一種小型便攜式環(huán)境氣象觀測(cè)一體站的設(shè)計(jì)和研制

■ 侯競(jìng)波 郭晉川 高元朋

便攜式環(huán)境氣象觀測(cè)一體站以傳統(tǒng)氣象站為開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)，以民用環(huán)境氣象觀測(cè)設(shè)備為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，完成了對(duì)溫度、濕度、氣壓、風(fēng)向、風(fēng)速、雨量、PM2.5、PM10、VOC、CO2、噪聲及某一種氣體（SO2、NO2、NO、O3、CO、H2S中的一種）等12種固定的環(huán)境要素的檢測(cè)。便攜式環(huán)境氣象觀測(cè)一體站主要注重于設(shè)備的小型化、內(nèi)部高度集成化和系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間工作的穩(wěn)定性，具有較強(qiáng)的在野外環(huán)境下的工作能力。

氣象行業(yè)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，一個(gè)大范圍的氣象數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)網(wǎng)已經(jīng)基本建成。傳統(tǒng)的氣象觀測(cè)站體積往往較大，安裝不便捷，研究和設(shè)計(jì)出一款高度集成的多要素采集系統(tǒng)共同構(gòu)建的新型便攜式環(huán)境氣象觀測(cè)一體站符合發(fā)展需求。便攜式環(huán)境氣象觀測(cè)一體站利用小體積、多參數(shù)的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)行高密度布局，能夠完善“互聯(lián)網(wǎng)+氣象”發(fā)展規(guī)劃的底層基礎(chǔ)建設(shè)工作。

本研究設(shè)計(jì)和研制的便攜式環(huán)境氣象觀測(cè)一體站體積小，建筑面積只有2 m2左右，只需支立起便攜式三腳架的面積即可。而且，該一體站成本低，針對(duì)性強(qiáng)，主要針對(duì)多參數(shù)環(huán)境探測(cè)，可測(cè)量溫度、濕度、氣壓、風(fēng)向、風(fēng)速、雨量、PM2.5、PM10、VOC、CO2、噪聲及某一種氣體（SO2、NO2、NO、O3、CO、H2S中的一種），共計(jì)12種要素。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本設(shè)備系統(tǒng)在硬件電路方面大致分為兩部分，包括主控部分電路板和數(shù)據(jù)采集部分電路板。主控電路板以STM32F103系列單片機(jī)為主控核心，外圍配接充放電控制模塊、FLASH存儲(chǔ)模塊、RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊、RS232通信模塊和電源模塊。數(shù)據(jù)采集部分包括CO2采集模塊、VOC模塊、氣體檢測(cè)模塊、PM2.5模塊、氣壓模塊、溫濕度模塊、風(fēng)向風(fēng)速監(jiān)測(cè)模塊和雨量模塊。除了上述采集模塊之外，系統(tǒng)不再具有增加外部其他模塊的擴(kuò)展能力。主控系統(tǒng)通過(guò)與各個(gè)模塊進(jìn)行協(xié)議上的通信和對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集。系統(tǒng)的供電方式可以使用太陽(yáng)能電池板或12 V適配器，除此之外，本系統(tǒng)還配備大容量2萬(wàn) mAh的鋰電池在無(wú)外部供電設(shè)備連接時(shí)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行供電。系統(tǒng)的整體框架如圖1所示。

圖1 便攜式環(huán)境氣象觀測(cè)一體站系統(tǒng)框圖

2 設(shè)備電路技術(shù)特點(diǎn)

