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摘要：目前，南京信息工程大學中國氣象局綜合觀測培訓實習基地(南京)觀測對實驗場的大氣溫度、濕度等測量，通過人工觀測、記錄后錄入計算機系統并利用顯示屏，觀測自動化程度低、氣象信息共享不足。本實驗利用THETDA-4型電子綜合應用技術實驗/開發平臺，利用平臺的傳感器模塊、主控模塊、輸入接口模塊、數字顯示模塊、通訊模塊等構建一個實時地面氣象站。實時測量了大氣溫度、濕度、氣壓、風速、光照、空氣質量、粉塵、下雨等信息，并將檢測的氣象信息通過串口Wi-Fi模塊上傳到互聯網，方便用戶及時了解觀測場實時氣象信息。實驗可作為氣象類創新實踐設計項目，拓展學校大氣觀測場的實驗，也可作為氣象儀器、大氣探測等課程的實踐任務，提高學生對大氣探測知識技能的掌握。

關鍵詞：氣象要素；自動氣象站；傳感器

為結合我國氣象探測事業日新月異的發展，滿足氣象類各層次學生實驗實習教學需求，在中國氣象局及其相關部門的大力支持下，南京信息工程大學于2009年1月正式立項建設氣象探測試驗基地。該基地位于學校中苑，毗鄰濱江校區，總體占地面積1.3萬平方米，2009年10月底完成第一期地面觀測站工程建設。建成后的基地顯示屏可以觀測場實時氣象信息。觀測場根據教學、科研的實際需要規劃地面觀測站為四大功能區：大氣探測教學實習場、標準示范場、氣象儀器性能比對試驗場、移動觀測站。觀測項目包括：溫度、濕度、氣壓、風向風速、雨量、輻射、蒸發等常規項目和氣溶膠濃度、云高、含水量、溫濕廓線、湍流通量等科研項目。氣象觀測數據通過路邊電子顯示屏實時。2010年4月28日中國氣象局正式下文，命名為“中國氣象局綜合觀測培訓實習基地(南京)”。目前，學生在基地開展各類氣象觀測業務，有些業務由于行業標準的需要，還采用目測和機械鐘自記錄裝置，如溫度的觀測采用水銀溫度計，濕度的觀測采用毛發濕度計或干濕球濕度表，需要人工觀測并記錄，測量自動化程度低。同時，測試設備發生故障，人工故障判斷和檢修麻煩[1,2]。學校為了更好地服務于氣象行業，培養更全面的氣象類技術人才，在電子信息類專業開設了氣象特色課程[2]，如氣象儀器、大氣探測學、雷達原理和信號處理等，課程教材由學校專家教授編寫，涉及大氣探測的原理及相應的儀器設備的使用及維護。考慮到觀測場的實際氣候條件，為了更好地讓學生理解和掌握大氣探測的常用儀器的原理、安裝、測試、維護等知識，結合THETDA-4型電子綜合應用技術實驗/開發平臺，設計了一套地面氣象觀測站，實時顯示觀測場的氣象信息并進行網絡，同時測量的氣象信息可以與標準觀測場儀器進行比對，提高觀測場氣象要素測量的自動化程度。學生通過項目實驗，可以更好地鞏固本專業相關基礎知識技能，同時了解學校的行業服務特色，更好的拓展就業渠道。

1系統設計及工作原理系統

為基于物聯網的自動氣象站，包括溫度、濕度、氣壓、風速、光照、雨滴、空氣質量等氣象要素的測量。傳感器信號包括模擬信號的A/D轉換，數字單總線、IIC串行總線協議等。對于傳感器的信號，單片機處理后通過Wi-Fi模塊實現網絡讀取，按鍵和TFT屏實現用戶的交互輸入和信息本地顯示。本項目實驗的價值體現在兩方面：(1)讓電子類學生通過實驗了解氣象行業常用測量儀器的原理及簡易氣象站的設計，熟悉基本氣象要素的測量系統設計；(2)作為一種基礎的多傳感器物聯網解決方案，將許多傳感器集成起來，通過節點的形式接入網絡，實現遠程的信息傳輸和共享[4,5]。系統包括核心控制器、溫濕度傳感器、氣壓傳感器、光照傳感器、空氣質量傳感器、風速傳感器、RS485模塊、雨滴傳感器、TFT顯示屏、Wi-Fi模塊、8位獨立功能按鍵、蜂鳴器、電源模塊等。整個系統模塊見圖1，所有模塊均來自于THETDA-4型實驗平臺。控制器負責采集傳感器獲得的氣象要素信息，包括模擬信號和數字信號。TFT屏實時顯示采集的時刻和氣象要素值。軟件程序對需要設定閾值的傳感器進行設置，要素值超過閾值時蜂鳴器就發出警示聲音。通過獨立按鍵可以對實時時鐘進行調校，Wi-Fi模塊通過串口連接主控制器，通過無線上位PC機連接，通過網頁實時觀測場地氣象信息，有線和無線客戶通過PC機(互聯網訪問服務器)上的頁面，獲得氣象信息。整個系統的硬件模塊包括：主控制器STM32F103VET6，溫濕度傳感器DHT11模塊，氣壓傳感器MS5611，光照傳感器BH1750FVI，空氣質量傳感器QS-01，三杯基于RS485總線風速傳感器，電導式雨滴傳感器[6,7]，8位獨立按鍵，TFT顯示屏SSD1289，串口Wi-Fi模塊HLK-RM04，蜂鳴器。電源利用+5V開關電源。

