马国强 唐聆珂 张紫钲 马嘉旭 宋 辰
（北方民族大学电气信息工程学院，宁夏 银川 750021）
【摘 要】介绍一个小型多功能气象监测系统，该气象监测系统通过各类风速、风向、温度、湿度、光照强度传感器、大气压强传感器和粉尘传感器将检测到的数据自动进行汇总分析，并通过无线设备传输到终端平台。该系统采用无线传输，这样在测量气象环境时就不用线缆便可以检测到数据以达到方便快捷的测量。
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关键词 STC15W204S/IAP15F2K61S2单片机；JL-FSX2风速风向传感器；NRF24L01；光照强度传感器；小气候
0 引言
现在社会高度发达，气象状况变化万千，气象监测和灾害预警工程对保障社会经济发展和人民生产生活有重要意义，气候状况对经济的影响也越来越显著，人们需要实时了解当前的气象状况。
气象观测是指借助仪器和目力对气象要素和气象现象进行的测量和判定。由于各行业都对气象数据有一定的需求，因此也让气象监测显得特别有意义，及时的气象数据能够为农业、林业、工业、交通、军事、医疗卫生和环境保护等部门进行规划、设计和研究时提供依据。并且现在社会高度发达，气象状况变化万千，气象监测和灾害预警工程对于保障社会经济发展和人民生产生活有重要意义，气候状况对经济活动的影响也越来越显著，人们需要实时了解当前的气象状况。风速、风向、温度、湿度、大气压强、海拔高度、光照强度以及粉尘浓度的测量是气象监测的一项重要内容。
1 硬件设计
1.1 系统总体设计
小型多功能气象监测系统其工作原理如图1.1所示，它以AT89C51单片机为核心，通过风速、风向、温度、湿度、光照强度传感器、大气压强传感器和粉尘传感器将检测到的数据进行汇总分析，并通过无线设备传输到终端平台并且在终端平台统计分析，以便于气象分析人员分析气象数据得出当前的气象特征，进而对气象可能影响到的事物做出规划，起到预防作用，减少不必要的损失。
1.2 风速风向仪
风向、风速仪用于测量瞬时风速风向，具有自动显示功能。主要由支杆，风标，风杯，风速风向感应器组成，风标的指向即为来风方向，根据风杯的转速来计算出风速。内置或外接各种进口原装传感器，采用微功耗单片机对外部数据进行采样，并将采集的数据保存在系统不易失存储器内。风向风速仪由微处理器和高动态特性的测风传感器组成。
风向、风速传感器为机械转动式传感器,感应距地面11m 处的空气流动,对空气流动速度及方向进行检测及光电转换,并进行数字量化、时间平均、存储等处理,再通过系统的通信设备及路由传输至室内气象观测工作站。室内数据处理工作站(DPU) 计算并做出一个2分钟平均风速风向报告,依据传感器5秒的风速风向数据,产生阵风和不定风向的报告。
1.3 温湿度模块
温湿度测量是采用AM2301数字温湿度传感器，这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。传感器包括一个电容式感湿元件和一个NTC测温元件(AM2303采用DS18B20测温度)，并与一个高性能8位单片机相连接。每个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，信号传输无需线缆，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选择。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。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比高等优点。
1.4 无线收发模块
其采用2.4Ghz 全球开放ISM 频段免许可证使用，最高工作速率2Mbps，高效GFSK调制，抗干扰能力强，特别适合工业控制场合。125 频道，满足多点通信和跳频通信需要，内置硬件CRC 检错和点对多点通信地址控制。低功耗1.9～3.6V 工作，Power down 模式下状态仅为1uA。内置2.4Ghz 天线，体积小巧约24*24mm，模块可软件设地址，只有收到本机地址时才会输出数据（提供中断指示)，软件编程非常方便。内置专门稳压电路，使用各种电源包括DC/DC 开关电源均有很好的通信效果，标准DIP间距接口，便于嵌入式应用。
1.5 光照强度模块GY-30
本模块采用IIC 总线接口（f/s模式支持），光谱的范围和人眼相近其内部有照度数字转换器可将光照强度直接转换成数据输出。有宽范围和高分解的特点（1 - 65535 勒克斯），具有低电流关机功能，工作频率为50Hz/60Hz ，1.8V逻辑输入接口，无需任何外部零件，光源的依赖性不大，是有可能的选择2 类型的IIC slave-address，可调的光学窗口测量结果的影响（它可以探测分钟.使用本功能0.11 勒克斯， 最大.100000勒克斯），小测变异(+/- 20%)，红外线的影响很小。
2 软件设计
单片机软件设计程序主要包括里程设计模块；输出实时风力风向、温度湿度、大气压强和海拔高度、光照强度及粉尘浓度的含量模块；储存历史数据模块；计算一分钟平均风速、瞬时风级、一分钟平均风级、平均风速及对应的浪高模块；计算海拔高度模块；数据显示模块等。
3 结束语
整个设计以可靠性为目标。实现对风向、风速、一分钟平均风速、瞬时风级、一分钟平均风级、平均风速及对应的浪高，湿度、温度，大气压强和海拔高度，光照强度及粉尘浓度的测量。本仪器体积小，重量轻，功能全，可广泛用于气象、能源、农林、环保、海洋、科学考察及军工等领域测量气象的参数。对于硬件电路主要考虑的是元器件对环境温度的适应能力,设计时选用工业级的器件。对于耐压方面进行了降额设计 ,对于使用5V DC的环境 ,一般选用 10V 以上的耐压。对于电阻的选取 ,除了满足电阻阻值要求 ,还在功率的选取上预留了余量。在集成电路的选取上 ,采取优先使用成熟的、 以知名厂家芯片为主的原则。使器件的可靠性能得到最大的保证。由于仪器是在野外环境使用,因此整个系统安装了防雷器件。其显著的特点是功耗小、可靠性好,非常适合于野外工作。
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参考文献
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［责任编辑：曹明明］