STM32微型分布式氣象站設(shè)計(含上位機和下位機源碼+原理圖)

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2018-12-10 20:53 上傳

氣象信息，在當代社會人們的生活與工作中起著相當重要的作用。實時、準確、便捷的氣象服務(wù)便于人們更好的進行時間安排。然而，現(xiàn)在普遍的氣象服務(wù)（比如電視天氣預(yù)報節(jié)目）實時性差、預(yù)報的地區(qū)范圍過大。不能很好的服務(wù)廣大用戶。當然，現(xiàn)有一個便攜式的個人氣象服務(wù)器，但是其價格昂貴且不便于攜帶。

所以，我們萌發(fā)設(shè)計一個成本低、實時性好的微型氣象服務(wù)站。此服務(wù)站，由多個氣象采集終端組成氣象采集的小型網(wǎng)絡(luò)再通過無線匯總到上位機上上位機通過發(fā)微博的方式進行數(shù)據(jù)共享。本設(shè)計的創(chuàng)新點在于，是對短時間的氣象預(yù)報既能夠較為準確的預(yù)報 半個小時后到一兩個小時間的降雨信息。填補了普通氣象預(yù)報時間跨度大的問題。(舉個例子，普通氣象預(yù)報預(yù)報明天陰轉(zhuǎn)小雨 但是不能夠準確的預(yù)報是那個時段下雨，本設(shè)計可以提前一到半個小時預(yù)報降雨情況實時性極好) 本設(shè)計還添加了對空氣質(zhì)量的監(jiān)測，即對空氣中微小灰塵的監(jiān)測（所選的灰塵傳感器可對0.8微米以上的微小粒子進行檢測，故其中包含了人們關(guān)心的PM2.5 與PM10）。

詳細說明系統(tǒng)設(shè)計的整體思路，用模塊的形式指出系統(tǒng)設(shè)計的各個關(guān)鍵點，并指出其中使用的關(guān)鍵算法

（1）系統(tǒng)的總體設(shè)計

本設(shè)計主要分為三個部分，采集節(jié)點、集中器與上位機。三部分協(xié)調(diào)工作共同完成整個任務(wù)。采集節(jié)點，是本系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，它以STM32F4Discovery為控制核心，通過溫濕度傳感器DHT11、氣壓傳感器BMP085以及灰塵傳感器GP2Y1010對相關(guān)信息進行采集。然后，通過氣象預(yù)報算法對降雨情況進行大概的預(yù)報。最后，對相關(guān)信息打包發(fā)送出去。集中器，主要進行數(shù)據(jù)的穿法。上位機，承擔著人機交互工作并將數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫定時發(fā)微博。

• 各個模塊詳細功能介紹
  

• 采集節(jié)點
  

采集節(jié)點，通對各個傳感器的數(shù)據(jù)讀取得到相關(guān)的氣象與環(huán)境信息。當采集到一手的氣象信息后，會對數(shù)據(jù)進行處理并根據(jù)氣壓值采用合適的算法進行降雨可能性的預(yù)報。采集點會定時的向集中器發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送的數(shù)據(jù)打包成一個自己定義的數(shù)據(jù)幀格式。

• 集中器
  

集中器，負責(zé)將各個采集節(jié)點采集上來的數(shù)據(jù)集中起來，并定時的通過串口發(fā)送到上位機。集中器內(nèi)部開辟了兩個字節(jié)的存儲空間用來存儲上位機發(fā)送過來的命令，如何在更具命令來做出相應(yīng)的反應(yīng)。

• 上位機
  

上位機，會對上傳上來的數(shù)據(jù)進行存儲并且會定時的發(fā)送微博實現(xiàn)資源的共享。使用上位機時必須合理的完成配置，特別是串口以及微博授權(quán)的配置。對于微博的發(fā)送可以在上位機上選擇定時發(fā)送（一般如此選擇），為了避免造成刷屏的尷尬我沒設(shè)置了手動發(fā)送微博的選項。上位機，除去以上功能外還有變化趨勢分析以及歷史數(shù)據(jù)查詢的功能。

(1)硬件系統(tǒng)框架圖

1)整體硬件框圖

采集節(jié)點的硬件系統(tǒng)，主要由控制中心、溫度采集模塊、氣壓采集模塊、空氣質(zhì)量模塊與無線通信模塊組成。在PC端有一個無線數(shù)據(jù)接收設(shè)備即集中器，集中器是由STM32F107+nRF24L01架構(gòu)實現(xiàn)。整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1

2）采集終端硬件

本模塊是以stm32f4discovery為控制核心，傳感器方面使用溫濕度傳感器DNT22對溫度以及濕度進行測量，使用BMP085氣壓傳感器對氣壓進行測量，使用夏普灰塵傳感器GP2Y1010AU0F對空氣質(zhì)量 進行檢測。并通過LCD12864進行顯示。

圖2

3）通信部分硬件框圖

通信部分，使用nRF24L01進行多點的無線通信。

圖3

• 關(guān)鍵部分原理圖
  

• GP2Y1010AU0F硬件原理圖
  

GP2Y1010的LED控制端要求十分的嚴格必須按照原理圖給出的來做。

圖4

• BMP085硬件原理圖
  

BMP085管腳較多，但本次設(shè)計僅使用I2C通信即可。當然，去耦電容也是必須的！

圖5

• 采集節(jié)點的軟件設(shè)計介紹
  

采集節(jié)點，是本次設(shè)計最為關(guān)鍵的部分。其主要完成了對各個傳感器的信息的采集、數(shù)據(jù)處理和信息的定時發(fā)送。采集節(jié)點上電后，首先對各個傳感器及板上資源初始化。然后，會循環(huán)讀取各個傳感器的測量值。最后，判斷定時時間是否滿足條件。如定時時間到，通過無線發(fā)送數(shù)據(jù)。

