■ 侯竞波 郭晋川 高元朋

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、PM10、VOC、CO2、噪声及某一种气体（SO2、NO2、NO、O3、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。

气象行业经过多年的发展，一个大范围的气象数据监测网已经基本建成。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、PM10、VOC、CO2、噪声及某一种气体（SO2、NO2、NO、O3、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。

图1 便携式环境气象观测一体站系统框图

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。

图2 便携式环境气象观测一体站接收数据上位机界面

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、PM10、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S H T 2 1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系统进行供电，同时为保证在无外部供电设备接入的情况下稳定工作，设备内部还配备2万 mAh锂电池，使设备在无外部输入的情况下可工作7天以上。随着近几年电池性能的提升，大容量国产电池相继出现，其中以18650系列锂电池为主，其电压为2.7～4.2 V，单节电池无法满足系统工作电压需求，所以采用两节锂电池串联的方式对系统进行供电，而为了保证电池充电时的安全性，平衡的充电模式是必不可少的，便携式环境气象观测一体站采用纮康科技的HY2120芯片搭配8205A芯片对整个电池供电系统进行保护。系统内部还配备4 A的充放电控制器，使系统在有外部输入时，可以在5 h以内将电池充满，充放电控制器电路见图3。

表1 电化学传感器参数

3 设备结构技术特点

图3 便携式环境气象观测一体站充放电控制器电路

设备外壳全部采用铝合金材质，大致结构包含风向传感器、风速传感器、通风罩、锂电池、温度传感器、湿度传感器和固定座，风向和风速传感器通过一根穿线管将信号线和电源线与下方主控系统进行连接和固定。下方通风罩内集成了气压、CO2、PM2.5、VOC和气体浓度检测模块，极大压缩了空间占有率。由于考虑到内部电路板电源部分会发热，从而影响到温度传感器的测量准确性，所以使用单独的电路板将温度传感器独立出来，引到了设备的最下方，这就极大地减小了电路对温度传感器的影响。设备内部总共包含14节大容量18650锂电池，总含电量达到2万 mAh以上。具体结构和外形见图4，通风罩内部传感器和电池布局见图5。

图4 便携式环境气象观测一体站结构和外形图

图5 便携式环境气象观测一体站内部结构图

4 系统软件流程

便携式环境气象观测一体站采用ST公司的STM32F103系列单片机作为主控芯片，由于每种传感器和单片机的通信方式均不相同，单片机需要为各个传感器提供不同的接口。系统首次开机后，需要人工使用RS232串口为系统配置系统必要的设备参数，其中包括设备ID、系统时间、数据发送时间间隔等，设备信息设置完成后需要进行重启操作。具体程序流程如图6所示。

图6 便携式环境气象观测一体站程序流程图

5 应用场景及开发意义

便携式环境气象观测一体站是监测温度、湿度、气压、风向、风速、雨量、PM2.5、PM10、VOC、CO2、噪声及某一气体（SO2、NO2、NO、O3、CO、H2S中的一种）等12种重要环境因子的物联网终端，并且便携式环境气象观测一体站可利用物联网、云平台等技术形成覆盖重点区域的网络平台，实现环境气象多元信息采集、分析、发布及跨行业数据资源共享，为政府决策提供依据。

便携式环境气象观测一体站可以直接安装于建筑物上（图7），并使用外接DTU将数据传输到服务器，从而为居民提供局部空气环境质量，还可使用和显示器直连的方式，直接在居民区显示出空气环境质量。

图7 便携式环境气象观测一体站安装于建筑物上

便携式环境气象观测一体站还可以安装于海洋浮标上方（图8），再在外部配备太阳能充电设备和GPS定位设备，用DTU回传的方式将海洋的气象数据上传至服务器，为航线规划和海洋探测提供依据。

图8 便携式环境气象观测一体站安装于海洋浮标上方

随着智慧城市的普及和智慧气象的快速发展，基于便携式环境气象观测一体站还提出了一种智能灯杆的设计。便携式环境气象观测一体站可立在马路两旁的延长壁上，可以使用手机APP等方式将气象数据推送到路过行人的手机当中，还可以使用DTU 的方式将数据上传到服务器，为交通行业提供可以参考的气象数据（图9）。

图9 便携式环境气象观测一体站安装示例

6 结语

本文提出了便携式环境气象观测一体站的设计理念。与自动站相比，便携式环境气象观测一体站采用高集成方式对传感器进行布局，极大减小了设备的体积，并减少了外部线缆的铺设，从而提高了设备稳定性。便携式环境气象观测一体站具有安装便捷、占地面积小、采集要素多、应用场景广等优势，使其完全可以更全面应用到智慧城市中，为实现“互联网+气象”提供坚实的底层基础建设工作。便携式环境气象观测一体站的创新点在于以更好的系统稳定性和数据准确性为基础，实现传感器的高度一体化集成，同时便携式环境气象观测一体站还极大降低了设备的安装成本和生产难度。

深入阅读

胡利军, 冯小虎, 2008. 多种连接方式在自动站数据传输中的应用.气象, 34(7): 114-117.

胡玉峰, 2004. 自动气象站原理与测量方法. 北京: 气象出版社.

沈文海, 2016. 再析气象大数据及其应用. 中国信息化, (1): 85-96.

中国气象局, 2003. 地面气象观测规范. 北京: 气象出版社.