本實(shí)用新型涉及一種基于STM32的全數(shù)字化邊界層探空儀，屬于氣象技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

探空儀是一種由氣球攜帶的儀器,在氣球上攜帶有用于測(cè)量的一個(gè)或幾個(gè)氣象變量的傳感器。探空儀穿過(guò)大氣通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸模塊將探測(cè)信號(hào)傳送給地面觀測(cè)站,經(jīng)地面觀測(cè)站的轉(zhuǎn)換處理得到各高度的相應(yīng)氣象參數(shù)。目前,大氣溫、濕、壓參數(shù)一般通過(guò)探空儀上的傳感器檢測(cè)獲得,而空中風(fēng)速風(fēng)向是運(yùn)用GPS衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)進(jìn)行測(cè)量。GPS探空測(cè)風(fēng)是新一代高空探測(cè)系統(tǒng)。它運(yùn)用GPS定位技術(shù)來(lái)測(cè)量大氣風(fēng)向和風(fēng)速。將空中的探空氣球作為隨氣流移動(dòng)的質(zhì)點(diǎn),通過(guò)吊裝在氣球上的GPS接收機(jī)獲取氣球當(dāng)前位置,再由數(shù)據(jù)傳輸模塊將當(dāng)前氣球的位置信息和UTC時(shí)間按一定時(shí)間間隔發(fā)送給地面接受設(shè)備。地面接受設(shè)備再將這些信息通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)串口發(fā)送給上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,最終解算出當(dāng)前時(shí)刻氣球在特定坐標(biāo)系中位置的坐標(biāo)值,然后再根據(jù)氣球位置的變化計(jì)算出被測(cè)點(diǎn)的大氣風(fēng)向和風(fēng)速。但現(xiàn)在較多的探空儀是針對(duì)高空氣象探測(cè)，而針對(duì)大氣邊界層探測(cè)的探空儀相對(duì)較少，大氣邊界層氣象不同于高空氣象，大氣邊界層是掌握一個(gè)地區(qū)邊界層大氣運(yùn)動(dòng)規(guī)律,以便研究大氣污染物稀釋、擴(kuò)散的規(guī)律,為工業(yè)布局、城市規(guī)劃、新建項(xiàng)目大氣污染預(yù)報(bào)等提供可靠資料的重要手段。大氣邊界層的研究不僅對(duì)大氣科學(xué)本身是非常重要的,對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)也有著重要的意義。面對(duì)這一迫切需要,必須有一種性能可靠的邊界層探測(cè)裝置來(lái)探測(cè)某地區(qū)邊界層大氣的參數(shù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型提供一種基于STM32的全數(shù)字化邊界層探空儀，整合目前先進(jìn)的溫度、濕度、壓力傳感器測(cè)得溫濕壓值，測(cè)風(fēng)模塊測(cè)得風(fēng)速風(fēng)向值，不僅滿足常規(guī)的氣象探測(cè)精度要求，而且重量輕、體積小、使用便攜、成本低。

本實(shí)用新型解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：

一種基于STM32的全數(shù)字化邊界層探空儀，包括探空儀、GPRS無(wú)線通信和地面監(jiān)控中心，探空儀升空后測(cè)得的數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS無(wú)線通信傳送至地面監(jiān)控中心，所述探空儀包括檢測(cè)模塊、STM32數(shù)據(jù)處理模塊、電源模塊、GPRS模塊和SAM天線，檢測(cè)模塊、電源模塊、GPRS模塊的一端分別與STM32數(shù)據(jù)處理模塊連接，GPRS模塊的另一端與SAM天線相連；

所述檢測(cè)模塊包括GPS測(cè)風(fēng)模塊、GPS天線、溫濕度傳感器、氣壓傳感器，時(shí)鐘電路和復(fù)位電路，GPS測(cè)風(fēng)模塊的一端、溫濕度傳感器、氣壓傳感器，時(shí)鐘電路和復(fù)位電路分別與STM32數(shù)據(jù)處理模塊相連，GPS測(cè)風(fēng)模塊的另一端與GPS天線相連；

作為本實(shí)用新型的進(jìn)一步優(yōu)選，所述溫濕度傳感器為新型數(shù)字溫濕度一體式傳感器SHT75；

作為本實(shí)用新型的進(jìn)一步優(yōu)選，所述氣壓傳感器為BMP180數(shù)字氣壓傳感器；

作為本實(shí)用新型的進(jìn)一步優(yōu)選，所述GPS測(cè)風(fēng)模塊的核心采用 UBLOX公司的 NEO-6M 模組，具有 50 個(gè)通道，追蹤靈敏度高達(dá)-161dBm，測(cè)量輸出頻率最高可達(dá)5Hz；

