高欣.虚拟化桌面云在地市级气象综合业务平台的应用[J].南京信息工程大学学报,2015,7(6):540-545.

[5]刘泽良,胡日新.物联网技术下基于Arduino的智能公交系统模型设计[J].实验技术与管理,2014,31(11):140-143.

[8]孟瑞丽,刘恒,张宏群.一种静电驱动微机械谐振传感器的接口电路及应用[J].仪表技术与传感器,2015(5):90-93.

[9]李桢,黄劲松.基于RSSI抗差滤波的wifi定位[J].武汉大学学报,2016(3):361-366.

[10]倪红军.基于Android平台的消息推送研究与实现[J].实验室研究与探索,2014,33(5):96-100.

作者:刘恒1;孟瑞丽2;徐佳棋1;邰凡彬1;孙冬娇1 单位:1.南京信息工程大学电子与信息工程学院,2.南京信息工程大学教务处

浅谈多要素自动气象站教学实验设计责任编辑:张雨    阅读:人次