基于Arduino的微型气象站原型设计与实现
摘要：本文研究和实现了一种基于Arduino的微型气象站的原型。与传统的气象站不同，微型气象站具备灵活性、低功耗、多应用、微型化等特点，在集成电路、传感器与物联网飞速发展的时代，微型气象站成为了一种发展趋势。本文研究的微型气象站原型采用Arduino微控制器作为主控制单元，配合OLED显示屏以及各传感器组成的气象环境采集模块共同完成，同时配合蓝牙模块进行数据传输至手机端，方便用户查看数据。
关键词：物联网; Arduino; 气象; 环境; 传感器
Design of Intelligent Monitoring System for College Dormitory
Abstract: This paper studies and implements a prototype of Micro Weather Station Based on Arduino. Different from the traditional weather station, micro weather station has the characteristics of flexibility, low power consumption, multi application and miniaturization. In the era of rapid development of integrated circuits, sensors and Internet of things, micro weather station has become a development trend. The prototype of the micro weather station studied in this paper uses Arduino microcontroller as the main control unit, cooperate with the meteorological environment acquisition module composed of OLED display and sensors, and cooperate with the Bluetooth module for data transmission to the mobile phone, which is convenient for users to view the data.
Keywords: IOT; Arduino; meteorological; environment; sensor
目录
第一章 绪论 3
1.1 研究意义 3
1.2 自动化气象站研究现状 3
1.3 应用前景 4
1.4 设计系统概述 4
1.5 课题的研究思路及论文章节安排 4
第二章 总体方案设计 6
2.1 设计思路 6
2.2 方案选择 6
第三章 系统的硬件模块设计 9
3.1 主控制器模块 9
3.2 温湿度传感器模块 11
3.3 气压传感器模块 12
3.4 显示模块 13
第四章 系统的软件模块设计 15
4.1主程序流程图 15
4.2显示模块子程序流程图 16
4.3传感数据采集模块子程序流程图 16
第五章 系统仿真与调试 18
5.1系统仿真原理图搭建 18
5.2 程序调试 19
5.2.1显示模块程序调试 19
5.2.2 蓝牙数据传输程序调试 19
第六章 总结与展望 20
参考文献 21
致谢 22
附录: 微型气象站控制程序 23
第一章 绪论
1.1 研究意义
气象，是人类生存环境中接触最多的东西，与人类的生产生活息息相关。随着工业的不断发展，人类对资源的不断开采利用，在工业化进程不断加快的同时，所处环境的气象条件也越发恶劣。近年来极端天气与严重自然灾害频发，台风、沙尘暴、暴风雪、大雾、洪涝以及干旱等气象灾害在严重影响人类的生产生活发展以及国家的经济建设与可持续性发展。
我国的气象灾害种类总计达20余种，其中洪水、低温冻害、干旱等气象灾害对人们的生产生活产生极大的危害，尤其是在农业方面首当其冲。据统计，由于各种气象灾害导致的粮食损失占所有自然灾害导致的粮食损失的97%，气象灾害造成的农业损失年均值达3235亿人民币，直接经济损失占经济总损失的76%，占国民生产总值（GDP）的3%-6%[1]。
由此可见气象在决定着我们的生活质量以及社会的发展速度，对气象的研究是保证人民生产生活、社会经济稳步增长的重要前提，因此气象站这一专门用于研究气象数据的存在就此诞生。随着科技的不断进步，以及各项传感器以及物联网技术的飞速发展，气象站的发展方向逐渐趋向于微型化、智能化、灵活化以及模块化，因此建立起微型气象站，使得气象数据采集节点能够实现地毯式分部，这样能够使得气象数据的获取更加具有准确性，为气象研究与预测提供更多可靠信息。
