智能小区气象站的设计.docx
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智能小区气象站的设计
智能小区气象站的设计
摘要
针对于局部区域天气变化无常，而电视网络的天气预报不能实时告知人们身边的天气状况的缺陷，设计了一种采用太阳能和蓄电池互补供电系统、实时传送气象数据的智能小区气象站。
智能小区气象站是一种小型自动气象站，能够可靠、准确地测量周围的风速、风向、温度、湿度、雨量和PM2.5，实时收集天气状况，然后通过显示控制台接受传感器发射过来的信号，并显示出来，同时也可以比较室内外天气状况给人出行提醒。
关键词：
自动气象站；传感器；PM2.5；太阳能；
Fortheweatherisgreatchangeableinthelocalarea,andtheweatherforecastoftelevisionornetworkcouldn’tinformpeoplearoundtheweatherconditionsinreal-time,wedesignedacomplementaryuseofsolarandbattery-poweredsystems,real-timetransmissionofmeteorologicaldataintelligencecommunityweatherstation.TheIntelligentcommunity’sweatherstationsisasmallautomaticweatherstations,andcanbereliablyandaccuratelymeasurearoundthewindspeed,winddirection,temperature,humidity,rainfallandPM2.5,collectreal-timeweatherconditions,andthencometoacceptthesignalemittedbythesensordisplayconsoleanddisplayed,butcanalsocomparetheindoorandoutdoorweatherconditionsgivetravelalertsforus.
Keyword:
automaticweatherstations;transducer;PM2.5;thesolarenergy;
目录
摘要I
II
1绪论1
1.1研究背景及意义1
1.2国内外研究现状和发展趋势1
1.3论文主要研究内容1
2系统的硬件设计3
2.1主控MCU的选择3
2.2传感器接口的电路设计3
2.3气象参数测试电路4
2.3.1雨量传感器接口4
2.3.2风向、风速传感器接口5
2.3.3温湿度接口5
2.3.4PM2.5模块接口5
2.4GPRS数据传输电路6
3系统的软件设计7
3.1气象参数采集7
3.2数据传输7
4结束语8
参考文献9
1绪论
1.1研究背景及意义
天气变化与人类的工作、生活息息相关，影响巨大，对气象的观测可以及时了解天气变化情况，为人类生产、生活提供指引。
智能小区气象站是一个小型的自动气象站，它可以准确实时地监测小区周围的天气状况，并把这些信息及时的传达给小区的住民。
美国加利福尼亚州海沃德市的戴维斯仪器仪表公司研制出了个人气象站。
个人气象站可以很好地服务于那些拥有别墅式住宅的人们，但对于中国的大城市，住宅小区都是一栋栋高楼。
很多人们对这种个人气象站的需求就不是很大。
这不意味着人们不需要这种服务。
如果小区能安装一个智能小区气象助手，为人们提供小区的天气状况，会使人们的生活更加舒适。
而且与国内研制的手持气象站相比可以用更少的费用服务更多的人。
智能小区气象助手作为监测环境的工具还可以应用到其它地方，比如一些比赛场地，工作人员要对场地内的温度、风速、湿度、气压都要有精确及时的了解。
一些酿酒商利用这些准确的气象信息决定何时对真菌和其他有害生物实施喷洒杀灭作业，种蔬菜大棚的农民也需要这种气象助手。
1.2国内外研究现状和发展趋势
加强防灾减灾体系建设，加快建立环境和地质监测预警体系，是国家在“十二五规划”中的一项重要内容[1]。