自動(dòng)氣象站設(shè)備是一種能進(jìn)行自動(dòng)氣象數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)和發(fā)送，并能根據(jù)需要將實(shí)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成氣象報(bào)文和編制成氣象報(bào)表的地面氣象觀測(cè)設(shè)備。本文所述的便攜式環(huán)境氣象觀測(cè)一體站和自動(dòng)氣象站相比，具有集成度高、占地面積小、環(huán)境搭建較為容易等優(yōu)點(diǎn)。核心主控芯片為32位單片機(jī)，運(yùn)行時(shí)鐘周期可達(dá)72 MHz，外部配有32 M大容量FLASH，存儲(chǔ)分鐘數(shù)據(jù)可達(dá)6個(gè)月。設(shè)備可通過(guò)外部RS232接口連接DTU設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)線的方式和后端服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。系統(tǒng)還可以通過(guò)外部的RS232接口通過(guò)有線的方式與電腦端上位機(jī)直連進(jìn)行通信，上位機(jī)界面如圖2所示。

圖2 便攜式環(huán)境氣象觀測(cè)一體站接收數(shù)據(jù)上位機(jī)界面

本項(xiàng)目主要是針對(duì)室外的多種氣象要素長(zhǎng)期觀測(cè)的需求而建立，并根據(jù)市場(chǎng)需求對(duì)傳感器進(jìn)行選型與集成。根據(jù)前期市場(chǎng)調(diào)研，系統(tǒng)具有11個(gè)必選氣象要素和6個(gè)可選氣象要素（6選1），其中必選要素包括溫度、濕度、氣壓、風(fēng)向、風(fēng)速、雨量、PM2.5、PM10、VOC、CO2和噪聲，可選要素（6選1）包括硫化氫（H2S）、一氧化碳（CO）、一氧化氮（NO）、二氧化氮（NO2）、二氧化硫（SO2）、臭氧（O3），共計(jì)可采集12種要素。不同要素使用的傳感器特點(diǎn)如下：

1） 溫、濕度傳感器采用S H T 2 1傳感器，具有精度高、封裝小的優(yōu)點(diǎn)，溫度精確度可達(dá)±0.3℃，濕度精確度可達(dá)±3.0%，溫度的采集范圍為-40～125℃，濕度的采集范圍為0～100%。

2） 氣壓傳感器采用BMP180傳感器，氣壓精確度可達(dá)±0.12 hPa，采集范圍為300～1100 hPa。

3） PM2.5傳感器采用PMS5003傳感器，PM2.5和PM10的采集精度和采集濃度相關(guān)，在濃度為100～500 μg/m3時(shí)，采集精確度為±10%，在濃度為0～100 μg/m3時(shí)，采集精度為±10 μg /m3。

4） CO2模塊采用紅外CO2模塊，測(cè)量范圍為400～2000 ppm（1 ppm=10-6），其測(cè)量精度為±40 ppm。

5） VOC模塊采用KQM2800模塊，采集范圍為0.1～30 ppm，測(cè)量準(zhǔn)確度為±0.5 ppm。

6） 雨量傳感器采用翻斗式雨量桶，采集板將雨量筒輸出的開(kāi)關(guān)信號(hào)做與非運(yùn)算，計(jì)算出降雨量，該雨量計(jì)測(cè)量精度為0.1 mm。

7） 風(fēng)速傳感器為公司自主研發(fā)，主要元器件為光電碼盤(pán)，其測(cè)量范圍0～60 m/s，其準(zhǔn)確度為±0.3 m/s（≤10m/s時(shí)）、0.26±0.04×V m/s（＞10 m/s時(shí)，V為實(shí)測(cè)風(fēng)速）。

8） 風(fēng)向傳感器為公司自主研發(fā)，主要元器件為磁鐵和磁編碼器IC，其測(cè)量范圍為0～360°，其準(zhǔn)確度為±1°。

氣體傳感器模塊選用三電極電化學(xué)傳感器，電化學(xué)傳感器內(nèi)部含有化學(xué)藥品，通過(guò)氣體與內(nèi)部化學(xué)藥品進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)，將產(chǎn)生一個(gè)微弱的電流，而氣體濃度越高，就會(huì)使氧化還原反應(yīng)越劇烈，最后再通過(guò)算法，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，即可得出相應(yīng)的氣體濃度。由于三電極電化學(xué)傳感器接口統(tǒng)一，但每種電化學(xué)傳感器系數(shù)不同，本設(shè)備可接表1中6種氣體中的其中一種，電化學(xué)傳感器參數(shù)見(jiàn)表1。

