數(shù)字式多要素集成氣象測(cè)量模塊開發(fā)

呂雪芹，黃宏智，何艷麗

(廣東省氣象探測(cè)數(shù)據(jù)中心，廣州 510080)

0 引言

世界進(jìn)入新時(shí)代，城市飛速發(fā)展、高層建筑林立，城市群高度密集，致使城市氣象災(zāi)害頻發(fā)，突發(fā)性、極端性和不可預(yù)見(jiàn)性明顯增加。城市已經(jīng)成為氣象災(zāi)害的高風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)，氣象防災(zāi)減災(zāi)形勢(shì)十分嚴(yán)峻。同時(shí)，城市運(yùn)行對(duì)氣象條件具有高度敏感性，因此，新型智慧城市的智慧安全運(yùn)行、建設(shè)和發(fā)展，更加需要有針對(duì)性、精細(xì)化的氣象觀測(cè)業(yè)務(wù)。氣象標(biāo)準(zhǔn)觀測(cè)對(duì)周邊環(huán)境要求較高，在復(fù)雜的城市環(huán)境存在較多局限性，所以需要一種更加便利的適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)應(yīng)用的微型氣象觀測(cè)儀器，如在城市智慧綜合桿上掛載微型自動(dòng)氣象站，那么，微型化多要素的集成氣象測(cè)量模塊開發(fā)顯得非常迫切。

氣象傳感器是氣象探測(cè)的重要基礎(chǔ)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，氣象傳感器的測(cè)量精度和穩(wěn)定性也不斷提高。早期一般使用模擬型傳感器，通過(guò)機(jī)械式指針標(biāo)識(shí)參量、人工讀數(shù)，測(cè)量誤差通常比較大。近十多年來(lái)發(fā)展到數(shù)字型傳感器，即是分離傳感元件+A/D轉(zhuǎn)換電路組成的數(shù)字轉(zhuǎn)換電路。這些電路主要是集成度不高，占PCB面積大，很難微型化，抗干擾和穩(wěn)定性相對(duì)較弱。甘志強(qiáng)[1]等根據(jù)目前已有氣象數(shù)據(jù)采集器特點(diǎn)，分析低功耗智能型氣象傳感器的設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)溫度和濕度測(cè)量電路，構(gòu)建無(wú)線網(wǎng)絡(luò)完成數(shù)據(jù)傳輸，認(rèn)為一體化設(shè)計(jì)能夠提高采集精度和穩(wěn)定性。安學(xué)武[2]通過(guò)微芯片計(jì)算技術(shù)和小型化集成技術(shù)等多技術(shù)融合，實(shí)現(xiàn)了一種農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)多傳感器一體化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，用于農(nóng)業(yè)信息化、智能化監(jiān)測(cè)。吳法太[3]等設(shè)計(jì)一種同時(shí)具有溫度濕度氣壓三合一的氣象傳感器，安裝使用方便，適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)大面積監(jiān)測(cè)場(chǎng)景。以往多要素氣象傳感器基本上基于分立元件配置外圍電路設(shè)計(jì)，占用PCB面積大，確實(shí)存在相對(duì)較高成本以及穩(wěn)定性較低等缺點(diǎn)[4]。目前MEMS技術(shù)發(fā)展很快，溫度、濕度和氣壓傳感器采用MEMS工藝制備，具有微型化、高精度和集成度高的優(yōu)點(diǎn)，很小封裝就可以集成溫度濕度氣壓3個(gè)要素的傳感器，使傳感器微型化成為可能，而且通過(guò)某種總線方式輸出數(shù)字信號(hào)。

氣象行業(yè)的基礎(chǔ)氣象觀測(cè)，一般是為了滿足氣候研究和預(yù)報(bào)預(yù)警服務(wù)應(yīng)用開展的標(biāo)準(zhǔn)觀測(cè)，觀測(cè)數(shù)據(jù)追求準(zhǔn)確、穩(wěn)定、連續(xù)、代表性強(qiáng)等特點(diǎn)。隨著智慧城市的建設(shè)和發(fā)展，面向智慧城市的智能化運(yùn)行管理、發(fā)展，借助城市智能化基礎(chǔ)設(shè)施(城市云、物聯(lián)網(wǎng)、智慧燈桿等)，布設(shè)微型化氣象環(huán)境儀器，拓展社會(huì)觀測(cè)大數(shù)據(jù)，形成“泛在感知網(wǎng)”，不斷完善地空天一體化大城市氣象觀測(cè)能力，拓展社會(huì)觀測(cè)等大數(shù)據(jù)信息采集渠道，形成新型、精細(xì)化的城市氣象觀測(cè)業(yè)務(wù)。目前在城市的多功能智能桿安裝微型化氣象儀器，開展社會(huì)觀測(cè)的需求非常迫切。

作者利用高度集成芯片BME280為核心進(jìn)行二次開發(fā)，成功開發(fā)了微型數(shù)字化的智能氣象傳感器，實(shí)現(xiàn)溫度、濕度和氣壓三個(gè)要素的精準(zhǔn)測(cè)量。硬件設(shè)計(jì)上對(duì)外圍電路的電源電路進(jìn)行了抗干擾優(yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)PCB時(shí)注重信號(hào)線布線的等長(zhǎng)原則、平行原則和電磁兼容原則，減少串?dāng)_幾率，提高整體性能。單片機(jī)STC15W408AS對(duì)傳感器件的測(cè)量數(shù)據(jù)做進(jìn)一步的軟件質(zhì)量控制，形成高質(zhì)量的氣象報(bào)文組包輸出。模塊里設(shè)計(jì)了通用的RS232接口和USB接口便于與上位機(jī)交互，通用性和便捷性得到大幅度提高。這種數(shù)字型多要素微型化的氣象測(cè)量模塊，能夠較好地適應(yīng)社會(huì)觀測(cè)所需的微型化氣象測(cè)量?jī)x器使用。