作為本實(shí)用新型的進(jìn)一步優(yōu)選，所述GPRS模塊為SIM900A ；

作為本實(shí)用新型的進(jìn)一步優(yōu)選，所述GPS天線為模塊自帶陶瓷天線及 20.5dB 高增益 LNA 芯片；

作為本實(shí)用新型的進(jìn)一步優(yōu)選，SAM天線為微型SAM天線。

通過(guò)以上技術(shù)方案，相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本實(shí)用新型具有以下有益效果：

（1）實(shí)現(xiàn)了數(shù)字探空儀的全數(shù)字化，使用的傳感器芯片全部是輸出數(shù)字信號(hào)，溫濕度傳感器是SHT75、氣壓傳感器BMP180；

（2）本設(shè)計(jì)探空儀實(shí)現(xiàn)探空儀的微型化，低功耗，成本低，可靠性強(qiáng)，性價(jià)比高的優(yōu)點(diǎn)；

（3）探空儀適用于野外環(huán)境工作,整體進(jìn)行防水、防塵、反雷電設(shè)計(jì)；

（4）通信距離只要在GPRS網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域,都能夠?qū)崿F(xiàn)通；

（5）從傳感器的選擇、芯片的選型及電路的設(shè)計(jì)采用低功耗的設(shè)計(jì)理念，從而降低整個(gè)采集電路的功耗。

附圖說(shuō)明

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)一步說(shuō)明。

圖1是本實(shí)用新型全數(shù)字化邊界層探空儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖2是本實(shí)用新型全數(shù)字化邊界層探空儀的硬件結(jié)構(gòu)框圖。

圖中：1為探空儀，2為GPRS無(wú)線通信，3為地面監(jiān)控中心。

具體實(shí)施方式

現(xiàn)在結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。這些附圖均為簡(jiǎn)化的示意圖，僅以示意方式說(shuō)明本實(shí)用新型的基本結(jié)構(gòu)，因此其僅顯示與本實(shí)用新型有關(guān)的構(gòu)成。

本實(shí)用新型的一種基于STM32的全數(shù)字化邊界層探空儀，包括探空儀、GPRS無(wú)線通信和地面監(jiān)控中心，探空儀升空后測(cè)得的數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS無(wú)線通信傳送至地面監(jiān)控中心，所述探空儀包括檢測(cè)模塊、STM32數(shù)據(jù)處理模塊、電源模塊、GPRS模塊和SAM天線，檢測(cè)模塊、電源模塊、GPRS模塊的一端分別與STM32數(shù)據(jù)處理模塊連接，GPRS模塊的另一端與SAM天線相連；

所述檢測(cè)模塊包括GPS測(cè)風(fēng)模塊、GPS天線、溫濕度傳感器、氣壓傳感器，時(shí)鐘電路和復(fù)位電路，GPS測(cè)風(fēng)模塊的一端、溫濕度傳感器、氣壓傳感器，時(shí)鐘電路和復(fù)位電路分別與STM32數(shù)據(jù)處理模塊相連，GPS測(cè)風(fēng)模塊的另一端與GPS天線相連；

作為本實(shí)用新型的進(jìn)一步優(yōu)選，所述溫濕度傳感器為新型數(shù)字溫濕度一體式傳感器SHT75；

作為本實(shí)用新型的進(jìn)一步優(yōu)選，所述氣壓傳感器為BMP180數(shù)字氣壓傳感器；

作為本實(shí)用新型的進(jìn)一步優(yōu)選，所述GPRS模塊為SIM900A ；

作為本實(shí)用新型的進(jìn)一步優(yōu)選，所述GPS天線為模塊自帶陶瓷天線及 20.5dB 高增益 LNA 芯片；

作為本實(shí)用新型的進(jìn)一步優(yōu)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(cè)得溫濕壓值以及風(fēng)速風(fēng)向值，通過(guò)GPRS無(wú)線通信將所測(cè)得數(shù)據(jù)傳送給地面監(jiān)控中心。通訊雙方通過(guò)無(wú)線GPRS DTU登陸到無(wú)線網(wǎng)絡(luò),全網(wǎng)采用移動(dòng)APN專(zhuān)網(wǎng)固定IP?？上认蛞苿?dòng)公司申請(qǐng)APN專(zhuān)網(wǎng)業(yè)務(wù)。移動(dòng)為客戶分配專(zhuān)用的APN,普通用戶不得申請(qǐng)?jiān)?。用于GPRS專(zhuān)網(wǎng)的SIM卡僅開(kāi)通該專(zhuān)用APN,限制使用其他APN。得到后,給監(jiān)控點(diǎn)及中心分配移動(dòng)內(nèi)部固定IP。無(wú)需DDNS解析,本身具有移動(dòng)內(nèi)網(wǎng)固定IP,減少中間環(huán)節(jié),穩(wěn)定性增強(qiáng)且所有數(shù)據(jù)都在移動(dòng)GPRS的APN內(nèi)網(wǎng)傳輸,無(wú)需經(jīng)過(guò)公網(wǎng),安全性增強(qiáng)。無(wú)需負(fù)擔(dān)寬帶專(zhuān)線月租費(fèi)用,通信速度適中、通信質(zhì)量穩(wěn)定中等、組網(wǎng)簡(jiǎn)單且費(fèi)用低、可以快速完成組網(wǎng)鋇試,性價(jià)比合理。