系統(tǒng)外部還可配接太陽(yáng)能充電板或電源適配器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行供電，同時(shí)為保證在無(wú)外部供電設(shè)備接入的情況下穩(wěn)定工作，設(shè)備內(nèi)部還配備2萬(wàn) mAh鋰電池，使設(shè)備在無(wú)外部輸入的情況下可工作7天以上。隨著近幾年電池性能的提升，大容量國(guó)產(chǎn)電池相繼出現(xiàn)，其中以18650系列鋰電池為主，其電壓為2.7～4.2 V，單節(jié)電池?zé)o法滿足系統(tǒng)工作電壓需求，所以采用兩節(jié)鋰電池串聯(lián)的方式對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行供電，而為了保證電池充電時(shí)的安全性，平衡的充電模式是必不可少的，便攜式環(huán)境氣象觀測(cè)一體站采用纮康科技的HY2120芯片搭配8205A芯片對(duì)整個(gè)電池供電系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)。系統(tǒng)內(nèi)部還配備4 A的充放電控制器，使系統(tǒng)在有外部輸入時(shí)，可以在5 h以內(nèi)將電池充滿，充放電控制器電路見(jiàn)圖3。

表1 電化學(xué)傳感器參數(shù)

3 設(shè)備結(jié)構(gòu)技術(shù)特點(diǎn)

圖3 便攜式環(huán)境氣象觀測(cè)一體站充放電控制器電路

設(shè)備外殼全部采用鋁合金材質(zhì)，大致結(jié)構(gòu)包含風(fēng)向傳感器、風(fēng)速傳感器、通風(fēng)罩、鋰電池、溫度傳感器、濕度傳感器和固定座，風(fēng)向和風(fēng)速傳感器通過(guò)一根穿線管將信號(hào)線和電源線與下方主控系統(tǒng)進(jìn)行連接和固定。下方通風(fēng)罩內(nèi)集成了氣壓、CO2、PM2.5、VOC和氣體濃度檢測(cè)模塊，極大壓縮了空間占有率。由于考慮到內(nèi)部電路板電源部分會(huì)發(fā)熱，從而影響到溫度傳感器的測(cè)量準(zhǔn)確性，所以使用單獨(dú)的電路板將溫度傳感器獨(dú)立出來(lái)，引到了設(shè)備的最下方，這就極大地減小了電路對(duì)溫度傳感器的影響。設(shè)備內(nèi)部總共包含14節(jié)大容量18650鋰電池，總含電量達(dá)到2萬(wàn) mAh以上。具體結(jié)構(gòu)和外形見(jiàn)圖4，通風(fēng)罩內(nèi)部傳感器和電池布局見(jiàn)圖5。

圖4 便攜式環(huán)境氣象觀測(cè)一體站結(jié)構(gòu)和外形圖

圖5 便攜式環(huán)境氣象觀測(cè)一體站內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

4 系統(tǒng)軟件流程

便攜式環(huán)境氣象觀測(cè)一體站采用ST公司的STM32F103系列單片機(jī)作為主控芯片，由于每種傳感器和單片機(jī)的通信方式均不相同，單片機(jī)需要為各個(gè)傳感器提供不同的接口。系統(tǒng)首次開(kāi)機(jī)后，需要人工使用RS232串口為系統(tǒng)配置系統(tǒng)必要的設(shè)備參數(shù)，其中包括設(shè)備ID、系統(tǒng)時(shí)間、數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)間間隔等，設(shè)備信息設(shè)置完成后需要進(jìn)行重啟操作。具體程序流程如圖6所示。

