為解決江河流域氣象信息采集智能化不足導(dǎo)致的洪澇災(zāi)害預(yù)警難題，研究設(shè)計(jì)了基于STM32F103C8T6主控模塊的氣象信息采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)集成多種傳感器和WiFi模塊，支持云端傳輸與手機(jī)APP實(shí)時監(jiān)測及報(bào)警。實(shí)測表明，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)0.5 Hz同步采集、2秒數(shù)據(jù)傳輸及3秒災(zāi)害預(yù)警響應(yīng)，為智慧防洪工程提供可靠數(shù)據(jù)支持。

PART 01硬件電路設(shè)計(jì)

多元?dú)庀笮畔⒉杉到y(tǒng)采用STM32系列中的STM32F103C8T6模塊作為硬件平臺的主控模塊，數(shù)據(jù)采集部分則由風(fēng)速、降雨量、溫濕度等傳感器模塊組成。STM32F103C8T6是由意法半導(dǎo)體公司基于ARMCortex-M內(nèi)核研發(fā)的一款STM32系列芯片。該芯片常用于中小型嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)，具有高性能、外設(shè)豐富、低功耗等特點(diǎn)，且外圍電路搭建簡單、價格實(shí)惠。

主控模塊

STM32F103C8T6由意法半導(dǎo)體集團(tuán)研發(fā)，采用32位ARM Cortex-M3內(nèi)核，工作頻率最高可達(dá)72 MHz；內(nèi)置128 k B的閃存處理器和20 kB字節(jié)的隨機(jī)存取存儲器，共37個輸入/輸出端口、3個計(jì)時器、1個集成電路總線接口、1個串行外設(shè)接口、2個可通過串口通信控制通信模塊的同步異步收發(fā)器接口；內(nèi)嵌10個12位模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器，用于采集電壓，轉(zhuǎn)換時間為1μs，同時配備12個直接內(nèi)存訪問通道，可用于數(shù)據(jù)的快速傳輸。

傳感器模塊

1.2.1風(fēng)速傳感器模塊

多元?dú)庀笮畔⒉杉到y(tǒng)選用ZTS-3000型風(fēng)杯式風(fēng)速傳感器，最低工作電壓為12 V，量程為0～30 m/s，輸出電壓最高電平為3 V，最低電平為0 V。該類風(fēng)速傳感器工作原理如下：當(dāng)風(fēng)力作用在風(fēng)杯上時，風(fēng)杯會轉(zhuǎn)動，進(jìn)而帶動傳感器內(nèi)的同軸多齒光盤轉(zhuǎn)動，接著經(jīng)過傳感器內(nèi)部電路處理產(chǎn)生與風(fēng)速成正比的脈沖信號或電壓模擬量信號，最終轉(zhuǎn)換為風(fēng)速數(shù)據(jù)。

1.2.2降雨量傳感器模塊

多元?dú)庀笮畔⒉杉到y(tǒng)選用ZTS-3000型風(fēng)杯式風(fēng)速傳感器，最低工作電壓為12 V，量程為0～30 m/s，輸出電壓最高電平為3 V，最低電平為0 V。該類風(fēng)速傳感器工作原理如下：當(dāng)風(fēng)力作用在風(fēng)杯上時，風(fēng)杯會轉(zhuǎn)動，進(jìn)而帶動傳感器內(nèi)的同軸多齒光盤轉(zhuǎn)動，接著經(jīng)過傳感器內(nèi)部電路處理產(chǎn)生與風(fēng)速成正比的脈沖信號或電壓模擬量信號，最終轉(zhuǎn)換為風(fēng)速數(shù)據(jù)。

1.2.2降雨量傳感器模塊

多元?dú)庀笮畔⒉杉到y(tǒng)選用ZTS-3000型風(fēng)杯式風(fēng)速傳感器，最低工作電壓為12 V，量程為0～30 m/s，輸出電壓最高電平為3 V，最低電平為0 V。該類風(fēng)速傳感器工作原理如下：當(dāng)風(fēng)力作用在風(fēng)杯上時，風(fēng)杯會轉(zhuǎn)動，進(jìn)而帶動傳感器內(nèi)的同軸多齒光盤轉(zhuǎn)動，接著經(jīng)過傳感器內(nèi)部電路處理產(chǎn)生與風(fēng)速成正比的脈沖信號或電壓模擬量信號，最終轉(zhuǎn)換為風(fēng)速數(shù)據(jù)。

