STM32微型分布式氣象站設(shè)計(jì)(含上位機(jī)和下位機(jī)源碼+原理圖)

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2018-12-10 20:53 上傳

氣象信息，在當(dāng)代社會(huì)人們的生活與工作中起著相當(dāng)重要的作用。實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、便捷的氣象服務(wù)便于人們更好的進(jìn)行時(shí)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(bào)節(jié)目）實(shí)時(shí)性差、預(yù)報(bào)的地區(qū)范圍過(guò)大。不能很好的服務(wù)廣大用戶(hù)。當(dāng)然，現(xiàn)有一個(gè)便攜式的個(gè)人氣象服務(wù)器，但是其價(jià)格昂貴且不便于攜帶。

所以，我們萌發(fā)設(shè)計(jì)一個(gè)成本低、實(shí)時(shí)性好的微型氣象服務(wù)站。此服務(wù)站，由多個(gè)氣象采集終端組成氣象采集的小型網(wǎng)絡(luò)再通過(guò)無(wú)線匯總到上位機(jī)上上位機(jī)通過(guò)發(fā)微博的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)共享。本設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)在于，是對(duì)短時(shí)間的氣象預(yù)報(bào)既能夠較為準(zhǔn)確的預(yù)報(bào) 半個(gè)小時(shí)后到一兩個(gè)小時(shí)間的降雨信息。填補(bǔ)了普通氣象預(yù)報(bào)時(shí)間跨度大的問(wèn)題。(舉個(gè)例子，普通氣象預(yù)報(bào)預(yù)報(bào)明天陰轉(zhuǎn)小雨 但是不能夠準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)是那個(gè)時(shí)段下雨，本設(shè)計(jì)可以提前一到半個(gè)小時(shí)預(yù)報(bào)降雨情況實(shí)時(shí)性極好) 本設(shè)計(jì)還添加了對(duì)空氣質(zhì)量的監(jiān)測(cè)，即對(duì)空氣中微小灰塵的監(jiān)測(cè)（所選的灰塵傳感器可對(duì)0.8微米以上的微小粒子進(jìn)行檢測(cè)，故其中包含了人們關(guān)心的PM2.5 與PM10）。

詳細(xì)說(shuō)明系統(tǒng)設(shè)計(jì)的整體思路，用模塊的形式指出系統(tǒng)設(shè)計(jì)的各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，并指出其中使用的關(guān)鍵算法

（1）系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)主要分為三個(gè)部分，采集節(jié)點(diǎn)、集中器與上位機(jī)。三部分協(xié)調(diào)工作共同完成整個(gè)任務(wù)。采集節(jié)點(diǎn)，是本系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，它以STM32F4Discovery為控制核心，通過(guò)溫濕度傳感器DHT11、氣壓傳感器BMP085以及灰塵傳感器GP2Y1010對(duì)相關(guān)信息進(jìn)行采集。然后，通過(guò)氣象預(yù)報(bào)算法對(duì)降雨情況進(jìn)行大概的預(yù)報(bào)。最后，對(duì)相關(guān)信息打包發(fā)送出去。集中器，主要進(jìn)行數(shù)據(jù)的穿法。上位機(jī)，承擔(dān)著人機(jī)交互工作并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)定時(shí)發(fā)微博。

• 各個(gè)模塊詳細(xì)功能介紹
  

• 采集節(jié)點(diǎn)
  

采集節(jié)點(diǎn)，通對(duì)各個(gè)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(dāng)采集到一手的氣象信息后，會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并根據(jù)氣壓值采用合適的算法進(jìn)行降雨可能性的預(yù)報(bào)。采集點(diǎn)會(huì)定時(shí)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(gè)自己定義的數(shù)據(jù)幀格式。

• 集中器
  

集中器，負(fù)責(zé)將各個(gè)采集節(jié)點(diǎn)采集上來(lái)的數(shù)據(jù)集中起來(lái)，并定時(shí)的通過(guò)串口發(fā)送到上位機(jī)。集中器內(nèi)部開(kāi)辟了兩個(gè)字節(jié)的存儲(chǔ)空間用來(lái)存儲(chǔ)上位機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的命令，如何在更具命令來(lái)做出相應(yīng)的反應(yīng)。

• 上位機(jī)
  

上位機(jī)，會(huì)對(duì)上傳上來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)并且會(huì)定時(shí)的發(fā)送微博實(shí)現(xiàn)資源的共享。使用上位機(jī)時(shí)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(duì)于微博的發(fā)送可以在上位機(jī)上選擇定時(shí)發(fā)送（一般如此選擇），為了避免造成刷屏的尷尬我沒(méi)設(shè)置了手動(dòng)發(fā)送微博的選項(xiàng)。上位機(jī)，除去以上功能外還有變化趨勢(shì)分析以及歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)的功能。

(1)硬件系統(tǒng)框架圖

1)整體硬件框圖

采集節(jié)點(diǎn)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(wú)線通信模塊組成。在PC端有一個(gè)無(wú)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(shí)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(duì)溫度以及濕度進(jìn)行測(cè)量，使用BMP085氣壓傳感器對(duì)氣壓進(jìn)行測(cè)量，使用夏普灰塵傳感器GP2Y1010AU0F對(duì)空氣質(zhì)量 進(jìn)行檢測(cè)。并通過(guò)LCD12864進(jìn)行顯示。