圖6 便攜式環(huán)境氣象觀測(cè)一體站程序流程圖

5 應(yīng)用場(chǎng)景及開(kāi)發(fā)意義

便攜式環(huán)境氣象觀測(cè)一體站是監(jiān)測(cè)溫度、濕度、氣壓、風(fēng)向、風(fēng)速、雨量、PM2.5、PM10、VOC、CO2、噪聲及某一氣體（SO2、NO2、NO、O3、CO、H2S中的一種）等12種重要環(huán)境因子的物聯(lián)網(wǎng)終端，并且便攜式環(huán)境氣象觀測(cè)一體站可利用物聯(lián)網(wǎng)、云平臺(tái)等技術(shù)形成覆蓋重點(diǎn)區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)環(huán)境氣象多元信息采集、分析、發(fā)布及跨行業(yè)數(shù)據(jù)資源共享，為政府決策提供依據(jù)。

便攜式環(huán)境氣象觀測(cè)一體站可以直接安裝于建筑物上（圖7），并使用外接DTU將數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器，從而為居民提供局部空氣環(huán)境質(zhì)量，還可使用和顯示器直連的方式，直接在居民區(qū)顯示出空氣環(huán)境質(zhì)量。

圖7 便攜式環(huán)境氣象觀測(cè)一體站安裝于建筑物上

便攜式環(huán)境氣象觀測(cè)一體站還可以安裝于海洋浮標(biāo)上方（圖8），再在外部配備太陽(yáng)能充電設(shè)備和GPS定位設(shè)備，用DTU回傳的方式將海洋的氣象數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器，為航線規(guī)劃和海洋探測(cè)提供依據(jù)。

圖8 便攜式環(huán)境氣象觀測(cè)一體站安裝于海洋浮標(biāo)上方

隨著智慧城市的普及和智慧氣象的快速發(fā)展，基于便攜式環(huán)境氣象觀測(cè)一體站還提出了一種智能燈桿的設(shè)計(jì)。便攜式環(huán)境氣象觀測(cè)一體站可立在馬路兩旁的延長(zhǎng)壁上，可以使用手機(jī)APP等方式將氣象數(shù)據(jù)推送到路過(guò)行人的手機(jī)當(dāng)中，還可以使用DTU 的方式將數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器，為交通行業(yè)提供可以參考的氣象數(shù)據(jù)（圖9）。

圖9 便攜式環(huán)境氣象觀測(cè)一體站安裝示例

6 結(jié)語(yǔ)

本文提出了便攜式環(huán)境氣象觀測(cè)一體站的設(shè)計(jì)理念。與自動(dòng)站相比，便攜式環(huán)境氣象觀測(cè)一體站采用高集成方式對(duì)傳感器進(jìn)行布局，極大減小了設(shè)備的體積，并減少了外部線纜的鋪設(shè)，從而提高了設(shè)備穩(wěn)定性。便攜式環(huán)境氣象觀測(cè)一體站具有安裝便捷、占地面積小、采集要素多、應(yīng)用場(chǎng)景廣等優(yōu)勢(shì)，使其完全可以更全面應(yīng)用到智慧城市中，為實(shí)現(xiàn)“互聯(lián)網(wǎng)+氣象”提供堅(jiān)實(shí)的底層基礎(chǔ)建設(shè)工作。便攜式環(huán)境氣象觀測(cè)一體站的創(chuàng)新點(diǎn)在于以更好的系統(tǒng)穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)傳感器的高度一體化集成，同時(shí)便攜式環(huán)境氣象觀測(cè)一體站還極大降低了設(shè)備的安裝成本和生產(chǎn)難度。

深入閱讀

胡利軍, 馮小虎, 2008. 多種連接方式在自動(dòng)站數(shù)據(jù)傳輸中的應(yīng)用.氣象, 34(7): 114-117.

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沈文海, 2016. 再析氣象大數(shù)據(jù)及其應(yīng)用. 中國(guó)信息化, (1): 85-96.

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