本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)一種全數(shù)字化邊界層探空儀，探空氣球攜帶探空儀升入空中，探空儀進(jìn)行溫度、濕度、氣壓、高度等參數(shù)的采集，利用無(wú)線通訊系統(tǒng)將氣象數(shù)據(jù)傳輸?shù)较到y(tǒng)主機(jī)。數(shù)據(jù)監(jiān)控應(yīng)用軟件對(duì)傳輸回來(lái)的氣象要素值進(jìn)行通訊存儲(chǔ)及顯示工作，能對(duì)大氣邊界層氣象進(jìn)行實(shí)時(shí)探測(cè)。數(shù)字化邊界層探空儀主要用于探測(cè)站30Km范圍，3Km高度內(nèi)各層次的溫度、濕度、氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向，為天氣預(yù)報(bào)、氣候分析和軍事氣象保障提供及時(shí)、準(zhǔn)確的空中氣象情報(bào)、資料。探空儀系統(tǒng)中包括探空儀硬件設(shè)計(jì)與上位機(jī)軟件相結(jié)合，硬件主芯片采用一種低功耗芯片STM32，用于采集和處理數(shù)據(jù)。軟件主要采用的是以應(yīng)用C#語(yǔ)言技術(shù)，基于Visual studio 2010 開(kāi)發(fā)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了基于探空儀上位機(jī)軟件系統(tǒng)。引入靈活的窗口管理系統(tǒng)，使開(kāi)發(fā)人員能夠使用多臺(tái)監(jiān)視器，并提供了視覺(jué)上的表面對(duì)窗口位置的完全控制的任何地方。

圖2所示，STM32數(shù)據(jù)處理模塊：控制芯片是一款超低功耗STM32單片機(jī)，以超低的功耗、靈活的模擬技術(shù)和豐富的片內(nèi)外資源在電子產(chǎn)品、工業(yè)控制、自動(dòng)化、儀表儀器等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

溫濕度傳感器：采用采用瑞士公司Sensirion的新型數(shù)字溫濕度一體式傳感器SHT75,該傳感器包含一個(gè)電容性聚合體濕度敏感元件和一個(gè)用能隙材料制成的溫度敏感元件,這兩個(gè)敏感元件與一個(gè)14位的A/D轉(zhuǎn)換器以及一個(gè)串行接口電路設(shè)計(jì)在同一個(gè)芯片上面,通過(guò)兩線制的串行接口與內(nèi)部的電壓調(diào)整,使外圍系統(tǒng)集成變得快速而簡(jiǎn)單,能直接與單片機(jī)連接。

性能特點(diǎn):

1、將溫濕度傳感器、信號(hào)放大調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換全部集成于一芯片。

2、可以給出全校準(zhǔn)相對(duì)濕度及溫度值輸出。

3、濕度值輸出分辨率為14位,溫度值輸出分辨率為12位。

4、具有可靠的CRC數(shù)據(jù)傳輸校驗(yàn)功能。

5、電流消耗,測(cè)量時(shí)為550uA,平均為28uA,休眠時(shí)為0.3uA。

6、濕度測(cè)量范圍：0—100RH%,精度為±1.8%，溫度測(cè)量范圍-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(cè)量采用BMP180，它一款高精度、小體積、超低能耗的壓力傳感器，可以應(yīng)用在移動(dòng)設(shè)備中，它的性能卓越，絕對(duì)精度最低可以達(dá)到0.03hPa，并且耗電極低，只有3μA。BMP180采用強(qiáng)大的8-pin陶瓷無(wú)引線芯片承載（LCC）超薄封裝，可以通過(guò)I2C總線直接與各種微處理器相連。

具體數(shù)據(jù)為：壓力范圍：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(wú)鉛陶瓷載體封裝（LCC）

尺寸：3.6mmx3.8x0.93mm

低功耗：5μA，在標(biāo)準(zhǔn)模式

高精度：低功耗模式下，分辨率為0.06hPa（0.5米） 高線性模式下，分辨率為0.03hPa（0.25米）

含溫度輸出 I2C接口

溫度補(bǔ)償 無(wú)鉛，符合RoHS規(guī)范

MSL 1反應(yīng)時(shí)間：7.5ms

待機(jī)電流：0.1μA 無(wú)需外部時(shí)鐘電路。

測(cè)風(fēng)模塊：選用ATK-NEO-6M-V23 模塊，是 ALIENTEK 生產(chǎn)的一款高性能 GPS 模塊，模塊核心采用 UBLOX公司的 NEO-6M 模組，具有 50 個(gè)通道，追蹤靈敏度高達(dá)-161dBm，測(cè)量輸出頻率最高可達(dá)5Hz。ATK-NEO-6M-V23 模塊具有以下特點(diǎn)：