1）采集節(jié)點主流程介紹

主函數(shù)流程圖如下：

圖6

初始化函數(shù)流程圖：

圖7

氣象預(yù)報算法介紹

本設(shè)計是根據(jù)氣壓值對降雨情況預(yù)報的。首先，在晴天情況下測量安裝點的氣壓信息。根據(jù)氣象學(xué)知識我們知道，晴天的情況下氣壓最高。陰天以及降雨的情況下氣壓會明顯的降低，且如果在半小時內(nèi)氣壓發(fā)生明顯時降雨可能性會明顯變大。于是，我們就可以根據(jù)氣壓值得大小即可預(yù)報降雨的可能性。

• 采集節(jié)點關(guān)鍵外設(shè)驅(qū)動函數(shù)介紹
  

nRF24L01驅(qū)動函數(shù)介紹：

nRF24L01驅(qū)動主要是將數(shù)據(jù)通過SPI寫入發(fā)送寄存器，并根據(jù)狀態(tài)寄存器來判斷是否發(fā)送成功！流程圖如下。

圖8

BMP085驅(qū)動函數(shù)介紹：

BMP085可以同時采集溫度和氣壓值，對于溫度的采集僅存在一種精度。但是，氣壓的精度卻存在低、中、高三中精度。軟件中的延時要求也是非常嚴格的。流程圖如下。

圖9

GP2Y1010驅(qū)動函數(shù)介紹：

GP2Y1010關(guān)鍵點就在于嚴格的時間延時！必須在280ns讀取才能得到正確的數(shù)據(jù)。

圖10

• 集中器軟件介紹
  

集中器主要將通過無限接收來的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到PC端！在軟件中設(shè)計了1個數(shù)組2個字節(jié)用來接收上位機發(fā)送的命令進而控制集中器的運行。流程圖如下。

圖11

• 上位機軟件簡單介紹
  

上位機主要對發(fā)送上來的數(shù)據(jù)實時的顯示、定時的發(fā)送微博與儲存到數(shù)據(jù)庫。當然，還包括一些附屬功能比如數(shù)據(jù)的查詢以及變化趨勢的分析。

上位機軟件，編寫的難點在于微博的發(fā)送與串口數(shù)據(jù)的讀取處理。微博的發(fā)送要經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)速的好壞對于軟件的影響較大。為力避免網(wǎng)速差而造成的界面卡頓現(xiàn)象我們采用了多線程技術(shù)。

C#的串口操作軟件數(shù)據(jù)讀取不及時會造成嚴重的丟包現(xiàn)象。為了解決這個問題，在串口觸發(fā)函數(shù)內(nèi)僅對數(shù)據(jù)進行讀取不對數(shù)據(jù)進行任何處理。另外，開辟一個線程專門對數(shù)據(jù)進行處理。

我們的主要創(chuàng)新點主要有3處：

• 對短時間的氣象預(yù)報能夠較為準確的預(yù)報一個小時左右的降雨信息，彌補了現(xiàn)有天氣預(yù)報時間跨度長的問題！
• 添加了對空氣質(zhì)量的監(jiān)測，包含了人們關(guān)心的PM2.5和PM10灰塵檢測！
• 位機接收數(shù)據(jù)后將數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫并在PC上顯示，再將數(shù)據(jù)選擇性的發(fā)微博！
  

系統(tǒng)主要通關(guān)較長時間的運行測試，系統(tǒng)對于溫濕度、氣壓以及灰塵濃度的測量比較精準。但是由于對空氣質(zhì)量的測量只采用的灰塵污染物濃度，而沒有采集其他污染物的量造成 空氣質(zhì)量AQI的計算不是很精準。對于降雨可能性的預(yù)報，由于數(shù)學(xué)模型建立的較為簡單過預(yù)報的不是十分的精準。存在誤報顯現(xiàn)，但是降雨的情況全能預(yù)報出來。故預(yù)報結(jié)果還能接受。

本次設(shè)計，基本滿足各方面的要求。預(yù)報功能得以實現(xiàn)，但是未來還有很大的完善空間。未來，我們考慮添加位置信息，通對往年相同位置的氣象情況進行對比完善我們的預(yù)報精度。

上位機

采集點

集中器

1.外部晶振（HSE）為8M。
2.在system_stm32f4xx.c中的SystemInit()函數(shù)開始添加了FPU控制項。
3.預(yù)定義USE_STDPERIPH_DRIVER,STM32F4XX   （不適用FPU）
    USE_STDPERIPH_DRIVER,STM32F4XX,__FPU_PRESENT=1,__FPU_USED =1   （使用FPU）
4.只添加了標準外設(shè)庫，DSP（CMSIS內(nèi)）、USB以及ETH庫均為添加。

單片機源程序如下:

1.基于STM32的氣象站預(yù)報系統(tǒng)設(shè)計（硬件、源碼、上位機）.rar (1.91 MB, 下載次數(shù): 113)