这也要求我们对周围环境的实时监测。
自二十世纪八十年代以来，芬兰、美国、日本等许多国家的地面气象观测网中就已普遍采用了自动气象站。
1999年7月，我国引进芬兰VAISALA公司的5套自动气象站投入业务运行，这是我国首次将自动气象站作为正式观测使用，标志着我国地面气象观测进入了一个新的里程。
同时，我国也加快了自行研制生产自动气象站的步伐，第一批于2000年1月1日起正式投入业务运行。
目前，我国已普遍使用自动遥测气象站，实现了人工气象站与自动气象站的联合观测。
1.3论文主要研究内容
智能小区气象助手随时收集天气“情报”，采集环境中各种资源信息。
然后通过无线传输装置将传感器接收到的信息发送到控制台，将它们显示出来。
传感器模块主要有:
温室传感器、光照强度传感器、紫外线传感器、风速仪、风向标和PM2.5检测仪组成。
这些装置可以把收集而来的各类信息转换成为数字信号进而传输到单片机，通过液晶显示器显示。
传感器模块可以通过太阳能电池板来供电。
Xs128[2]单片机是主要的控制模块，接受传感器模块传出的数字信号，并控制液晶显示屏显示。
温湿传感器[3]可以检测周围环境的温度和湿度。
GY-30数字光模块可以检测室外的光照强度。
编码器可以用来测风速，风向可以用电位器检测。
UV紫外线传感器能够将紫外线信号转换成可测量的电信号。
2系统的硬件设计
智能气象站的系统硬件由MCU最小系统、元素气象参数传感器（雨量、风力、风向、温度和湿度）电路和PM2.5测量模块、时钟模块、外扩闪存（16K）模块、按键、GPRS数据传输模块、12864LCD液晶显示电路、太阳能与蓄电池互补供电系统组成。
系统结构框图如下：
图2智能气象站系统
2.1主控MCU的选择
考虑到对传感器接收的信息的处理，I/O接口的数量，以及采用蓄电池供电就考虑系统的功耗，选用xs128单片机或者CC2530可以满足基本的要求，Xs128单片机或CC2530是主要的控制模块，接受传感器模块传出的数字信号，并控制液晶显示屏显示。
2.2传感器接口的电路设计
气象元素传感器包括雨量传感器、温湿度传感器和风力风向传感器，其中：
雨量传感器和风力传感器的输出都是脉冲频率信号，温湿度传感器的输出都是模拟压量，风向传感器的输出是TTL信号。
加上时钟电路（采用SPI接口）、GPRS模块、液晶显示器（采用SPI接口），I/O端口显然不够，所以设计了I/O接口扩展电路如图所示。
其中，P1.3–P1.5作为芯片的片选，P1.0–P1.2作为芯片内地址线，结合软件的扫描，即可实现对8个独立式按键的扫描、风向的判断和模拟量的轮流测量。
需要注意的是，数字量的切换选用74HC151，为了使MCU对信号的识别更可靠，最好在74HC151的输出端加一个74HC74整形；而模拟量的切换，选用CD4051，并在CD4051的输出加电压跟随。
图2.2传感器接口电路图
2.3气象参数测试电路
由于气象站的工作环境恶劣，特别是在雷雨天气容易受强干扰信号影响，所以所有的气象元素传感器的信号都不能直接送人MCU进行采集，要加人隔离电路。
2.3.1雨量传感器接口
本设计采用HA2012雨量传感器。
其工作原理是:
承水口收集的雨水，经过漏斗注人计量翻斗一翻斗是用工程塑料注射成型的用中间隔板分成两个等容积的三角斗室。
它是一个机械双稳态结构，当一个斗室接水时，另一个斗室处于等待状态，当所接雨水容积达到预定值时（这个值就是分辨率），由于重力作用使自己翻倒，处于等待状态，另一个斗室处于接水工作状态。
当其接水量达到预定值时，又自己翻倒，处于等待状态。
在翻斗两侧壁上各装有一个磁钢，两侧磁钢翻落处各有一个舌簧管。
磁钢随翻斗翻动时从干式舌簧管旁扫描，使干式舌簧管通断。
翻斗每翻倒一次，两个干式舌簧管便都接通一次送出一个开关信号（脉冲信号），开关信号的极性相反。
图2.3.1传雨量传感器接口保护电路和整形电路
2.3.2风向、风速传感器接口
风速的测量选用HA2010风速传感器，其核心部件是霍尼韦尔传感器。
该传感器采用传统的三杯式结构，风杯选用碳纤维材料，机械强度高，启动性好。
工作电压DC5V-12V，最大功耗4W。
风速输出的脉冲信号频率在0-200Hz之间，C5电容可以吸收尖峰干扰风速传感器与MCU的连接如图。