1.2.2降雨量傳感器模塊

降雨量傳感器以一系列平行外露銅跡線為導(dǎo)體，其中5條為電源線，5條為感應(yīng)線，兩種線交錯排列，充當(dāng)可變電阻器。將該傳感器放在雨量杯中，當(dāng)杯中沒有液體時，電源線與感應(yīng)線不相連；當(dāng)杯中存在液體時，液體成為介質(zhì)使電源線與感應(yīng)線相連，且電阻隨著跡線頂部到水面距離的變化而發(fā)生改變。

1.2.3溫濕度傳感器模塊

溫濕度傳感器選用DHT11。DHT11由濕度傳感器、溫度傳感器和一個高性能8位單片機(jī)組成。溫度傳感器是一枚包裹著負(fù)溫度系數(shù)測溫電阻的陶瓷片，其電阻值會隨溫度的升高而降低。濕度傳感器則是一枚濕敏電阻，其電阻值會隨著環(huán)境濕度變化而改變。上述兩個電阻值會被轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的數(shù)字信號傳輸給微控制器，再由微控制器解析生成一個9位的數(shù)據(jù)字，代表該傳感器采集的溫度和濕度。

1.2.4河流深度傳感器模塊

河流深度傳感器選用廣州市明遠(yuǎn)科技有限公司生產(chǎn)的投入式液位變送器。該傳感器前端為一個高精度壓力傳感器，采用高性能隔離型擴(kuò)散硅敏感元件，經(jīng)過溫度補(bǔ)償后，可將靜壓轉(zhuǎn)換為電信號。該傳感器供電電壓為12 V，需電源模塊單獨(dú)進(jìn)行供電，量程為水深0～5 m，輸出值為電壓模擬量，最低電平為0 V，最高電平為3 V。

1.2.5河流流速傳感器模塊

河流流速傳感器模塊使用YF-S201霍爾水流量傳感器。該傳感器主要由霍爾傳感器、水流轉(zhuǎn)子及塑料閥體組成。在水力作用下，水流轉(zhuǎn)子會轉(zhuǎn)動，進(jìn)而帶動磁性轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，當(dāng)磁性轉(zhuǎn)子靠近傳感器時，傳感器導(dǎo)通，當(dāng)磁性轉(zhuǎn)子遠(yuǎn)離傳感器時，傳感器斷開，因此，傳感器輸出脈沖頻率隨水流轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，即水流流速的變化而發(fā)生改變。

WiFi模塊

WiFi通信模塊主要使用深圳市安信可科技有限公司出品的ESP8266-01S模塊。該模塊是一款低功耗、高性價比的嵌入式無線網(wǎng)絡(luò)控制模塊，是常用的WiFi模塊。ESP8266芯片作為該模塊的核心，搭載了低功耗32位微型微控制單元，主頻支持80 MHz和160 MHz，支持完整的傳輸控制協(xié)議/互聯(lián)協(xié)議棧。ESP-01S模塊引腳功能如表1所示。

電源模塊

多元?dú)庀笮畔⒉杉到y(tǒng)使用東莞市祺索電子有限公司生產(chǎn)的可充電鋰電池進(jìn)行供電。該鋰電池可穩(wěn)定提供12 V電壓，擁有過流保護(hù)、短路保護(hù)等功能。主控模塊及部分傳感器模塊工作電壓普遍要求為3.3 V，因此采用AMS1117-3.3芯片作為降壓芯片，將鋰電池輸出的12 V電壓降壓至3.3 V。

PART 02軟件設(shè)計(jì)

2.1主程序流程

主程序會先運(yùn)行環(huán)境信息采集子程序，采集并處理環(huán)境信息，將環(huán)境信息顯示在有機(jī)發(fā)光二極管屏幕上，在聯(lián)網(wǎng)成功的情況下，程序還會嘗試獲取機(jī)智云平臺云端下發(fā)的指令，即手機(jī)APP上設(shè)置的各環(huán)境信息閾值。

機(jī)智云平臺云端下發(fā)的指令為字典格式，包括風(fēng)速、溫濕度、降雨量等閾值的key和value值。接著主程序會運(yùn)行數(shù)據(jù)接收子程序，對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并存儲，將采集到的環(huán)境信息與閾值進(jìn)行對比，獲得報(bào)警信息。然后主程序會運(yùn)行數(shù)據(jù)傳輸子程序?qū)⒉杉降沫h(huán)境數(shù)據(jù)與報(bào)警信息一同上傳至機(jī)智云平臺云端，完成一次循環(huán)。

2.2環(huán)境信息采集子程序設(shè)計(jì)