1、 模塊采用 U-BLOX NEO-6M 模組，體積小巧，性能優(yōu)異。

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

3、模塊可通過(guò)串口進(jìn)行各種參數(shù)設(shè)置，并可保存在 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(yīng)能力強(qiáng)。

5、 模塊兼容 3.3V/5V 電平，方便連接各種單片機(jī)系統(tǒng)。

6、 模塊自帶可充電后備電池，可以掉電保持星歷數(shù)據(jù)。

模塊：選用的是SIM900A 模塊，SIM900A 模塊是一款尺寸緊湊的 GSM/GPRS 模塊，采用 SMT 封裝，基于 STE的單芯片案，采用 ARM926EJ-S 架構(gòu),性能強(qiáng)大，可以內(nèi)置客戶應(yīng)用程序?？蓮V泛應(yīng)用于車(chē)載跟蹤、車(chē)隊(duì)管理、無(wú)線 POS、手持 PDA、智能抄表與電力監(jiān)控等眾多方向。

SIM900A 模塊主要特點(diǎn)：

SMT 封裝：易于客戶生產(chǎn)加工

尺寸小： 24*24*3mm

功耗低：待機(jī)模式電流低于 18mA、sleep 模式低于 2mA

供電范圍寬：3.2～4.8V

支持頻段：GSM/GPRS 900/1800MHz

語(yǔ)音編碼：支持半速率、全速率、增強(qiáng)型速率

支持回聲抑制算法，可以基于不同客戶設(shè)備通過(guò) AT 命令調(diào)節(jié)回音抑制消除。

時(shí)鐘電路：時(shí)鐘電路中斷服務(wù)程序的完成由STM32數(shù)據(jù)處理模塊控制各傳感器及每秒采集一組溫度、壓力、濕度和GPS數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，再將數(shù)據(jù)打包發(fā)送給地面監(jiān)控中心服務(wù)器，為提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，設(shè)置發(fā)送重復(fù)率為2，即每秒連續(xù)發(fā)送2組相同數(shù)據(jù)。

本實(shí)用新型主要用于探測(cè)站30Km范圍，探測(cè)低空3Km高度內(nèi)各層次的溫度、濕度、氣壓、風(fēng)速和風(fēng)向，為天氣預(yù)報(bào)、氣候分析和軍事氣象保障提供及時(shí)、準(zhǔn)確的空中氣象情報(bào)、資料。本實(shí)用新型采用全數(shù)字化傳感器測(cè)量大氣溫度、濕度、氣壓并運(yùn)用GPS衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)測(cè)量大氣風(fēng)向、風(fēng)速。該探空儀的探測(cè)準(zhǔn)確性較我國(guó)現(xiàn)有的探測(cè)系統(tǒng)將會(huì)有明顯的提高，其抗干擾能力、地面接收系統(tǒng)的成本、自動(dòng)化成度和施放條件要求也會(huì)大大優(yōu)于其他空中探測(cè)系統(tǒng)。

本技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，除非另外定義，這里使用的所有術(shù)語(yǔ)（包括技術(shù)術(shù)語(yǔ)和科學(xué)術(shù)語(yǔ)）具有與本申請(qǐng)所屬領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員的一般理解相同的意義。還應(yīng)該理解的是，諸如通用字典中定義的那些術(shù)語(yǔ)應(yīng)該被理解為具有與現(xiàn)有技術(shù)的上下文中的意義一致的意義，并且除非像這里一樣定義，不會(huì)用理想化或過(guò)于正式的含義來(lái)解釋。

本申請(qǐng)中所述的“和/或”的含義指的是各自單獨(dú)存在或兩者同時(shí)存在的情況均包括在內(nèi)。

本申請(qǐng)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(guò)其它部件的間接連接。

以上述依據(jù)本實(shí)用新型的理想實(shí)施例為啟示，通過(guò)上述的說(shuō)明內(nèi)容，相關(guān)工作人員完全可以在不偏離本項(xiàng)實(shí)用新型技術(shù)思想的范圍內(nèi)，進(jìn)行多樣的變更以及修改。本項(xiàng)實(shí)用新型的技術(shù)性范圍并不局限于說(shuō)明書(shū)上的內(nèi)容，必須要根據(jù)權(quán)利要求范圍來(lái)確定其技術(shù)性范圍。