2實驗系統功能及軟件工程流程

本實驗項目作為一個基本簡易自動氣象站，完成地面氣象要素的檢測；通過按鍵調校實時時間，程序設置預警閾值并發出警示信息；作為一個站點，將氣象信息在互聯網上，實現氣象信息的共享。軟件流程：先配置系統的優先級，2位搶占優先級，2位響應優先級；接著進行單片機內部和外部模塊的初始配置，包括串口配置成波特率為9600，蜂鳴器的接口配置，TFT屏的初始化，按鍵的引腳配置，實時時鐘的配置，定時器2的捕獲功能的初始化(粉塵傳感器)，外部中斷初始化。另外還包括數字溫濕度傳感器的配置，空氣質量傳感器的A/D轉換配置，氣壓傳感器的IIC引腳、復位、初始化，光照傳感器的初始化，風速度傳感器的RS485初始化，粉塵傳感器的引腳配置，串口Wi-Fi模塊的初始化。隨后，對RS485總線的傳輸數據進行校驗，TFT屏顯示固定的字符等常量，Wi-Fi模塊出廠設置默認為透傳模式。為了通訊和網絡安全，先退出透傳模式，進入AT命令配置模式，利用串口配置Wi-Fi模塊，配置好Wi-Fi模塊后，還需要發送對應的數據，所以設置為AP模式。在20ms內判斷Wi-Fi模塊是否在線，如果在線，開始在下位機的TFT屏上顯示氣象信息數據并利用Wi-Fi模塊進行數據推送，如果不在線，繼續等待后再判斷。在判斷到Wi-Fi在線后，通過循環不斷執行以下流程：掃描實時時鐘，判斷是否有鍵按下，如果有鍵按下，完成相應鍵值的操作，調校時鐘，后續分別讀取溫濕度、氣壓、風速、光照、粉塵、雨滴等傳感器的數值，并將數值顯示在下位機的TFT屏上，當讀取的值超過程序設定的閾值后，對應的行出現紅色方框預警。Wi-Fi模塊并對傳感器的數值進行推送。

3實驗實現及分析

實驗需要的傳感器主要有兩種：數字信號輸出和模擬信號輸出。對于數字信號輸出，主要覆蓋同步串行通訊協議，也就是時序編程，包括單總線和IIC總線協議。模擬量輸出為模擬電壓，需要進行A/D轉換，涉及單通道的單次或多次轉換[8]。其中空氣質量傳感器輸出為脈沖，需要通過捕獲實現高低電平時間的測量，還要用到定時/計數器。風速傳感器采用了異步串行通訊，包括RS485總線。另外，接口按鍵采用獨立的8個按鍵實現，涉及外部輸入中斷。TFT屏涉及時序編程和漢字的取模等。Wi-Fi模塊涉及異步通信協議，需要編程實現模塊的驅動[9]。搭建的系統共用了12個模塊。基于物聯網的自動氣象站其下位機嵌入式軟件采用模塊化設計，設計的工程軟件基于keil軟件開發環境，包括頭文件(*.h)和源文件(*.c)。頭文件和源文件均有庫文件和用戶自定義文件兩類。STM32F103的庫文件由軟件開發商提供，主要配置單片機的相關功能模塊和接口函數，方便用戶的開發利用。用戶自己定義文件基于庫文件構建，包括配置接口引腳、宏定義、聲明函數的頭文件和模塊化的不同模塊單元的功能函數。上位機軟件有輔助軟件和自開發功能軟件，自開發軟件有基于PC機平臺和手機兩類。輔助軟件來自網絡，包括串口調試助手、網絡調試助手、波特率計算軟件等。用戶開發的軟件主要是網頁，基于VC++的網頁和基于安卓平臺的軟件。一個自動氣象站，一般需在室外或室內空曠地方進行實驗。在實驗前，需要將需要的模塊準備好，利用提供的實驗面板合理將模塊布置好，主要是將模塊插在面板上并固定位置。在布置過程中，要考慮位置的擺放，便于接線。由于本實驗項目涉及的工作電源主要為+5V和+3.3V，其中+3.3V可以由模塊自帶的穩壓電路完成。通過對各模塊的額定功耗估計，在+5V供電條件下，系統工作電流小于1A。在室外實驗時，可以利用開關電源供電，將引到室外的220V交流電壓通過開關電源變換為+5V使用，可以選擇+5V/3A開關電源。