风向的测量选用HA2011风向传感器，其核心部件是磁阻传感器。
该传感器采用传统的尾翼式低惯性风标结构。
连接线共9条，其中1条公共接线，使用时接Vcc，另外8条线对应着正北、东北、正东、东南、正南、西南、正西、西北。
图中的开关相当于磁阻开关。
图2.3.2风速、风向传感器接口保护电路和整形电路
2.3.3温湿度接口
设计使用了HA2005A温湿度传感器。
该传感器采用原装进口瑞士主芯片，工作电压DC5V~24V，经调理电路转化为0~2V模拟输出，响应速度小于1s。
这两个量直接接人MCU的A/D转换输人端转换。
为了防止太阳对仪器的直接辐射和地面对仪器的反射辐射，保护仪器免受强风、雨、雪等的影响，温湿度传感器完全包围在轻型百叶箱里面，仪器感应部分有适当的通风，能真实地感应外界空气温度和湿度的变化。
温湿度传感器的输出接入CD4051的X0和X1。
2.3.4PM2.5模块接口
PM2.5的标准，是由美国在1997年提出的，主要是为了更有效地监测随着工业化日益发达而出现的、在旧标准中被忽略的对人体有害的细小颗粒物。
PM2.5指数已经成为一个重要的测控空气污染程度的指数。
利用PPD42NS粉尘传感器基于与粒子计数器相同的光散乱原理，通过采用独特的检测方法，将相当于单位体积内粒子的绝对个数作为脉冲信号输出，可以用来测量空气中PM2.5。
2.4GPRS数据传输电路
GPRS（通用分组无线业务）是在现有的第二代移动通信GSM系统的基础上发展的一种基于分组交换传输数据的高效率方式，可无缝、直接的Internet无线IP连接。
GPRS能够在一个发送实体和另一个或多个发送实体之间提供数据传输，这些实体可以是连接到另一个GPRS网络或者一个外部数据的网络终端设备，这样的优点尤其适用于间歇性、非周期性数据的传输;少量数据的频繁传输;较大容量数据的不频繁传输。
因此以GPRS为基础的无线数据应用为气象站实现远距离的数据传输和实时监控提供了一种新的技术手段[4]。
设计中GPRS模块采用SIMCOM公司的GSM/GPRS模块SIM300。
这是一款支持数字、语音、短消息和传真，处于睡眠状态时电流仅为3mA的模块。
模块工作电压为单电源3.3V-4.6V，模块工作温度为-20。
C-+55。
C，适用于室外安装。
AT命令集大部分和SIM300模块兼容。
通过标准的RS-232串行接口，用户可以用MCU通过AT命令完成对模块的操作，达到远程数据传输的目的。
CC2530[5]的P0.2和P0.3为串行口线。
3系统的软件设计
3.1气象参数采集
雨量、风速的输出都是TTL标准的频率量，测量时分别经光耦接人CC2530的引脚P0.4和P0.6，由MCU进行计数即可;风向传感器的输出有8条，都是TTL信号，经光耦接入74HC151，再由74HC151的输出端接人CC2530的引脚P1.7，由CC2530编程对风向传感器的8条线进行扫描;温湿度传感器的输出都是0-2V的模拟量，接入CD4051，再由CD4051的输出端接人CC2530的引脚P0.0，由CC2530编程对温湿度传感器进行测量。
软件流程如图所示。
其中图（a）为雨量和风速软件流程，图（b）为温湿度等模拟量的软件流程。
图3.1软件结构流程图
3.2数据传输[6-7]
单片机通过GPRS模块附着到通信运营商提供的GPRS网络，登陆到Internet并与连接其上的任意一台已知IP地址的PC机建立数据链路并进行全双工数据通信。
这个过程的核心是GPRS模块作为移动终端连接GPRS网络，GPRS数据经SGSN（服务GPRS支持节点）发往GGSN（网关支持节点）,GGSN对分组数据进行处理，再发送到Internet，最后再发送到指定IP的PC机。
GPRS模块与GGSN的通信要符合PPP（点对点）协议，才可以接人Internet。
单片机要实现把采集的数据通过GPRS远程发送，从终端底层到上位机的协议有串口驱动层、GPRS模块驱动、PPP协议层、IP协议层、TCP协议层和应用层。
选用的MC391模块已经自带TCP/IP协议，使得数据传送的软件设计大为简化。
简化后的编程环节是:
