基于NB-IoT技术的小型自动气象站监测系统设计

第48卷第6期

2020年12月

气象科技

METEOROLOGICAL SCIENCE AND TECHNOLOGY

Vol

. 48,

No

. 6

Dec

. 2020

基于

NB

-

I

〇

T

技术的小型自动气象站监测系统设计

张李元

1

左少华

2

’

3

江锦春〃

(1华东师范大学通信与电子工程学院.上海200241; 2华东师范大学物理与电子科学学院，上海200241;

3华东师范大学物理与电子科学学院纳光电集成与先进装备教育部工程研究中心•上海200062)

摘要针对传统气象站通信组网技术复杂度高、建站成本高、时效性差、功耗高等缺点.设计了一种基于

NB-I〇T

技

术的小型自动气象站监测系统.该系统主要由气象传感设备、单站控制器及物联网云平台组成。该系统以低功耗

Corter-M3

内核的

STM32L152

微控制芯片为硬件核心，依托气象传感器设备，实现气象要素数据的采集和处理；

利用

NB

-

loT

技术实现气象站和云端服务器之间的数据传输；利用

RESTful

API

和

MySQL

技术.实现用户交互、

远程终端控制、数据存储、数据显示、数据分析、数据查询等功能。测试结果表明，该系统建站简单、功耗低、数据传

输稳定，可实现对气象要素的远程实时监测。

关键词

NB

-

IoT

;小型自动气象站；

STM

32

U

52;物联网云平台

中图分类号：

P

409，

TN

929.5，

TP

274.2 1)01： 10. 19517/

j

. 1671-6345. 20190327 文献标识码：

A

引言

随着社会的发展，我们对获取气象信息的准确

度和实时性要求越来越高。但是，我国大多数地面

气象站监测系统庞大，系统功耗大，使得传统气象站

的建站成本高，不宜大规模建站1]。传统气象数据

传输多采用GPRS技术，不仅实时性差，易丢包，而

且资费运营成本高L2_3。随着物联网技术的发展，

出现了基于Zigbee技术或LoRa技术的自动气象站

监测系统，其中ZigBee组网需要协调器和路由器，

ZigBee技术通信传输距离较短，不适合长距离传输

场景[4]。L〇Ra技术独立建网无需运营商蜂窝基

站，在郊区或空旷地方传输距离可达几十公里.但是

在城内其传输距离只有几公里，所以适合在郊区或

者空旷的地方部署基于LoRa技术的自动气象站监

测系统UH；]。而在楼宇林立的城区.如何安全稳定

地采集并远距离传输气象数据是当下值得思考的

问题。

随着微机电系统技术、传感器技术、无线通信技

术的进步，物联网得到了极大地普及应用171。物联

网的主要用例之一是智能家居和消费类设备应用，

通常需要较小的数据量1:: 1

。

LPW AN (低功率广域

网）是一种低功耗广域网.专为低带宽，低功耗，长距

离和大规模连接的物联网应用而设计。L P W A N

可以使用未许可频谱，也可使用2G/3G/4G蜂窝许

可资源。在技术中，由第3代合作伙伴计

戈ij (3GPP)标准组织提出的NB-I〇T已被广泛认为

是最有前途的LPWAN技术之一。它源于华为公

司2014年提出的NB-M2M研究项目应用，并于

2016年冻结在3GPP规范的第13版⑴

。

NB-IoT

是一种低功率广域无线协议，具有低成本、低功耗、

广覆盖和接人量大的优点，甚至在地下车库、地下

室、地下管道等信号难以到达的地方也能覆盖到。

这为连接需要少量数据的设备提供了一种新的通信

方式™。这些优势使NB-I〇T非常适用于智能停

车，智能抄表，智能监控.物流跟踪，智能农业和其他

物联网场景。NB-I〇T的出现为快速实时远程采集

气象数据扫清了道路。

本文提出了一种能实现远程气象数据监测的小

型自动气象站系统，本系统采用高性能Contex-M3

内核的stm321152作为微控制处理芯片，拓展外

围电路配合气象传感器实现风向、风速、温湿度、光

http: / ,’www. qxkj. net. cn

气象科技

上海张江国家自主创新示范区专项发展资金项

LI (201705-MH-CHJ-C1086-009)

资助

作者简介：张李元，男，

1993

年生

•

硕士在读，主要从事集成电路研究「

.