實驗能夠在本地實時顯示觀測場的溫度、濕度、氣壓、風速、是否有雨滴、空氣質量等，同時實時顯示當前時間。實驗者可以跟標準觀測場的測量結果比對，也可以人為改變局部大氣環境要素值，從而驗證系統測試的數據的精度及誤差，如用火機打火改變環境溫度、嘴巴吹氣改變濕度、風扇吹風改變風速等。學生通過這些操作就能夠理解系統的測量正確與否。系統調試成功后的下位機的顯示相應傳感器的讀數，其中紅色方格出現，表示測量值超過程序設置的閾值，蜂鳴器發聲音。在本地局域網內實現了氣象信息的共享，串口Wi-Fi設置網絡名稱為：wifiap_ssid="ATK-RM04"，對應的密碼：wifiap_password="12345678"，這樣局域網內就有Wi-Fi信號可以訪問了，其中串口在實驗中考慮接入設備的數量，采用了AP模式。利用網頁設計工具，在一臺筆記本電腦上設計了相應的氣象要素信息網頁，此臺筆記本電腦作為局域網服務器，網頁地址為：“192.168.16.172:8090/w/q.html”。手機用戶，無論是安卓平臺還是蘋果平臺，只需要利用UC瀏覽器輸入相應網址或掃描地址對應的二維碼就可以訪問[10]，前提要接入串口轉Wi-Fi模塊提供的無線網絡。實驗實現了大氣溫度、大氣濕度、地面氣壓、地面風速、光照強度、空氣質量、是否下雨和粉塵的測量，并可以在網絡上，實現氣象信息遠程共享，測試結果是實時的。雖然實驗平臺沒有提供風向標，沒有完成風向的測量，但實驗完成了南京信息工程大學中國氣象局綜合觀測培訓實習基地(南京)的其他業務觀測內容，并增加了光照強度、空氣質量、下雨、粉塵等氣象信息觀測。由于選用的數字傳感器，精度比觀測站更高，但選用的傳感器量程有些不如觀測場的傳感器大。

4教學實驗的創新

由于本實驗項目涉及氣象知識和電子類專業基礎知識，實驗的代碼全部開源，整個工程采用了模塊化編程。可以根據學生的能力逐個理解傳感器的應用，然后完整加入到系統。當氣象要素超過程序設定值，蜂鳴器會發出聲音，提示關注現象，獨立按鍵可以對實時時間進行調校。在實驗中，學生需要使用開發環境軟件Keil，通過C語言編程修改工程中的主函數和子函數文件，也可以根據硬件引腳配置來修改資源設定頭文件，工程需要重新編譯、鏈接生成可以下載到硬件的二進制代碼。學生也可以利用JLINK對工程進行調試，跟蹤程序中的關鍵變量，檢查程序設計的邏輯是否正確。整個實驗基于THETDA-4型電子綜合應用技術實驗/開發平臺，學生實驗前需要選擇對應的模塊，按照設計的布局固定在實驗面板上，通過接插引用進行模塊之間的連接，包括電源的連接和信號的連接。學生在實驗中需要嚴謹細致，根據繪制的原理圖和具體模塊的接口，用不同顏色的導線將各模塊連接起來。學生在整個實驗項目中，能夠掌握硬件的原理、連接，嵌入式程序的設計、調試等。實驗創新性設計表現在以下幾方面。(1)實時時間的調校，采用了系統初始化時的后備電池檢測策略，當后備電池掉電后需要重新配置時間，否則系統不再調校時間。如果發現實時時間錯誤，取下電池裝上開機重新配置時間，減少了按鍵中斷查詢和程序掃描的軟件開銷，提高了系統的響應速度。(2)在Wi-Fi模塊的配置上，采用了全自動的串口配置，無須手動復位模塊。(3)TFT屏采用了靜態存儲技術，即FSMC技術，提高了屏幕刷新速度。(4)網頁提供了二維碼接入訪問方式。

5結語

由于本實驗涉及32位STM32F103單片機平臺、涉及A/D轉換編程、單總線和IIC同步串行通訊編程、串行異步Wi-Fi模塊的編程、TFT屏的時序編程、獨立按鍵的中斷響應等相關電子技術，學生通過本實驗項目基本能完成基于STM32F103VET6單片機平臺的傳感器信號輸入和輸出顯示，涉及定時/計數器的應用，掌握一種基本的多傳感器的信息傳輸和遠程共享的物聯網解決方案。

參考文獻

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作者：劉恒1;孟瑞麗2;徐佳棋1;邰凡彬1;孫冬嬌1 單位：1.南京信息工程大學電子與信息工程學院，2.南京信息工程大學教務處