气象在线监测系统

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大气监测分析报告

1引言

    气象站是一种集气象数据的采集、存储、传输和管理于一体的无人值守的气象采集系统, 在电子设备或计算机控制下自动进行气象观测和资料的收集传输  小型自动气象站主要观 测气压、气 温、相对湿度、风向、风速等基本气象要素, 也可根据需求增加测量要素,如光照、雨量等。 小型自动气象站具有成本 、功耗低、安装方便等优势 ,既适用于气象、海洋、 机场、 港口  城市以及工业/农业区环境监测 ,也适合学校和科研机构等使用  应用十分广泛

1.1编写目的

    本文档主要是对项目<<小型气象站>>的功能实现进行可行性分析,小型气象站需要测量的物理量有:风速,风向,温度,湿度,光照强度,雨量,大气压强,共七个物理量。本文将对这七个物理量的功能实现进行初步评估。作为ID工程师,结构工程师,硬件工程师,软件工程师的切入点。

 

1.2项目背景:

    随着社会进步,人们对周围气象信息的准确性和实时性提出了更高的要求,由于市场上的自动气象站大部分用机械式方案,存在磨损隐患,因而设计了基于嵌入式的小型自动气象站。

基于光学和声学原理,精度高而且维护方便。

1.3 技术要求

物理量

单位

量程

精度

风速

m/s

0~30m/s

0.1m/s 启动风力0.4

风向

360

16方位

温度

摄氏度

-40~85

+/- 0.1

湿度

%RH

0~100

+/- 0.1

大气压强

hPa

300~1100hPa

+/- 1hPa

光强

lx

1 - 65535 lx

+/- 0.11 lx

雨量

mm/cm

6553.5

+/- 0.01

 

 

 

 

 

2.功能实现方案评估

2.1 风速测量.

常见的风速传感器有以下几种:

(1) 机械风杯式风速风向传感器。测风速的转轴和测风向的转轴都有一定的摩擦,随着时间的推移会影响到测量精度,价格便宜。

(2) 超声波风速风向传感器。利用无风和有风时超声波在空气中传播速度的不同来测出风速,其精度高,同时可以测量风向,但价格昂贵。

(3) 热电式风速风向传感。通过检测风流动时带走的热量多少来检测电阻的变化,从而得出风速。工作时需要加热,功耗大,需要标定。

 

   img1   img2    img3

          1机械风杯             2超声波式             3热电式

 

考虑到后期维护问题,用超声波式测量风速比较实用。但超声波式测量风速技术要求高,目前没有技术基础,需要做技术研究开发。

 

超声波测量风速原理如下:

img4

2.2 风向测量

常见的风向传感器有

(1) 尾翼式风向传感。和风杯机械式风速传感器一样,有机械转动部件,长期使用有机械磨损部件。价格便宜。

(2) 超声波风向传感器。和风速传感器一样,无机械部件,精度高,价格高。

         img5         img6

               4 尾翼式                   5超声波式

 

 

2.3 温度测量

(1) pt100温度传感器。电阻式湿度传感器,耐高温,精度低,主要用于高温环境。

(2)芯片式数字温湿度传感器。如SHT系列,I2C接口,精度高,适用于低温环境。

 

        img7       img8

                             6铂电阻温度传感器                 7数字式温湿度传感器

大气环境温度通常不会高于100度,所以用数字式温湿度传感器比较合适。

 

2.4 湿度测量。

2.3所示,用数字式温湿度传感器。

 

2.5 光照强度测量

(1) 光敏电阻传感器。需要外部电路,校准,价格便宜。

(2) 数字式光照强度传感器。如BH1750,I2C接口,数字量输出,无需要校准。价格合适。

      img9      img10

                                8光敏电阻                        9数字式光强传感器

 

 

2.6 雨量测量

(1) 翻斗式雨量传感。翻斗式雨量计是由感应器及信号记录器组成的遥测雨量仪器,感

应器由承水器、上翻斗、计量翻斗、计数翻斗、干簧开关等构成;记录器由计数器、录笔、自记钟、控制线路板等构成。

 

(2) 红外光电雨量传感器。发光二极管发出的光经过透镜系统调整后,成平行光状态照射到挡风玻璃上;当玻璃干燥时、光线将发生全反射,并经过透镜系统成平行光状态被接收器件接收,输出最大值100%;当玻璃上有雨水、雨滴时,由于折射率改变,光线将不能发生全反射,而是视水滴面积大小发生部分反射,此时接收管只收到部分信号,按照百分率比值能够计算出雨量大小。

              img11        img12

             10翻斗式雨量计               11光电式雨量计

 

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12光电雨量计原理

光学雨量计简单实用,维护方便,但技术要求高,目前没有这项技术基础,需要做技术开发。

2.7大气压强测量

(1)数字式气压传感器,如BME280I2C接口。

img14

10大气压力传感器

3. 设备应用环境及气体传感器量程选择及价格

 

C:\Users\Administrator\AppData\Local\Temp\1573046562(1).jpg                  img16

野外景区

img17工业废气现场

img18

4.小结

本报告主要根据气象参数风速,风向,温度,湿度,光照强度,雨量,大气压强进行硬软件可行性进行分析,主要难度在于超声波和红外光处理部分,预计能实现。现市面上也有部分自动气象站产品,大部分都是用机械式结构。人的生活水平在提高,技术在进步,如果能用光学等先进的技术产品替换现有产,将有更广阔的市场。

 

5.文献

<<超声波风速风向仪设计>> https://wenku.baidu.com/view/68184957640e52ea551810a6f524ccbff121caf3.html

 

<<雨量传感器的种类和原理介绍>> https://www.xianjichina.com/news/details_41037.html

 

2021年4月23日 17:25
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