作，

Ermil:freddk>more@163. com

收稿

H

期：

2019

年

7

月

15 H ;

定稿

H

期：

2020

年

6

月

23

日

第

fi

期张李元等：基于

NIHoT

技术的小塑

ft

动气象站监测系统设计

817

照度、I3M2. PMW的气象要素的实时采集和处理，

利用NB-IoT技术实现系统数据的稳定传输。在电

源方面.只需接市电220 V即可全天候T.作，操作简

单。小型自动气象站系统具有灵活性高，功耗低.建

站成本低.信号传输稳定等优点。

1系统总体结构设计

本文气象站系统由前端控制设备层获取、处理

数据.再经传输层发送数据至云平台，最后通过

WEB贞面显示用户所需数据。该系统硬件主要由

气象要素采集节点、单站控制器组成。气象要素采

集节点可采集风速、风向、温湿度、光照度、PM,.-、

PMj，共7项气象要素。单站控制器通过RS185接

口与气象要素采集单元相连接，具有采集节点的控

制、采集数据的处理、数据包的上传、云端控制指令

数据的接收等功能。本系统设计开发了物联网管理

平台 -SCPV_IoTCloud。SCI)V_IoTCloud 平台

具有用户交互、远程终端控制、数据存储、数据敁示、

数据分析、数据查询等功能。本系统设计总体架构

图如图1所示。

用户层

U

J i

SCPV IoTCloud

A

y Server

云平台 _

taB K

传输层

((!〇)

/A

X

—

单站控制器

騙

前端控制

设备M ^

♦

f

气象要素

采集节点

图1

fl

动气象站系统总休架构

2系统硬件设计

2. 1气象要素采集节点设计

气象要素采集节点硬件包括4部分：百叶盒传

感设备、风速传感器、风向传感器、数据变送器。

本系统采用型号为RS BYH-M的多要素百叶

盒设备，百叶盒设备外形如下阁2a所示。该百叶盒

将PM:、_，和PM传感器、温湿度传感器、光照度传

感器集中安装在盒内，同时采集温湿度、PM2.5/

PMr、光照度共5项气象要素。百叶盒设备采用标

准MODBUS-KTU通信协议，RS485信号输出。风

速传感器采用型号为华控HS-FS01的风速仪，其外

观如下图21)所示。该风速传感器为三杯式外观设计

可实现360°风速测量，支持丨4速范围为〇〜30 m/ s,

风速分辨精度为0.2 m/s。风向传感器采用型号为

华控HS-FX01的风向仪.其外观如下图2c所示。

该风向传感器将风向分为16个方位，风向范围是

0°〜360°,风向分辨精度为±3°。

丨冬丨2百叶盒传感设备（

a

) •风速传感器（

b

),风向传感器（c)

数据变送器分别通过3个航插与百叶盒、风速

仪、风向仪连接，一方面为百叶盒、风速仪、风向仪供

电.同时将传感器输出的模拟S转化为统一标准通

信协议的RS485电平。数据变送仪引出-组DC12

〜24 V的电源线和一组标号为A和B的RS485通

信信号线。电源线与电源单元连接，RS485通信信

号线A和B与主控单元相连。气象要素采集节点

各设备连接示意如图3所示。

图3采集节点设备连接示意

818

气 象

2.2单站控制器设计

单站控制器与气象要素采集节点相连.为气象

要素采集节点设备提供12 V(I)C)供电.同时将气

象要素采集节点采集的数据进行解析处理再将数据

按照指定(4定义协议打包发送至云平台。该单站控

制器包括电源单元、主控单元、RS485接口单元、

NB-I〇T传输单元。单站控制器各单元连接框图如

图4所示。实物图如图5所示。

图4单站控制器单元

图5控制器正面

U

)与背面（

b

)

