基于单片机的微型气象站调研报告

1、仪器科学与电气工程学院本科生科技学术实践“六个一”工程调研报告车载微型交通气象站姓名：学号时间：2014.11.19车载微型交通气象站（）摘要：本次调研的目标是了解当前国内几家公司生产的微型气象站的工作原理，技术指标，以及研究方向。进而为微型气象站的设计提供更完备的技术资料和科学背景。本次调研采取实地参观，拜访请教，查找网络信息和文献资料的措施。目前了解到当今社会能够实时准确且尽可能全国大范围对温湿度、风力风向等气象数据进行采集是很难不花费高成本就可以办到的，从而进行物联网式、低成本、大范围地对各地气象数据进行采集是很有必要的。关键词：气象站，物联网，数据采集正文：1调研主要内容、目标与方案（

2、途径）简介调研内容：（1）采集方式，（2）工作原理，（3）技术方案（4）技术指标，（5）背景现状，（6）发展前景。调研目标：（1）了解微型气象站的设计原理和技术方案；（2）总结发现现有系统的特点；（3）掌握进一步改善的设计方案和设计思路。调研方案：（1）实地参观校内产品效果；（2）拜访请教该老师；（3）上网查找微型气象站的原理和设计方案；（4）阅读有关微型气象站的文献资料。调研信息来源与调研过程的纪实现象观察：在吉林大学朝阳校区参观，了解校内的两个小型气象站。拜访请教：时间：2014.4.10地点：长春市单位：吉林大学人物：李冶老师交流内容：我主要请教了老师关于微型气象站的工作内容和设计思路。

3、设计思路：通过多个传感器，采集一系列天气参数，如：温度、湿度、风速、气压、可吸入颗粒物含量等。通过模数转换，A/D采集部分将相应参数经过单片机传到上位机。参数可以在界面上显示并存入电脑的数据库中，软件可以根据采集到的数据绘制实时的图像。软件中如果能有一些数据处理，如：滤波、平滑等，效果会更好些。老师强调的重点：各种传感器可以直接购置现有商品，有的输出的是数字信号，有的输出的是模拟信号；单片机可以选择自带模数转换盒A/D采集的型号，或直接购买开发板（430单片机应该够用）；上位机界面可以选择用VB,LabView,C+或C#编写;单片机和上位机的通讯可以选择串口或并口。我们总结的总体方案：网络信

4、息：网上浏览了微型气象站的特点。具体：1、微电脑气象数据采集仪具有气象数据采集、实时时钟、定时存储、参数设定、参数和气象历史数据掉电保护等功能。数据采集器采用新一代处理器32位MotorolaCPU集成高精度GPS数字芯片，1微秒卫星同步支持NMEA0183通讯协议，主动型陶瓷天线让定位更为精准，通过气象监测软件可以准确定位查看监测区域的气象环境数据，方便于移动观测气象数据，工业控制标准化设计，便携式防振结构，汉字液晶键盘人机界面，使用先进的双屏显示技术，主屏显示实时气象数据信息，辅屏显示地理状况信息包括方位、高度、天气预报资料等等，人机界面友好，便于现场实时查看气象分析数据，无需外接电脑终端

5、设备。2、标准RS232/485/USB通讯功能，支持标准MODBUS通讯协议，可以通过有线连接、局域网连接、光纤连接、Modem连接、GPRS移动通讯、数传电台、3G通讯、卫星通讯等多种通讯方式与气象站接收服务器组成气象监测系统。3、自动气象站管理软件可在WIND0WS2000以上环境即可运行并支持最新WIN7操作系统，实时显示各路数据，每隔10秒更新一次，每组数据自动存储（存储时间可以设定），与打印机相连自动打印存储数据，生成标准气象图文报表及统计分析曲线，存储量达数年以上，数据存储格式为EXCEL标准格式可供其它软件调用，并可以将数据上传至专业的网站进行实时更新便于查询。4、电源供电系统

6、有市电220V、直流5V、12V和太阳能供电系统多种方式进行选择。气象数据采集器配备有绿色节能电源管理模块系统，如使用太阳能系统方式供电，可保证连续阴雨天情况下十天无断电稳态工作。5、采用不锈钢轻金属支架和野外防护箱，外形美观、耐腐蚀、抗干扰，可长期运行于各种恶劣的室外环境，安装支架高度包括2.5m能够根据规范要求安装气象传感器。6、完善的防雷击、抗干扰等保护措施。在电子线路方面采用了防雷、噪声抑止等多种抗干扰措施，在硬件和软件设计方面采用了降额设计、电磁兼容设计、野值剔除等多种可靠性设计技术，可靠运行于各种恶劣的野外环境，低功耗、高稳定性、高精度、可无人值守。文献资料：阅读了有关微型气象站的