1.2 自动化气象站研究现状
对于自动化气象数据采集系统的研究早在上世纪五十年代末就已经开始。美国与前苏联在当时便已经开始了对第一代自动气象站的研究。但是由于当时的科技水平较低，集成电路与嵌入式技术并未发达，因此第一代自动化气象站的设置极为简陋，结构简单所检测的内容也相当少。并且难以在恶劣的环境中保证正常工作，对数据的传输以及保存也都有很大的限制条件
但是随着技术的不断发展，集成电路技术以及微电子技术的快速发展，到了上世纪90年代，第三代自动化气象研究在集成电路技术以及嵌入书技术的支持下得以产生。在模块化的建立下，第三代自动化气象站拥有比较完善的系统，包括数据采集、数据存储以及数据传输方面都有飞速提升。例如芬兰建成的自动化气象监测系统（MILOS）、法国的基于基本站网的自动化气象监测系统（MISTRAL）等[2]，这些技术到目前都仍还在使用。
1.3 应用前景
气象是人类保证生存以及经济发展的主要因素之一，能够掌握范围内的气象数据变化规律以及气象分布规律就可以利用各种气象条件来采用合适的应对方式来解决各种气象带来的灾害事件，甚至可以利用气象，来完成一些地区的经济结构改善以及经济发展，例如新疆的气候条件就适合瓜果种植以及棉花的种植。以此的因地制宜，可以使得国家的经济增长稳步提升，同时保证了可持续发展。
但是现在较为成熟的气象站仍是较为传统的气象站，覆盖范围以及气象数据的采集范围都拥有一定局限性，数据采集的不够全面，因此微型气象站的设计与出现可以弥补这些不足，通过微型气象站的辅助数据收集，实现地踏式的分布，则可以将更多的数据传输给主气象站用于分析以及保存，使得数据更具有普遍性以及更加准确，为中国的气象事业发展做出贡献。
并且，随着物联网技术、微电子技术的飞速发展，气象站自动化、微型化、模块化、智能化的发展才是主流趋势，因此，我国需要抓经对新一代的自动化气象站的研究，保证走在世界的前列。
1.4 设计系统概述
本智能监测系统有如下功能：
（1）实时采集环境内气象数据，如温湿度、空气质量、气压数据、光照强度等。
（2）实时显示环境内的气象数据
（3）完成数据保存以及数据传输至其他终端显示。
本智能监测系统的组成部分：
（1）控制部分
（2）显示部分
（3）传感器部分
（4）电源部分
1.5 课题的研究思路及论文章节安排
首先，仔细阅读本课题设计的任务书，明确所要实现的要求。按照要求开始规划系统的大体框架，包括所需要的硬件组成部分有哪些，以及软件部分如何实现功能等。
然后，在规划结束后开始对完成系统所需要的理论知识进行学习，以及对完成本次系统设计所需要的开发软件以及辅助工具的使用进行熟悉，积累操作经验，保证在实现系统功能的时候不会因为软件的原因出现错误。
在进行完成对应理论知识补充和软件使用积累后，开始对系统所需要的硬件进行选型，比如主控制器、温湿度传感器、数模转换芯片、显示模块等，我们需要根据系统的功能需求进行元器件信号的选择。在确定所需要的元器件的型号后，需要去寻找元器件的手册进行阅读，对元器件的使用方法以及一些重要的参数设置进行了解，防止因为操作不当或者使用错误造成元器件损坏。
最后，进行程序编写，按照所需要的功能先进行各部分的功能程序编写，确保各部分功能可以独立稳定运行。在完成各部分功能的程序开发后，将编写完成的各功能程序进行整合，使得各个模块可以实现协同完成，让系统进行运作起来。利用仿真软件，将系统的电路进行仿真，同时将编写好的程序代码烧录进仿真软件中，通过仿真环境检测系统是否正常运行。最终完成任务书所提要求，完成系统设计。
参考文献
[1]气象灾害对农业生产影响的研究[D].东北农业大学,2018.
[2]设施农业区自动气象站数据采集系统设计与实现[D].长安大学,2017.
[3]郁一波,陈锐,赵紫权,唐武宾,张林鹏,孟祥兴,王丹.基于单片机的实现远程控制的智能除湿衣柜[J].工业控制计算机,2018:149+161.
[4]蒋桢滢,陈立娴,游铭娴,卓燕芬.基于WiFi通讯的无线智能家居系统设计[J].福建农机,2019(02):37-39.
[5]刘爱荣.多通道温-湿度循环监测仪[J].河南科学,2006(06):892-895.
[6]王丽娟,王艳.基于DS18B20的多通道温度测试仪[J].制造业自动化,2013,35(02):123-127.
[7]顾春禄,贾姝娟,刘茹敏.基于单片机的数字温度计设计[J].科协论坛(下半月),2010(12):84-85.
[8]周建春. 基于单片机和PC串口通信的温度采集系统设计[D].苏州大学,2010.
[9]钟伟雄.一种简单方法实现自动浇花控制[J].福建电脑,2011,27(06):157-158+192.
[10]苗春壮. 消防机器人控制系统研究[D].中北大学,2019.
何宗泰.基于ATMEGA328P芯片的矿洞救援车与新型避障算法设计[J].工业控制计算机,2019,32(04):138-139+143.
