基于STM32的微型气象站设计

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自动气象站被广泛应用于农业、环保监测、应急管理、交通行业及科研与教育等多个领域，在评估气候变化、预测异常天气、气象研究等方面具有重要实用价值。然而，国内现有地面自动气象站通常存在监测系统体积庞大、系统功耗大、建站成本高的不足，并且多采用GPRS技术将采集到的气象数据远程传输到中心站，不仅实时性差、易丢包，且伴随2G移动通信网络全面停运，此方式已无法满足微型气象站系统运营需求。因此，本文结合窄带通信技术和STM32微控制器，设计了一种微型自动气象站系统，采用雨量、风速、风向、温度、湿度、大气压力传感器采集六种常用气象数据，经以STM32F103微控制器为核心的数据采集板对传感器数据进行处理后，通过移远BC260Y NB-IoT模组将气象数据上传到阿里云平台。本系统具有建站成本低，且数据传输稳定的优点。

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1 系统整体设计

本文设计的微型气象站，通过STM32控制外接的温度、相对湿度、大气压力、降雨量、风速、风向传感器，采集气象数据，并在数据解析和处理后，利用NB-IoT通信模组，将采集到的气象数据上传至阿里云物联网平台。微型气象站系统的整体功能如图1所示，分为温度监测、湿度监测、风速监测、风向监测、气压监测、雨量监测、STM32主控、通信模块及云平台等9个模块。

2 系统硬件设计

下面按照总体设计的功能模块进行系统硬件设计。首先，本设计采用正点原子出品的ALIENTEK精英STM32F103开发板作为主控板，主控板以STM32F103ZET6芯片作为主控制器；选用博世公司生产的BME280温度、湿度、气压一体MEMS传感器进行气压监测、温度监测和相对湿度监测；选用型号SN-3000-FXJT的聚碳风向变送器作为风向测量模块；选用型号为ZTS-3000-FSJT的聚碳风速传感器作为风速测量模块；选用型号为SM7005B的双通道红外光学雨量传感器作为雨量检测模块；选用BC260Y-CN模块作为通信模块。风向测量模块、风速测量模块和雨量检测模块与主控板在物理层上以RS485形式连接，这三个传感器均以Modbus RTU协议与主控通信；BME280传感器以I²C总线方式与主控板连接；BC260Y-CN模组以UART接口与主控板连接。

各传感器与主控板连接如图2所示，其中，风速传感器、风向传感器和雨量传感器均通过RS485芯片连接到STM32F103ZET6芯片的PA2和PA3引脚（即主控的UART2），主控与传感器依Modbus RTU协议通信；温湿度气压传感器的SCL和SDA分别接入STM32F103ZET6芯片PB6和PB7引脚；NB-IoT模组的TX、RX分别接入STM32F103ZET6芯片的PB10、PB11（即主控的UART3）。电源方面，本系统采用3节18650电池串联为整个系统供电，其中主控板输入电压为直流电压9伏到12伏；风速、风向和雨量传感器供电电压均为直流电压9伏到12伏。NB-IoT模块供电电压为直流5伏，由12伏转5伏直流电压转换器供电；BME280温湿度、大气压力传感器模块供电电压为直流3.3伏，由主控板3.3伏直流电源供电。

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3 系统软件设计

图3为主程序流程图，系统软件主流程中，先进行系统的初始化，包括引脚初始化，然后进入系统的主循环。在主循环中，先采集风速、风向、雨量三个Modbus协议传感器数据；随后，采集IIC总线上的BME280温湿度、大气压力传感器数据；完成数据采集之后，通过串口3将数据传送给NB-IoT通信模组BC260Y，由BC260Y模组上传到阿里云物联网平台；至此，完成了一次气象数据采集与上报流程，程序循环到Modbus协议传感器数据采集模块，开始下一次气象数据采集与上报。

（图4 为挂载在Modbus总线上的传感器数据采集流程图。在初始化UART2后，发送读取传感器数据指令，随后等待传感器发回的数据，在解析返回数据后，完成了一次传感器数据读取。为提高数据精度，程序中连续读取10次传感器数据，并对10个传感器数据进行冒泡排序，在去掉最大值和最小值后，求取均值作为一次数据采集的结果。）

（图5 为挂载在IIC总线上的BME280温湿度、大气压力传感器数据采集流程图。在STM32微控制器初始化IIC模块后，发送读取传感器数据指令给BME280温湿度、大气压力传感器，随后等待BME280传感器返回温度、湿度和大气压力数据，完成一次传感器数据读取。与Modbus总线上的传感器数据采集类似，为提高温度、湿度和大气压力数据精度，程序中连续读取10次传感器数据，并对10个传感器数据进行冒泡排序，在去掉最大值和最小值后，求取均值作为一次数据采集的结果。）

（图6 为NB-IoT模组数据上报流程图。在初始化UART3端口后，先将待发送的传感器数据转存到UART3发送数组中，随后使用AT指令，控制BC260Y模组将UART3发送数组中的数据上报至阿里云物联网平台。到这里，微型气象站系统完成了一次气象数据采集与上报工作。）

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4 测试结果

为了测试所设计的气象站系统的效果，将所有的硬件连接如图7所示。图中1号方框内为风速传感器，2号方框内为风向传感器，3号方框内为雨量传感器，4号方框内为3节18650锂电池，5号方框内为定制的直流12伏转5伏模块和BC260Y模块以及BME280模块线路板，6号方框内为ALIENTEK精英STM32F103主控板。

硬件上电后，所有的传感器开始工作，PC端串口助手显示需要测量的所有数据，如图8所示。图8展示的测试结果表明，所设计的微型自动气象站系统运行成功，完成了对气象数据的采集与上报。

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5 结论

本文结合NB-IoT技术与Contex-M3内核的STM32微控制器芯片，设计了可以采集温度、湿度、风速、风向、气压及雨量的自动气象站，并利用移远通信公司的BC260Y通信模组将所采集气象数据上传到了阿里云物联网平台。测试表明，该系统具有实时性好、运行可靠的优点，为未来自动气象站建设提供了新的思路。

参考文献：

[1]楚天鹏,肖元秀,胡佳美.基于STM32的微型气象站设计[J].价值工程,2026,45(8):163-165.

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