单片机通过AT命令对GPRS模块进行连接、发送数据，应用层采用LabVIEW[8]编程通过IP地址登陆Interne接收数据。
单片机上网、连接到指定IP地址的远程计算机到与远程计算机的收发数据的过程实现，都可以先通过串行调试助手进行，每发一条AT命令，都会返回一个正确或错误的信息。
4结束语
本文设计开发了智能小区气象站系统能够实时周围环境的天气状况，并根据设定的控制模式和用户需求适当给出温馨的提示。
智能小区气象站可以让人们更加了解自己周围的情况，对人们穿衣、出行和身体健康都会有很大的帮助。
此系统采用太阳能和蓄电池互补供电系统具有节能、环保的特点。
这个小型气象站可以检测局部地区的环境状况，可以为环境监测和治理发挥很大作用。
系统还存在一些不足，如果能够将测量到的信息共享到互联网上，就可以为更多的人们服务。
但由于所学知识有限，不能够完成此设置。
参考文献
[1]中华人民共和国国家发展和改革委员会中华人民共和国国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要[EB/OL][S].[2012-1-16].
[2]张阳,吴晔,滕勤.MATLABXS单片机原理及嵌入式系统开发.北京:
电子工业出版社,2011.
[3]郑华耀.检测技术（第二版）.北京:
机械工业出版社,2010.
[4]Jeong-HyunPark.WirelessInternetAccessforMobileSubscribersBasedontheGPRS/UMTSNetwork[J].CommunicationMagazine，2002，40，39-46.
[5]CC2530datasheet[EB/OL].[2012-1-20].http:
//www.ti.com.cnlcnllitldslswrs081b/swrs081b.pdf,25.
[6]黄丽军.一种基于单片机的GPRS的无线数据传送系统[J].电脑编程技巧与维护.2008（10）,57-58.
[7]舒杰,吴昌宏,张先勇等.基于GPRS的风光互补发电无线远程监测系统[J].可再生能源.2010,28
（1）:
97-100.
[8]侯国屏,王坤,叶齐鑫等.LabVIEW7.1编程与虚拟仪器设计[M].北京:
清华大学出版社,2005:
407-408.
目录
第一章总论1
一、项目概况1
二、项目提出的理由与过程6
三、项目建设的必要性8
四、项目的可行性12
第二章市场预测15
一、市场分析15
二、市场预测16
三、产品市场竞争力分析19
第三章建设规模与产品方案22
一、建设规模22
二、产品方案22
三、质量标准22
第四章项目建设地点25
一、项目建设地点选择25
二、项目建设地条件25
第五章技术方案、设备方案和工程方案28
一、技术方案28
二、产品特点30
三、主要设备方案32
四、工程方案32
第六章原材料与原料供应35
一、原料来源及运输方式35
二、燃料供应与运输方式35
第七章总图布置、运输、总体布局与公用辅助工程37
一、总图布置37
二、运输38
三、总体布局38
四、公用辅助工程39
第八章节能、节水与安全措施44
一、主要依据及标准44
二、节能44
三、节水45
四、消防与安全45
第九章环境影响与评价47
一、法规依据47
二、项目建设对环境影响48
三、环境保护措施48
四、环境影响评价49
第十章项目组织管理与运行50
一、项目建设期管理50
二、项目运行期组织管理52
第十一章项目实施进度55
第十二章投资估算和资金筹措56
一、投资估算56
二、资金筹措58
第十三章财务评价与效益分析61
一、项目财务评价61
二、财务评价结论65
三、社会效益68
四、生态效益68
第十四章风险分析70
一、主要风险分析识别70
二、风险程度分析及防范风险的措施70
第十五章招标方案72
一、招标范围72
二、招标组织形式72
三、招标方式72
第十六章结论与建议74
一、可行性研究结论74
二、建议75
附件77
一、附表77
二、附件77
三、附图77
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