一種基於STM32的全數位化邊界層探空儀的製作方法

2023-05-25 10:23:21 1

本實用新型涉及一種基於STM32的全數位化邊界層探空儀，屬於氣象技術領域。

背景技術：

探空儀是一種由氣球攜帶的儀器,在氣球上攜帶有用於測量的一個或幾個氣象變量的傳感器。探空儀穿過大氣通過數據傳輸模塊將探測信號傳送給地面觀測站,經地面觀測站的轉換處理得到各高度的相應氣象參數。目前,大氣溫、溼、壓參數一般通過探空儀上的傳感器檢測獲得,而空中風速風向是運用GPS衛星導航定位技術進行測量。GPS探空測風是新一代高空探測系統。它運用GPS定位技術來測量大氣風向和風速。將空中的探空氣球作為隨氣流移動的質點,通過吊裝在氣球上的GPS接收機獲取氣球當前位置,再由數據傳輸模塊將當前氣球的位置信息和UTC時間按一定時間間隔發送給地面接受設備。地面接受設備再將這些信息通過標準串口發送給上位機進行數據處理,最終解算出當前時刻氣球在特定坐標系中位置的坐標值,然後再根據氣球位置的變化計算出被測點的大氣風向和風速。但現在較多的探空儀是針對高空氣象探測，而針對大氣邊界層探測的探空儀相對較少，大氣邊界層氣象不同於高空氣象，大氣邊界層是掌握一個地區邊界層大氣運動規律,以便研究大氣汙染物稀釋、擴散的規律,為工業布局、城市規劃、新建項目大氣汙染預報等提供可靠資料的重要手段。大氣邊界層的研究不僅對大氣科學本身是非常重要的,對國民經濟也有著重要的意義。面對這一迫切需要,必須有一種性能可靠的邊界層探測裝置來探測某地區邊界層大氣的參數。

技術實現要素：

本實用新型提供一種基於STM32的全數位化邊界層探空儀，整合目前先進的溫度、溼度、壓力傳感器測得溫溼壓值，測風模塊測得風速風向值，不僅滿足常規的氣象探測精度要求，而且重量輕、體積小、使用便攜、成本低。

本實用新型解決其技術問題所採用的技術方案是：

一種基於STM32的全數位化邊界層探空儀，包括探空儀、GPRS無線通信和地面監控中心，探空儀升空後測得的數據通過GPRS無線通信傳送至地面監控中心，所述探空儀包括檢測模塊、STM32數據處理模塊、電源模塊、GPRS模塊和SAM天線，檢測模塊、電源模塊、GPRS模塊的一端分別與STM32數據處理模塊連接，GPRS模塊的另一端與SAM天線相連；

所述檢測模塊包括GPS測風模塊、GPS天線、溫溼度傳感器、氣壓傳感器，時鐘電路和復位電路，GPS測風模塊的一端、溫溼度傳感器、氣壓傳感器，時鐘電路和復位電路分別與STM32數據處理模塊相連，GPS測風模塊的另一端與GPS天線相連；

作為本實用新型的進一步優選，所述溫溼度傳感器為新型數字溫溼度一體式傳感器SHT75；

作為本實用新型的進一步優選，所述氣壓傳感器為BMP180數字氣壓傳感器；

作為本實用新型的進一步優選，所述GPS測風模塊的核心採用 UBLOX公司的 NEO-6M 模組，具有 50 個通道，追蹤靈敏度高達-161dBm，測量輸出頻率最高可達5Hz；

作為本實用新型的進一步優選，所述GPRS模塊為SIM900A ；

作為本實用新型的進一步優選，所述GPS天線為模塊自帶陶瓷天線及 20.5dB 高增益 LNA 晶片；

作為本實用新型的進一步優選，SAM天線為微型SAM天線。

通過以上技術方案，相對於現有技術，本實用新型具有以下有益效果：

（1）實現了數字探空儀的全數位化，使用的傳感器晶片全部是輸出數位訊號，溫溼度傳感器是SHT75、氣壓傳感器BMP180；

（2）本設計探空儀實現探空儀的微型化，低功耗，成本低，可靠性強，性價比高的優點；

（3）探空儀適用於野外環境工作,整體進行防水、防塵、反雷電設計；

（4）通信距離只要在GPRS網絡覆蓋區域,都能夠實現通；

（5）從傳感器的選擇、晶片的選型及電路的設計採用低功耗的設計理念，從而降低整個採集電路的功耗。

附圖說明

下面結合附圖和實施例對本實用新型進一步說明。

圖1是本實用新型全數位化邊界層探空儀的系統結構圖。

圖2是本實用新型全數位化邊界層探空儀的硬體結構框圖。

圖中：1為探空儀，2為GPRS無線通信，3為地面監控中心。

具體實施方式

現在結合附圖對本實用新型作進一步詳細的說明。這些附圖均為簡化的示意圖，僅以示意方式說明本實用新型的基本結構，因此其僅顯示與本實用新型有關的構成。

本實用新型的一種基於STM32的全數位化邊界層探空儀，包括探空儀、GPRS無線通信和地面監控中心，探空儀升空後測得的數據通過GPRS無線通信傳送至地面監控中心，所述探空儀包括檢測模塊、STM32數據處理模塊、電源模塊、GPRS模塊和SAM天線，檢測模塊、電源模塊、GPRS模塊的一端分別與STM32數據處理模塊連接，GPRS模塊的另一端與SAM天線相連；