7、文献资料。具体：作者：包粲，文章名称：智能化气象传感器及数据采集系统主要信息摘要：本文采用单片机对原有的数据采集系统和传统气象传感器进行改造和升级。通过使用单片机嵌入到传统传感器中，完成数据采集、处理和通讯工作，完成传统传感器的智能化数字输出。传统非智能传感器输出信号分为数字信号和模拟信号两种，为实现嵌入式的智能传感器，本文选用风杯风速计和风向标描述数字信号传感器的智能化过程，而模拟信号传感器的智能化则选用传统短波总辐射表。采用低功耗系列的单片机作为处理核心，实现单站数据采集模块的功能。提出采用485总线方式，将各个智能传感器和单站数据采集模块组成“气象采集网络即单站数据采集系统，以达到简化布

8、线，增强仪器互换性，降低维修维护成本的目的。最后将各个单站数据采集系统通过GPRS的通讯方式与数据中心进行数据通信。经过实验证明，此套数据采集系统的设计结构适用于气象、水文、环境等研究领域的野外仪器采集数据，并具有低功耗、低成本、低维护等优点。3创新训练项目立项建议（1）建议项目名称：车载微型交通气象站（2）立项背景和依据（包括研究目的及意义、国内外研究现状分析与评价）（一）研究目的及意义：当今社会能够实时准确且尽可能全国大范围对温湿度、风力风向等气象数据进行采集是很难不花费高成本就可以办到的，本项目研究物联网式、低成本、大范围地对各地气象数据进行采集。由于气象事业已经和人们的民用和工业活动密

9、不可分，在国防建设、社会进步、经济发展中，气象采集技术扮演着重要的角色，同时随着国家可持续发展战略的实施，气象采集技术对我们越来越重要；随着人们对气象信息需求的不断变化，传统的气象观测模式已经无法满足人们的需要，因此，自动气象数据采集技术在我国有了很好的发展；气象数据采集系统的物联性直接影响着数据实用性，从而，如何实现广泛地从全国各地以致世界各地采集数据信息并汇总,今后必然是极其有意义的一个研究方向。通过后文国内外气象采集系统现状的对比，可以看到，国内的气象采集系统虽然有了较大的发展，但是与国外的发展水平相比，仍有较大的差距。因此，为了提高我国气象监测事业的整体水平，必须重点发展新一代自动气象

10、站，对气象传感器、数据处理等关键技术进行改进。随着微型计算机、新一代通信技术以及新型传感器的不断推广与应用，我国的气象监测系统必然将转向微功耗、智能化、高可靠性、低成本广泛性方向发展，必将为我们的生产和生活提供更可靠，更详细的气象信息。本项目研究的车载交通微型气象站，能实现气象站小型化和具体化，与物联网概念相结合，是物联网最底层的单个点，多点多地结合实时对大范围的数据进行采集并上传到网络。（二）国内外研究现状：（1）我国自动气象数据采集系统研制工作始于20世纪50年代后期，至今已经了相当大的进展。目前，国内有多个厂家生产自动气象站，如北京华创升达高科技发展中心和天津气象仪器厂的CAWS系列、长

11、春气象仪器厂的DYYZII系列、江苏无线电研究所的ZQZ_CII系列、广东省气象技术装备中心的ZDZII型和北京阿斯曼科技发展公司的ASM、XYZ系列。其中CAWS600、XYZ06以及机场地面气象观测自动化系统在军队和地方台站得到了广泛的推广和应用尽管如此，我国的气象采集系统仍然存在不少问题。首先，大部分自动气象站采用集中式结构，数据采集器必须与具体的传感器匹配，系统丌放性不高。其次，受技术水平和生产工艺的限制，国产传感器的准确性、可靠性较差，距世界先进水平还有一定的差距，气象传感器主要依赖进口。再者，国产自动气象站所采用的数据采集器大多与相应的自动气象站配套使用，当需要扩充自动气象站观测功