电源单元将市电220 V的交流电转化为12 V、

5¥、3.8乂和3.3¥的直流电。其中交流220 乂转

直流12 V部分通过变压器降压，再经过整流滤波得

到12 V直流电，12 V直流电为气象要素采集节点

供电。通过稳压芯片LM7805得到5 V直流电为

RS485接U单元供电。通过同步降压DC-DC电源

转换芯片MP1482为NB-I〇T传输单元提供3. 8 V

直流供电。通过稳压芯片ASM1117为主控单元提

供3. 3 V直流供电。考虑到设计要求和低功耗需

求，主控单元采用ST公司基于Corter-M3内核32

位STM32L152R8芯片作为主控核心。其资源丰

富，主频可达32 MHz,具有64KB的FLASH和

32 KB的RAM、8个16位定时器、5路串口、高达

21路的12位ADC转换单元、2路SP1和2路I2C

等，满足设计要求1£1:。以STM32L152R8芯片为核

心的主控单元负责为其他各个单元提供接口，实现

对各个单元的驱动和数据的处理，主控单元核心电

路如图6a所示。RS485接口单元采用MAX485芯

片、半双丁通信方式、完成TTL电平和RS485电平

科技

第48卷

之间的转化。该单元连接气象要素采集节点和主控

单元，实现主控芯片对气象要素采集节点的指令控

制和数据采集，其电路如图6b所示。NB-I〇T传输

单元采用稳恒公司WH-NB73-B5模块。该模块针

对电信的NB-IoT网络，内置电信SIM卡工作频段

为850 MHz,支持UDP/TC'P和CoAP通讯协议，

外接IPEX接头的4G全频天线.具有低功耗高覆盖

低成本等优点。该单元将主控单元处理后的数据通

过电信基站发送至云平台，该单元部分电路如图6c

所示。

图6控制器部分电路：（3>主控单元，

(

b

)

RS

485接口单元.（

r

)

NB

-

IoT

传输单元

3系统软件设计

3. 1数据采集协议设计

气象要素采集节点采用MODBUSRTU协议的命

令子集，使用读写寄存器命令(03)(06)。通信波特率为

9600，1个起始位，8个数据位，无校验位，1个停止位。

获取气象要素数据报文格式如表1所示」1:、

第6期

张李元等：基于

NB

-

I

〇

T

技术的小型自动气象站监测系统设计819

表1气象要素报文格式

数据报文格式（16进制数）

单站控制器

***********

B

CRCH

CRCL

发送数据报

01 03 16 00 00

TP

TP

HU

HU

00

00

LXH

LXH

采集节点

LXL

LXL

XX

XX

00 00

YY

YY

VE

VE

DI

DI

返回数据报

CRC'H

CRCL

注：

TPTP

为温度数据，高前低后

；HU HU

为湿

®

数据

.

高前低后

：LXH LXH

为

St

照度高位数据

.

卨前低后：

LXI- UXI.

为光照度低位数据

.

髙前低后

：XX

XX

为

PM2. 5

数据

.

高前低后

；YY YY

为

PM10

数据

.

高前低后

：VE VE

为风

速数据

.

高前低后；

DI

丨

)1

为风向数据

.

高前低后；

CRC'H

为校验码髙位

.C'RCL

为校验码低位。

3.2传输通信协议设计

本系统制定了可靠的I〇T云平台与气象站单站

控制器之间的

CoAP

通信协议，波特率为9600

b

/

s

。

通过将NB-IoT模块设置为

CoAP

透传模式，在该

模式下，只需要设置服务器地址和端口号.即可实现

设备通过NB-I〇T模块直接发送数据到指定的服务

器，模块也可以直接接收来自服务器的数据并将信

息转发至串口设备。数据传送过程中的协议转换模

块自动完成。

CoAP

模式下传输示意图如图7

所示[12]。

图7

C

'

oAP

透传模式传输示意

基于CoAP透传模式，为了数据传输的准确性、

可交互性、安全性，本系统自定义传输数据帧结构用

以规范系统通信时的传输数据格式。数据帧结构由

3部分组成，由左到右依次是帧开始符JSON数据

包、帧结束符。数据帧结构如图8所示。以’作

为帧开始符，以“MYM”作为帧结束符，JS()N数据

包的格式为r’n" : X，_'d" : [X，X，x…]}，当n的值为0

时表示此数据帧是云端下行控制数据帧.此时数组

只有两个值，d[0]代表气象站设备代号，d[l]代表

开始采集数据；当n的值为非零时表示单站控制器

上传的数据帧.此时上行的数据个数为n.数组共有

n个值，其中d[0]代表气象站设备代号，d[l]代表

数据采集是否正确，d[2]〜d[n — 1]代表各气象要

素数值。JS()N数据包格式说明见表2。

{*11

*：

X,

：

[ X, X, x« ] }

M

数据帧

JS

0

N

数据帧

—开始符—► -------数据包--------► M~结束符

图8自定义数据帧结构示意

表2

JSON

数据包格式说明

n

":9•"

d

":[1，

x

.

x

•

x

，

x

，

x

•

x

•

x

，

x

]}

单站控制器上传的数据帧.《!表示上传数据个数为9;

d

[〇]:气象站设备代号；

d

[

l

]:数据采集是否正确•0—数据未出现错误，1 一错误

行

数据；

数

d

[2]:温度；

据

d

[3]:湿度；

帧

d

[4]:光照；

d

[5]：

PM

2. 5；

d

[6]：

PM

10；

d

[7]:风速；

d

[8]:风向；

r

行

单站控制器下行的数据帧.