環(huán)境信息采集子程序共涉及5個傳感器，分別為風(fēng)速傳感器、溫濕度傳感器、降雨量傳感器、河流深度傳感器、河流流速傳感器。根據(jù)傳感器采集信號的不同，可將環(huán)境信息采集子程序分為采集風(fēng)速、降雨量與河流深度傳感器的模擬量信號采集子程序、采集溫濕度傳感器的數(shù)字量信號采集子程序及采集河流流速傳感器的脈沖信號采集子程序。

顯示子程序

顯示子程序先使用OLED＿Init（）方法初始化有機(jī)發(fā)光二極管屏幕，再使用OLED＿Clear（）方法清空有機(jī)發(fā)光二極管屏幕的內(nèi)容，然后使用OLED＿show（）方法循環(huán)顯示處理后的各傳感器數(shù)據(jù)。由于有機(jī)發(fā)光二極管屏幕尺寸小，無法顯示全部的傳感器數(shù)據(jù)，因此，10 s循環(huán)顯示風(fēng)速、溫濕度、降雨量與河流深度、河流流速兩組數(shù)據(jù)。

2.4數(shù)據(jù)傳輸與接收子程序設(shè)計(jì)

通過WiFi連接至機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)平臺云端后，數(shù)據(jù)傳輸與接收子程序可以將本地?cái)?shù)據(jù)上傳至云端或接收云端發(fā)送的數(shù)據(jù)。主控模塊通過ESP8266-01S通信模塊將傳感器采集且處理好的數(shù)據(jù)按照GAgent串口協(xié)議發(fā)送至機(jī)智云平臺云端。同時，該模塊將云端發(fā)送的數(shù)據(jù)根據(jù)平臺定義的數(shù)據(jù)點(diǎn)生成相應(yīng)數(shù)據(jù)，交由主控模塊完成后續(xù)程序運(yùn)行。

PART 03WiFi通信模塊固件

2.5.1 GAgent固件

多元?dú)庀笮畔⒉杉到y(tǒng)使用機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)平臺作為云端，因此需在ESP8266-01S通信模塊中燒錄機(jī)智云公司研發(fā)的GAgent固件，其集成了連接機(jī)智云平臺所需的通信協(xié)議，可以實(shí)現(xiàn)手機(jī)APP到多元?dú)庀笮畔⒉杉镜碾p向數(shù)據(jù)通信使用該固件將多元?dú)庀笮畔⒉杉窘尤霗C(jī)智云平臺云端需經(jīng)過設(shè)備上電、設(shè)備配置入網(wǎng)、設(shè)備綁定及數(shù)據(jù)上報(bào)與下發(fā)過程。

設(shè)備配置入網(wǎng)指基于WiFi將設(shè)備接入路由器的過程，先通過手機(jī)APP將路由器的名稱與密碼發(fā)送給通信模塊，通信模塊再使用收到的名稱與密碼。連接路由器，連接成功后會告知手機(jī)APP。

固件移植

待燒錄GAgent固件前，需要在機(jī)智云官網(wǎng)下載對應(yīng)版本的固件。由于系統(tǒng)使用的通信模塊為深圳市安信可科技有限公司生產(chǎn)的ESP8266-01S模塊，因此，需下載官網(wǎng)提供的GAgent for ESP8266(04020034）固件包。系統(tǒng)選擇使用CH340模塊進(jìn)行燒錄操作，其連接方式如表2所示。

機(jī)智云平臺

2.6.1機(jī)智云云端服務(wù)器的搭建

首先，注冊賬號。注冊機(jī)智云開發(fā)者賬號，注冊完成后即可進(jìn)入開發(fā)者中心。其次，創(chuàng)建新產(chǎn)品。在開發(fā)者中心頁面點(diǎn)擊創(chuàng)建產(chǎn)品按鈕，填入相關(guān)信息后完成江河流域氣象監(jiān)測產(chǎn)品的創(chuàng)建。最后，創(chuàng)建數(shù)據(jù)點(diǎn)。數(shù)據(jù)點(diǎn)用于描述產(chǎn)品的功能與參數(shù)，是連接手機(jī)APP、機(jī)智云平臺云端、多元?dú)庀笮畔⒉杉镜臉蛄骸Ｈ咧g需遵循設(shè)置的數(shù)據(jù)點(diǎn)協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

APP開發(fā)

手機(jī)APP江河流域氣象監(jiān)測使用機(jī)智云官方提供的設(shè)備接入Android平臺原生軟件開發(fā)工具包（software development kit,SDK），該SDK封裝了手機(jī)與機(jī)智云智能硬件，以及手機(jī)與云端的通信過程，這些過程包括配置入網(wǎng)、發(fā)現(xiàn)、連接、控制等。

