编辑: 静看花开花落 | 2019-07-04 |
传统的气象观测站体积往往 较大,安装不便捷,研究和设计出一款高度集成的多 要素采集系统共同构建的新型便携式环境气象观测一 体站符合发展需求.便携式环境气象观测一体站利用 小体积、多参数的优势,进行高密度布局,能够完善 "互联网+气象"发展规划的底层基础建设工作. 本研究设计和研制的便携式环境气象观测一体 站体积小,建筑面积只有2 m2 左右,只需支立起便携 式三脚架的面积即可.而且,该一体站成本低,针对 性强,主要针对多参数环境探测,可测量温度、湿度、气压、风向、风速、雨量、PM2.
5、PM
10、VOC、 CO
2、噪声及某一种气体(SO
2、NO
2、NO、O
3、 CO、H2S中的一种),共计12种要素.
1 系统整体设计 本设备系统在硬件电路方面大致分为两部分, 包括主控部分电路板和数据采集部分电路板.主控电 路板以STM32F103系列单片机为主控核心,外围配 接充放电控制模块、FLASH存储模块、RTC实时时钟 模块、RS232通信模块和电源模块.数据采集部分包 括CO2采集模块、VOC模块、气体检测模块、PM2.5模块、气压模块、温湿度模块、风向风速监测模块和雨 量模块.除了上述采集模块之外,系统不再具有增加 外部其他模块的扩展能力.主控系统通过与各个模块 进行协议上的通信和对采集到的数据进行实时处理来 实现数据的采集.系统的供电方式可以使用太阳能电 池板或12 V适配器,除此之外,本系统还配备大容量 2万mAh的锂电池在无外部供电设备连接时对整个系 统进行供电.系统的整体框架如图1所示.
2 设备电路技术特点 自动气象站设备是一种能进行自动气象数据采 集、存储和发送,并能根据需要将实时观测数据转换 成气象报文和编制成气象报表的地面气象观测设备. 本文所述的便携式环境气象观测一体站和自动气象站 相比,具有集成度高、占地面积小、环境搭建较为容 易等优点.核心主控芯片为32位单片机,运行时钟周 期可达72 MHz,外部配有32 M大容量FLASH,存储 分钟数据可达6个月.设备可通过外部RS232接口连接 DTU设备,从而实现无线的方式和后端服务器进行数 据交互.系统还可以通过外部的RS232接口通过有线 的方式与电脑端上位机直连进行通信,上位机界面如 图2所示. 本项目主要是针对室外的多种气象要素长期观 测的需求而建立,并根据市场需求对传感器进行选 型与集成.根据前期市场调研,系统具有11个必选 便携式环境气象观测一体站以传统气象站为开发基础,以民用环境气象观 测设备为设计标准,完成了对温度、湿度、气压、风向、风速、雨量、PM2.
5、 PM
10、VOC、CO
2、噪声及某一种气体(SO
2、NO
2、NO、O
3、CO、H2S中的一 种)等12种固定的环境要素的检测.便携式环境气象观测一体站主要注重于设备 的小型化、内部高度集成化和系统长时间工作的稳定性,具有较强的在野外环境 下的工作能力. 侯竞波 郭晋川 高元朋 图1 便携式环境气象观测一体站系统框图
148 气象要素和6个可选气象要素(6选1),其中必选 要素包括温度、湿度、气压、风向、风速、雨量、 PM2.
5、PM
10、VOC、CO2和噪声,可选要素(6选1) 包括硫化氢(H2S)、一氧化碳(CO)、一氧化氮 (NO)、二氧化氮(NO2)、二氧化硫(SO2)、臭氧(O3),共计可采集12种要素.不同要素使用的传 感器特点如下: 1)温、湿度传感器采用SHT21传感器,具有精度高、封装小的优点,温度精确度可达±0.3 ℃,湿度精确度可达±3.0%,温度的采集范围 为-40~125 ℃,湿度的采集范围为0~100%. 2)气压传感器采用BMP180传感器,气压精确度 可达±0.12 hPa,采集范围为300~1100 hPa. 3)PM2.5传感器采用PMS5003传感器,PM2.5和PM10 的采集精度和采集浓度相关,在浓度为100~500 μg/m3 时,采集精确度为±10%,在浓度为0~100 μg/m3 时, 采集精度为±10 μg /m3 . 4)CO2模块采用红外CO2模块,测量范围为 400~2000 ppm(1 ppm=10-6 ),其测量精度为 ±40 ppm. 5)VOC模块采用KQM2800模块,采集范围为 0.1~30 ppm,测量准确度为±0.5 ppm. 6)雨量传感器采用翻斗式雨量桶,采集板将雨 量筒输出的开关信号做与非运算,计算出降雨量,该 雨量计测量精度为0.1 mm. 7)风速传感器为公司自主研发,主要元器件为光 电码盘,其测量范围0~60 m/s,其准确度为±0.3 m/s (≤10m/s时)、0.26±0.04*V m/s(>10 m/s时,V为 实测风速). 8)风向传感器为公司自主研发,主要元器件为 磁铁和磁编码器IC,其测量范围为0~360° ,其准确 度为±1° . 气体传感器模块选用三电极电化学传感器,电化 学传感器内部含有化学药品,通过气体与内部化学药 品进行的氧化还原反应,将产生一个微弱的电流,而 气体浓度越高,就会使氧化还原反应越剧烈,最后再 通过算法,对采集到的数据进行处理,即可得出相应 的气体浓度.由于三电极电化学传感器接口统一,但 每种电化学传感器系数不同,本设备可接表1中6种气 体中的其中一种,电化学传感器参数见表1. 系统外部还可配接太阳能充电板或电源适配器对 图2 便携式环境气象观测一体站接收数据上位机界面 表1 电化学传感器参数 气体种类 测量范围/ppm 灵敏度/ppb* 响应时间 /s 工作温度 /℃ 工作湿度/% 工作气压/kPa 运行寿命/mth 硫化氢(H2S) 0~100