12、能，增加新的气象要素传感器时，不能直接进行升级，必须更换，从而造成重复建设和资源浪费。（2）国外的气象采集系统自上世纪50年代末以来，已经经历了三代的发展，特别是进入90年代以后，自动气象站在许多发达国家得到了迅速的发展。如美国的自动地面观测系统（ASOS）,日本的自动气象资料收集系统（AMeDAS）、芬兰的自动气象观测系统（MILOS）和法国的基本站网自动化观测系统（MISTRAL）等。目前，全世界的70多个国家和20多个地区和组织基本上都是使用芬兰VAISALA公司的气象产品进行气象观测,VAISALA公司自动气象站的代表系列足MAWS系列，目前在全球的大多数国家和地区使用的是MAWS20

13、1系列，该系列现已发展到了MAWS301、MAWS410系列。国外的自动气象站不仅拥有技术先进、精确稳定的气象传感器，而且还可以根据用户的不同需求定制传感器的种类和数量，采用通用的数据传输格式，用户能自山配置数据的输出格式。自动气象站采用良好的防护措施，能够适应各种不习的环境。在装备使用的机动性、操作的便捷性、维修的快捷性、恶劣环境的适应性等方面都做得较好。（3）项目研究内容（项目主要研究内容；拟解决的关键问题、重点和难点）研究、设计一个采集一部分天气参数并上传到互联网的车载微型交通气象站，非行驶时可测得风速与风向，任意时刻可测量温湿度、气压。并将这些数据信息进行DA转换,存储到SD卡，进行屏

14、幕显示，间断地通过蓝牙上传到车主的手机上（也可以传递电脑上）。拟解决的关键问题、重点和难点：1、单片机对多个气象数据的综合处理；2、风向风速模块的研制；3、实时性实现较为困难；4、手机蓝牙接受的实现比较困难；5、SD卡数据的存储。重点：数据的采集与传输设计。难点：整体的实时性实现。（4）项目实施方案（研究思路和方法，实施计划、技术路线）（一）研究思路和方法（1）电源模块设计系统只有正常的供电才能稳定的工作，所以电源模块的设计尤为重要。由于各个单元电路供电电压不完全相同，其中单片机模块、各传感器模块、以及LCD显示模块的供电电压为5V,蓝牙供电3.3v，故电源电路的设计要兼顾各个部分的要求。图为

15、气象采集终端电源电路图，外部供电电压为5伏。5伏到3.3伏的电平转换采用的是美国ADMOS公司生产的AMS1117稳压器。AMS1117系列稳压器具有功耗低、体积小、压差小等特点，符合本系统的设计思想，因此硬件设计时用它来进行电平转换。（2）单片机模块传感器智能化和数据采集模块的设计都要用到单片机进行数据处理，因此，对单片机的选型将决定系统的性能和成本。在对系统设计进行定位后，综合考虑处理速度、成本、功耗、集成功能等要素，我们选择TI公司生产的51系列处理。（3）温湿度传感器模块选用DHT11温湿度传感器，它是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传

16、感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。每个DHT11传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式储存在OTP内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选则。产品为4针单排引脚封装。连接方便，特殊封装形式可根据用户需求而提供。（4）气压传感器模块选用MS5611-01

17、BA气压传感器，它是由MEAS（瑞士）推出的一款SPI和PC总线接口的新一代高分辨率气压传感器，分辨率可达到10cm。该传感器模块包括一个高线性度的压力传感器和一个超低功耗的24位工模数转换器（工厂校准系数）。MS5611提供了一个精确的24位数字压力值和温（5）LCD显示模块度值以及不同的操作模式，可以提高转换速度并优化电流消耗。高分辨率的温度输出无须额外传感器可实现高度计/温度计功能。可以与几乎任何微控制器连接。通信协议简单，无需在设备内部寄存器编程。MS5611压力传感器只有5.0毫米x3.0毫米X1.0毫米的小尺寸可以集成在移动设备中。这款传感器采用领先的MEMS技术并得益于MEAS（瑞士）十余年的成熟设计以及大批量制造经验，保证产品具有高稳定性以及非常低的压力信号滞后。LCD模块电路设计主要完成LCD模块VDD,VSS,RS，刚W,E，DB0DB7,PSB等管脚的电路连接。LCD正常工作除了必需的供电与接地外，还必须接受相应的命令驱动。RS管脚和DB0DB7管脚配合完成数据/命令的选择和输入/输出，PSB管脚则完成数据模式的选择。所以，电路正常工作，必须完成这些管脚的正确连接。具体的电路设计如下图为LCD显示模块接口电路图。由于本系统采用的是8位并行连接方式，所以RSRW（二）实施计划、技术路线E管脚分别连入单片机的P1