n

为0表示云端下行控制数

数

据帧：

据

d

[0]:气象站设备代号；

帧

d

[

l

]: 1—开始读取;

3.3单站控制器软件设计

单站控制器的软件设计包括主程序、串口 1中

断服务程序、串口 2中断服务程序。其中，主程序流

程图如图9a所示，系统上电后首先进行初始化操

作，包括STM32芯片的初始化以及NB-I〇T模块初

始化（设置电信频段、设置自动找网模式、设置为

CoAP透传模式、关闭PSM模式）；然后打开串口中

断；当N B-1 o T模块收到云端下行的命令数据时，将

命令数据发送到主控制单元的串口 1，串口 1中断

响应后，如图9b所示，设置标志位usartl_flag= 1 *

主程序判断接受的命令数据是否正确；如果下行命

令数据正确，单站控制器则作为主机发送指定数据

报至从机，定时等待从机返回数据，若从机返回数

据、串口 2中断响应后，如图9c所示.设置标志位

USart2Jlag=l，主程序对从机数据进行CRC校验

820

气

象

判断，校验正确则设置状态标志位为1，解析从机数

据，否则设置状态标志位为〇 ;包含状态标志位，生

成自定义数据.发送自定义数据包至NB-IoT模块，

清空响应的存储数组，设置usartl_flag = 0和us-

art2_flag = 0。

图9单站控制器软件流程：（

a

)主程序.

(

b

)串口 1中断服务程序.（

c

)串口 2中断服务程序

3.4

SCPVJoTCIoud

云平台设计

本系统设计开发了物联网管理平台：SCPV_

IoTCloud。SCPV_IoTCloud 平台支持 NB-IoT 模

块“WH-NB73”的接人。平台提供Web服务和

REST API服务，具有用户交互、远程终端控制、数

据存储、数据显示、数据分析、数据查洵等功能。该

平台通过“WH-NB73”模块厂商的API接口（“有

人云”）与模块通信，进而实现与终端各个硬件组件

的互联13]。用户通过访问SCPV_IoTCloud平台

Web服务器，在网页界面执行控制操作和数据访

科 技

第_18卷

问。RESTful API服务器部署MySQL数据库，提

供数据写人、读取、修改和删除操作的程序接口 13。

图10显示了 SC'PV_loTCloud云平台的通信

时序阁。首先，用户可以通过网址访问WEB页面，

完成注册和登录。用户可以选择需要获取的信息进

人相应页面，SCPV_I〇TCl〇ud平台会将用户的命令

发送给“有人云”平台，从中获取数据；“有人云’’平台

将所需要的数据软件开发包发送至SCPV_I〇T-

C'loud平台，平台将数据通过WEB页面呈现给用

户；同时.我们将St'PV_I〇Tn〇ud平台获取的数据

与REST API进行交互，并将数据存储在数据库

中。当用户希望再次查询历史记录时，可以直接通

过平台的数据库进行查询:131。

阁10

S

('

PV

_

IoT

('

loiid

平台通信时序

4 测试结果分析

4. 1

VVeh

交互界面

用户输人网址（SC'PV_k)TCl〇ud云平台网址）

后会先进人登录界面，如图11a所示。输人账户密

码登录后，会看到当前气象站观测点所部署的位置，

如图11丨）所示。只需点击观测节点，自动实现云平

台和单站控制器的连接。同时会每隔半小时更新显

示气象要素数值。气象要素敁示界面如图11c所示。

4.2 测试结果分析

为了测试所设计的气象站系统的效果.将该系

统安装在华东师范大学信息楼楼顶.系统安装环境

如图12所示。并在同一天每隔一小时进行数据采

集测试.测试结果是各种气象要素的数值，如图13

所示。同时连续测试一周，取每天下午两点的温度

值与国家气象局公布的数值进行对比，如图14所

示.进一步验证了本气象站系统具有梢度高.可靠性

第6期

张李元等：基于

N

B

-1

o

T

技术的小型自动气象站监测系统设计821

强等特点。而且系统整体功耗不大于7 W，建站简

单，成本较低。

置

1

图11登录界面（

a

)，气象站节点显示界面（

b

)和

气

象要素数据显示界面

（

C

)

图12气象站系统安装环境

5结论

由于我国大多数地面气象站监测系统庞大，系

统功耗大，使得传统气象站的建站成本高，不宜大规

模建站。然而基于GPRS技术、Zigbee技术或Lo-

Ra技术的自动气象站监测系统存在通信传输距离

较短，穿透和覆盖能力差，易受干扰.网络可靠性差，

2

1

5

•

9

3

2

1

9

0

&

7

5

2

9

o

9

6

•

2

0

5

.