圖2

3）通信部分硬件框圖

通信部分，使用nRF24L01進(jìn)行多點(diǎn)的無(wú)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(yán)格必須按照原理圖給出的來(lái)做。

圖4

• BMP085硬件原理圖
  

BMP085管腳較多，但本次設(shè)計(jì)僅使用I2C通信即可。當(dāng)然，去耦電容也是必須的！

圖5

• 采集節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)介紹
  

采集節(jié)點(diǎn)，是本次設(shè)計(jì)最為關(guān)鍵的部分。其主要完成了對(duì)各個(gè)傳感器的信息的采集、數(shù)據(jù)處理和信息的定時(shí)發(fā)送。采集節(jié)點(diǎn)上電后，首先對(duì)各個(gè)傳感器及板上資源初始化。然后，會(huì)循環(huán)讀取各個(gè)傳感器的測(cè)量值。最后，判斷定時(shí)時(shí)間是否滿足條件。如定時(shí)時(shí)間到，通過(guò)無(wú)線發(fā)送數(shù)據(jù)。

1）采集節(jié)點(diǎn)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(bào)算法介紹

本設(shè)計(jì)是根據(jù)氣壓值對(duì)降雨情況預(yù)報(bào)的。首先，在晴天情況下測(cè)量安裝點(diǎn)的氣壓信息。根據(jù)氣象學(xué)知識(shí)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(huì)明顯的降低，且如果在半小時(shí)內(nèi)氣壓發(fā)生明顯時(shí)降雨可能性會(huì)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(bào)降雨的可能性。

• 采集節(jié)點(diǎn)關(guān)鍵外設(shè)驅(qū)動(dòng)函數(shù)介紹
  

nRF24L01驅(qū)動(dòng)函數(shù)介紹：

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

圖8

BMP085驅(qū)動(dòng)函數(shù)介紹：

BMP085可以同時(shí)采集溫度和氣壓值，對(duì)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(shí)要求也是非常嚴(yán)格的。流程圖如下。

圖9

GP2Y1010驅(qū)動(dòng)函數(shù)介紹：

GP2Y1010關(guān)鍵點(diǎn)就在于嚴(yán)格的時(shí)間延時(shí)！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(guò)無(wú)限接收來(lái)的數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送到PC端！在軟件中設(shè)計(jì)了1個(gè)數(shù)組2個(gè)字節(jié)用來(lái)接收上位機(jī)發(fā)送的命令進(jìn)而控制集中器的運(yùn)行。流程圖如下。

圖11

• 上位機(jī)軟件簡(jiǎn)單介紹
  

上位機(jī)主要對(duì)發(fā)送上來(lái)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)的顯示、定時(shí)的發(fā)送微博與儲(chǔ)存到數(shù)據(jù)庫(kù)。當(dāng)然，還包括一些附屬功能比如數(shù)據(jù)的查詢(xún)以及變化趨勢(shì)的分析。

上位機(jī)軟件，編寫(xiě)的難點(diǎn)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(guò)網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)速的好壞對(duì)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(shí)會(huì)造成嚴(yán)重的丟包現(xiàn)象。為了解決這個(gè)問(wèn)題，在串口觸發(fā)函數(shù)內(nèi)僅對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取不對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行任何處理。另外，開(kāi)辟一個(gè)線程專(zhuān)門(mén)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

我們的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)主要有3處：

• 對(duì)短時(shí)間的氣象預(yù)報(bào)能夠較為準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)一個(gè)小時(shí)左右的降雨信息，彌補(bǔ)了現(xiàn)有天氣預(yù)報(bào)時(shí)間跨度長(zhǎng)的問(wèn)題！
• 添加了對(duì)空氣質(zhì)量的監(jiān)測(cè)，包含了人們關(guān)心的PM2.5和PM10灰塵檢測(cè)！
• 位機(jī)接收數(shù)據(jù)后將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)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(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行測(cè)試，系統(tǒng)對(duì)于溫濕度、氣壓以及灰塵濃度的測(cè)量比較精準(zhǔn)。但是由于對(duì)空氣質(zhì)量的測(cè)量只采用的灰塵污染物濃度，而沒(méi)有采集其他污染物的量造成 空氣質(zhì)量AQI的計(jì)算不是很精準(zhǔn)。對(duì)于降雨可能性的預(yù)報(bào)，由于數(shù)學(xué)模型建立的較為簡(jiǎn)單過(guò)預(yù)報(bào)的不是十分的精準(zhǔn)。存在誤報(bào)顯現(xiàn)，但是降雨的情況全能預(yù)報(bào)出來(lái)。故預(yù)報(bào)結(jié)果還能接受。

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

上位機(jī)

采集點(diǎn)

集中器

1.外部晶振（HSE）為8M。
2.在system_stm32f4xx.c中的SystemInit()函數(shù)開(kāi)始添加了FPU控制項(xiàng)。
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(biāo)準(zhǔn)外設(shè)庫(kù)，DSP（CMSIS內(nèi)）、USB以及ETH庫(kù)均為添加。

單片機(jī)源程序如下:

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