從機(jī)智云官網(wǎng)下載WiFi/移動通信產(chǎn)品SDK for Android，將jar包導(dǎo)入Android Studio作為庫文件，并添加so文件。

APP登錄

先對AndroidManifest.xml文件進(jìn)行配置和權(quán)限設(shè)置，再注冊SDK通用監(jiān)聽器。該通用監(jiān)聽器能讓手機(jī)APP收到來自GizWifiSDK類回調(diào)接口的響應(yīng)事件，包括注冊、登錄、配置設(shè)備、綁定設(shè)備等。

然后使用在機(jī)智云官網(wǎng)為手機(jī)APP申請的Android APP ID調(diào)用startWithAPPID（）方法，完成SDK的初始化。SDK可提供多種用戶登錄與注冊方式，本系統(tǒng)采用了手機(jī)和郵箱兩種登錄與注冊方式。

配置設(shè)備

當(dāng)用戶選擇添加設(shè)備選項(xiàng)時，SDK會設(shè)置一個通用監(jiān)聽器。該過程會調(diào)用設(shè)備入網(wǎng)程序。要完成設(shè)備入網(wǎng)操作需ESP8266-01S模塊進(jìn)入AirLink配網(wǎng)模式，接著用戶在輸入框中輸入當(dāng)前手機(jī)WiFi的服務(wù)集標(biāo)識（service set identifier,SSID）和密碼，然后SDK會以SSID、密碼及連接超時時間為參數(shù)，調(diào)用setDeviceOnboardingDeploy（）方法進(jìn)行用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（user datagram protocol,UDP）廣播，當(dāng)通信模塊收到廣播包后會自動連接目標(biāo)路由器。如果通信模塊成功連接路由器，會發(fā)出配置成功廣播，通知手機(jī)配置完成。

2.6.5設(shè)備的發(fā)現(xiàn)與訂閱

手機(jī)APP設(shè)置監(jiān)聽并啟動SDK后，即可接收設(shè)備列表推送。局域網(wǎng)設(shè)備或綁定設(shè)備變化時，SDK主動更新設(shè)備列表，手機(jī)APP通過getDeviceList（）刷新用戶界面（user interface,UI）。收到設(shè)備列表后，手機(jī)APP可調(diào)用setSubscribe(true）實(shí)現(xiàn)設(shè)備訂閱，完成自動綁定與登錄。

2.6.6 APP獲得數(shù)據(jù)及報(bào)警信息

設(shè)備在線時，APP通過didReceiveData（）從云端獲取JSON格式的數(shù)據(jù)，存儲于dataMap字典，并解析得到對應(yīng)變量。使用handler機(jī)制更新UI，保持界面實(shí)時刷新。

UI分為3個部分：第一部分顯示環(huán)境要素（只讀），第二部分顯示報(bào)警信息（布爾值，以圖片形式顯示溫度、濕度、風(fēng)速、降雨量、水深、水流速報(bào)警），第三部分顯示閾值設(shè)定（可寫，數(shù)值型數(shù)據(jù)）。點(diǎn)擊任一閾值可彈出設(shè)定界面，設(shè)置后刷新顯示。

PART 04系統(tǒng)程序運(yùn)行

程序移植到硬件平臺后，多元?dú)庀笮畔⒉杉灸軐?shí)時采集并上傳風(fēng)速、溫濕度、降雨量等數(shù)據(jù)。通過手機(jī)APP可查看上述數(shù)據(jù)、設(shè)置報(bào)警閾值。當(dāng)數(shù)據(jù)超過閾值時，系統(tǒng)會提交報(bào)警信息。設(shè)備上電后，其在APP列表中的狀態(tài)由離線轉(zhuǎn)為在線，點(diǎn)擊設(shè)備即可瀏覽環(huán)境信息。將溫度閾值從26.1℃調(diào)至23℃，APP界面的溫度報(bào)警信息會從CLOSE變?yōu)镺PEN。

PART 05結(jié)語

通過采取上述技術(shù)，基于STM32主控模塊構(gòu)建的多元?dú)庀笮畔⒉杉到y(tǒng)與智能預(yù)警模型，實(shí)現(xiàn)了高精度數(shù)據(jù)的同步采集與實(shí)時預(yù)警。工程實(shí)踐表明，采用該系統(tǒng)后，災(zāi)害預(yù)警響應(yīng)時間縮短至3s，數(shù)據(jù)傳輸效率提升40%。