5

a

1

9

4

/

9

1

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.

s

1

0

9

1

3

%/钯

9

2

9

癍

.

8

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8

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t

-

.

§

SS

8§§§§§§§§8§§§8§8§§§§§

了

•

曰

S

)

/

铟

式

8§§§§§§

S

§§§§§§§8§§§§8§§§

OOOOOOOOOO

—— —

o

8

o

(

o

7

曰

、62 62 62

k

o

)

6

/

o

2

H

o

5

d

A

"

4

H

d

3

.

0

C

§ § §

〇

〇〇

〇

〇

〇

〇

〇

〇

〇

〇

〇

〇

〇

〇

〇

〇

〇

〇

〇

〇

〇

〇

〇

〇

〇

〇

〇

〇

〇

〇

〇

〇

〇

〇

〇

〇

〇

〇

〇

〇

〇

O

o

—

o

C

o

M

〇 〇 〇

CI

3

卜

C

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—

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'

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^

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—

—

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〇

——

〇

—

〇

•

>〇

C

^3

—

c

C

n

v

J

jc

C

o

N

3

时刻

图13气象站监测气象数据：

U

)温度和湿度，（

b

)风向和风速，

(

C

)

光照度，（

d

)

PM

2.5 和

PM

10

+

气象站所测温度--中国气象局发布温度

30

29

29

28

27

P

26

/

2

5

篇

24

23

22

2

1

0C

1 2 3 4 5 6 7

数据组序号

图14 温度数值对比

822

气 象科技

第48卷

安全性差.传输易丢包、资费运营成本高等问题•本

文提出了一种能实现远程气象数据监测的系统方

案.将低功耗、低成本、覆盖范围广的NB-IoT技术

与Contex-M3内核的stm321152微控制处理芯片

结合.拓展外围电路配合气象传感器实现风向、风

速、温度、湿度、光照度、PM:.s、PM,,,的气象要素实

时采集和处理。测试表明，该系统具有实时性好、信

息传输可靠、功耗低等优点.在实现气象数据稳定远

程实时监测的同时•在数据传输方面也比Zigbee技

术和GPRS技术稳定性更高、覆盖更广、功耗更低、

部署更方便。

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.广东气象.200_7(4): 1-4.

[4] 费贤创.杨维发.杨代才.等.《于

ZigBer

技术的无线气象数据

Design of Small Automatic Weather Station Monitoring

System Based on NB-IoT Technology

ZHANG

Liyuan

1

ZUO

Shaohua

2 3

JIANG

Jinchun

2 3

Advanced

(1 School of Communication and Electronic Engineering. East China Normal University, Shanghai 200241 ; 2 School of

Physics and Electronic Science, East China Normal University, Shanghai 200241 ; 3 Nanophotonics

Instrument Engineering Research Center, Ministry of Education, School of Physics and Electronic Science,

East C'hina Normal University, Shanghai 200062)

Abstract

：

Aiming

at

the

shortcomings

of

traditional

meteorological

stations

,

such

as

the

high

complexity

of

communication

technology

,

high

cost

of

construction

,

poor

timeliness

and

high

power

consumption

,

a

small

automatic

weather

station

monitoring

system

based

on

NB-IoT

technology

is

designed

.

The

system

is

mainly

composed

of

the

meteorological

sensing

equipment

,

single

station

controller

and

IoT

(Internet

of

Things

)

cloud

platform

.

This

system

uses

the

low-power

Cortcr

-

M

3

core

STM

32

L

152

micro-control

chip

as

the

hardware

core

,

relying

on

the

meteorological

sensor

equipment

to

realize

the

collection

and

processing

of

meteorological

element

data

;

using

NB-IoT

technology

to

realize

the

data

transmission

between

the

weather

station

and

the

cloud

server

;

utilizing

RESTful

API

and

MySQL

technology

to

implement

user

interaction

,

remote

terminal

control

and

data

storage

,

display

,

analysis

,

query

and

other

functions

.

The

test

results

show

that

the

system

has

simple

construction

,

low

power

consumption

and

stable

data

transmission

.

It

can

realize

the

remote

real-time

monitoring

of

meteorological

elements

.

Keywords

：

NB

-

IoT

；

small

automatic

weather

station

；

STM

32

L

152;

IoT

cloud

platform