所述檢測模塊包括GPS測風模塊、GPS天線、溫溼度傳感器、氣壓傳感器，時鐘電路和復位電路，GPS測風模塊的一端、溫溼度傳感器、氣壓傳感器，時鐘電路和復位電路分別與STM32數據處理模塊相連，GPS測風模塊的另一端與GPS天線相連；

作為本實用新型的進一步優選，所述溫溼度傳感器為新型數字溫溼度一體式傳感器SHT75；

作為本實用新型的進一步優選，所述氣壓傳感器為BMP180數字氣壓傳感器；

作為本實用新型的進一步優選，所述GPRS模塊為SIM900A ；

作為本實用新型的進一步優選，所述GPS天線為模塊自帶陶瓷天線及 20.5dB 高增益 LNA 晶片；

作為本實用新型的進一步優選，所述SAM天線為微型SAM天線。

圖1所示，探空氣球攜帶探空儀升空測得溫溼壓值以及風速風向值，通過GPRS無線通信將所測得數據傳送給地面監控中心。通訊雙方通過無線GPRS DTU登陸到無線網絡,全網採用移動APN專網固定IP。可先向移動公司申請APN專網業務。移動為客戶分配專用的APN,普通用戶不得申請該。用於GPRS專網的SIM卡僅開通該專用APN,限制使用其他APN。得到後,給監控點及中心分配移動內部固定IP。無需DDNS解析,本身具有移動內網固定IP,減少中間環節,穩定性增強且所有數據都在移動GPRS的APN內網傳輸,無需經過公網,安全性增強。無需負擔寬帶專線月租費用,通信速度適中、通信質量穩定中等、組網簡單且費用低、可以快速完成組網鋇試,性價比合理。

本實用新型實現一種全數位化邊界層探空儀，探空氣球攜帶探空儀升入空中，探空儀進行溫度、溼度、氣壓、高度等參數的採集，利用無線通訊系統將氣象數據傳輸到系統主機。數據監控應用軟體對傳輸回來的氣象要素值進行通訊存儲及顯示工作，能對大氣邊界層氣象進行實時探測。數位化邊界層探空儀主要用於探測站30Km範圍，3Km高度內各層次的溫度、溼度、氣壓、風速、風向，為天氣預報、氣候分析和軍事氣象保障提供及時、準確的空中氣象情報、資料。探空儀系統中包括探空儀硬體設計與上位機軟體相結合，硬體主晶片採用一種低功耗晶片STM32，用於採集和處理數據。軟體主要採用的是以應用C#語言技術，基於Visual studio 2010 開發平臺，實現了基於探空儀上位機軟體系統。引入靈活的窗口管理系統，使開發人員能夠使用多臺監視器，並提供了視覺上的表面對窗口位置的完全控制的任何地方。

圖2所示，STM32數據處理模塊：控制晶片是一款超低功耗STM32單片機，以超低的功耗、靈活的模擬技術和豐富的片內外資源在電子產品、工業控制、自動化、儀表儀器等領域得到廣泛的應用。

溫溼度傳感器：採用採用瑞士公司Sensirion的新型數字溫溼度一體式傳感器SHT75,該傳感器包含一個電容性聚合體溼度敏感元件和一個用能隙材料製成的溫度敏感元件,這兩個敏感元件與一個14位的A/D轉換器以及一個串行接口電路設計在同一個晶片上面,通過兩線制的串行接口與內部的電壓調整,使外圍系統集成變得快速而簡單,能直接與單片機連接。

性能特點:

1、將溫溼度傳感器、信號放大調理、A/D轉換全部集成於一晶片。

2、可以給出全校準相對溼度及溫度值輸出。

3、溼度值輸出解析度為14位,溫度值輸出解析度為12位。

4、具有可靠的CRC數據傳輸校驗功能。

5、電流消耗,測量時為550uA,平均為28uA,休眠時為0.3uA。

6、溼度測量範圍：0—100RH%,精度為±1.8%，溫度測量範圍-40—123.8℃,精度為±0.3℃（5-40℃）電源電壓:2.4-5.5V。

氣壓傳感器：氣壓的測量採用BMP180，它一款高精度、小體積、超低能耗的壓力傳感器，可以應用在行動裝置中，它的性能卓越，絕對精度最低可以達到0.03hPa，並且耗電極低，只有3μA。BMP180採用強大的8-pin陶瓷無引線晶片承載（LCC）超薄封裝，可以通過I2C總線直接與各種微處理器相連。

具體數據為：壓力範圍：300~1100hPa（海拔9000米~-500米）

電源電壓：1.8V~3.6V（VDDA），1.62V~3.6V（VDDD）

LCC8封裝：無鉛陶瓷載體封裝（LCC）

尺寸：3.6mmx3.8x0.93mm

低功耗：5μA，在標準模式

高精度：低功耗模式下，解析度為0.06hPa（0.5米） 高線性模式下，解析度為0.03hPa（0.25米）

含溫度輸出 I2C接口

溫度補償 無鉛，符合RoHS規範

MSL 1反應時間：7.5ms

待機電流：0.1μA 無需外部時鐘電路。

測風模塊：選用ATK-NEO-6M-V23 模塊，是 ALIENTEK 生產的一款高性能 GPS 模塊，模塊核心採用 UBLOX公司的 NEO-6M 模組，具有 50 個通道，追蹤靈敏度高達-161dBm，測量輸出頻率最高可達5Hz。ATK-NEO-6M-V23 模塊具有以下特點：

1、 模塊採用 U-BLOX NEO-6M 模組，體積小巧，性能優異。

2、模塊自帶陶瓷天線及 MAXIM 公司 20.5dB 高增益 LNA 晶片，搜星能力強。

3、模塊可通過串口進行各種參數設置，並可保存在 EEPROM，使用方便。

4、模塊自帶 IPX 接口，可以連接各種有源天線，適應能力強。

5、 模塊兼容 3.3V/5V 電平，方便連接各種單片機系統。

6、 模塊自帶可充電後備電池，可以掉電保持星曆數據。

模塊：選用的是SIM900A 模塊，SIM900A 模塊是一款尺寸緊湊的 GSM/GPRS 模塊，採用 SMT 封裝，基於 STE的單晶片案，採用 ARM926EJ-S 架構,性能強大，可以內置客戶應用程式。可廣泛應用於車載跟蹤、車隊管理、無線 POS、手持 PDA、智能抄表與電力監控等眾多方向。

SIM900A 模塊主要特點：

SMT 封裝：易於客戶生產加工

尺寸小： 24*24*3mm

功耗低：待機模式電流低於 18mA、sleep 模式低於 2mA

供電範圍寬：3.2～4.8V

支持頻段：GSM/GPRS 900/1800MHz

語音編碼：支持半速率、全速率、增強型速率

支持回聲抑制算法，可以基於不同客戶設備通過 AT 命令調節回音抑制消除。

時鐘電路：時鐘電路中斷服務程序的完成由STM32數據處理模塊控制各傳感器及每秒採集一組溫度、壓力、溼度和GPS數據，然後進行數據整理，再將數據打包發送給地面監控中心伺服器，為提高數據傳輸的可靠性，設置發送重複率為2，即每秒連續發送2組相同數據。

本實用新型主要用於探測站30Km範圍，探測低空3Km高度內各層次的溫度、溼度、氣壓、風速和風向，為天氣預報、氣候分析和軍事氣象保障提供及時、準確的空中氣象情報、資料。本實用新型採用全數位化傳感器測量大氣溫度、溼度、氣壓並運用GPS衛星導航定位技術測量大氣風向、風速。該探空儀的探測準確性較我國現有的探測系統將會有明顯的提高，其抗幹擾能力、地面接收系統的成本、自動化成度和施放條件要求也會大大優於其他空中探測系統。

本技術領域技術人員可以理解，除非另外定義，這裡使用的所有術語（包括技術術語和科學術語）具有與本申請所屬領域中的普通技術人員的一般理解相同的意義。還應該理解的是，諸如通用字典中定義的那些術語應該被理解為具有與現有技術的上下文中的意義一致的意義，並且除非像這裡一樣定義，不會用理想化或過於正式的含義來解釋。

本申請中所述的「和/或」的含義指的是各自單獨存在或兩者同時存在的情況均包括在內。

本申請中所述的「連接」的含義可以是部件之間的直接連接也可以是部件間通過其它部件的間接連接。

以上述依據本實用新型的理想實施例為啟示，通過上述的說明內容，相關工作人員完全可以在不偏離本項實用新型技術思想的範圍內，進行多樣的變更以及修改。本項實用新型的技術性範圍並不局限於說明書上的內容，必須要根據權利要求範圍來確定其技術性範圍。