以下把多要素測(cè)量模塊設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)描述出來(lái)，供讀者參考。

1 BME280芯片性能

BME280是一款具有溫度、大氣壓力和濕度的環(huán)境傳感器，非常適合各種天氣/環(huán)境要素測(cè)量的可行解決方案。屬于MEMS集成式環(huán)境傳感器，數(shù)字式輸出，專門為滿足移動(dòng)應(yīng)用如手機(jī)等設(shè)備需要重點(diǎn)考慮小尺寸和低功耗關(guān)鍵要求而開發(fā)的新一代產(chǎn)品。具有高精度壓力、濕度和溫度測(cè)量性能，線性度很高。采用 2.5×2.5×0.93(mm3)的8引腳、金屬蓋 LGA 封裝，低功耗(1 Hz 時(shí)3.6 μA)設(shè)計(jì)，長(zhǎng)期穩(wěn)定工作，EMC魯棒性極強(qiáng)。其主要技術(shù)指標(biāo)如下：

工作電壓：3.3 V/5 V

溫度檢測(cè)：-40～85 ℃ (分辨率 0.01 ℃，精度±1 ℃)

濕度檢測(cè)：0～100%RH (分辨率 0.008%RH，精度±3%RH，響應(yīng)時(shí)間1 s，滯后≤2%RH)

氣壓檢測(cè)：300～1 100 hPa (分辨率0.18 Pa，精度±1 hPa)

支持I2C接口通信，可設(shè)置從機(jī)地址。也可支持SPI接口通信，默認(rèn)為I2C接口，可通過(guò)I/O口設(shè)置為SPI接口方式，非常方便在目前市場(chǎng)上普遍使用的單片機(jī)場(chǎng)景中應(yīng)用。連接使用板載電平轉(zhuǎn)換電路，可兼容5 V/3.3 V電平，從而可以簡(jiǎn)化外圍電路的復(fù)雜性和降低成本。

芯片還有一個(gè)優(yōu)異特點(diǎn)就是具有較好的溫度補(bǔ)償能力，能夠?qū)鈮汉蜐穸冗M(jìn)行實(shí)時(shí)溫度修正，確保在全量程范圍內(nèi)濕度、氣壓測(cè)量的準(zhǔn)確性。

從芯片自身具備的性能指標(biāo)來(lái)看，濕度指標(biāo)達(dá)到氣象部門頒布的《自動(dòng)氣候站功能規(guī)格需求書》要求，溫度和氣壓準(zhǔn)確度尚有差距。但是如果用于社會(huì)氣象觀測(cè)用途，按照氣象部門要求，溫度和氣壓性能指標(biāo)也是滿足的，因此可作為微型化的社會(huì)觀測(cè)設(shè)備使用。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 主電路設(shè)計(jì)

BME280是一種純粹的數(shù)字式傳感器，由于只能輸出當(dāng)前時(shí)刻的溫度、濕度及氣壓值，也即是氣象術(shù)語(yǔ)的“瞬時(shí)值”，僅僅是這些瞬時(shí)值還不能滿足氣象智能傳感器的功能要求，不能輸出氣象標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文所需的各種氣象要素值，所以需要MCU讀數(shù)并處理成標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文再輸出。MCU采用純國(guó)產(chǎn)芯片STC15W408AS，SOP16封裝，是新一代的16位簡(jiǎn)化指令單片機(jī)，內(nèi)嵌系統(tǒng)時(shí)鐘頻率高達(dá)48 MHz。芯片體積非常小，便于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品微型化。市場(chǎng)上普遍使用而且市場(chǎng)份額比較大，供貨能夠得到保證。由于BME280芯片接口為I2C或者SPI總線，不方便適配外圍數(shù)據(jù)采集終端設(shè)備連接，因此，模塊設(shè)計(jì)有RS232和USB接口對(duì)外通信，增強(qiáng)模塊的通用性和便利性。模塊的主要電路原理如圖1所示。

圖1 集成傳感器電路原理圖

對(duì)于一個(gè)精密測(cè)量模塊來(lái)說(shuō)，硬件設(shè)計(jì)應(yīng)該注意幾個(gè)方面技術(shù)問(wèn)題，首先是電源設(shè)計(jì)是至關(guān)重要，紋波是否足夠小及穩(wěn)定，對(duì)一個(gè)精密測(cè)量?jī)x器來(lái)說(shuō)非常關(guān)鍵，需要綜合考慮電磁兼容技術(shù)。另一方面就是輸出的接口電平應(yīng)該符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，才能與外圍終端設(shè)備匹配，具備較好的通用性。因此，設(shè)計(jì)時(shí)必須注意的問(wèn)題，MCU芯片STC15W408AS規(guī)定使用3.3 V電源，為了電平匹配，BME280以及串口MAX202和CH340N統(tǒng)一使用3.3 V供電。STC15W408AS有2個(gè)串口，其中一個(gè)與MAX202連接成為標(biāo)準(zhǔn)RS232接口，輸出大約-5～+5 V電平，滿足RS232標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范電平要求。另一個(gè)串口通過(guò)CH340N將MCU的RS232TTL電平串口轉(zhuǎn)換為USB，一般來(lái)說(shuō)，用戶端設(shè)備需要CH340驅(qū)動(dòng)程序才能與CH340N通信。

電阻R1、R2、R3、R4是為了增強(qiáng)接口的可靠性而串聯(lián)在信號(hào)線上的，能夠有效防止異常電壓沖擊[5-6]，保護(hù)電路安全。

為了減少電源對(duì)BME280測(cè)量精度的影響，引腳6和引腳8接入的3.3 V需要加濾波電容C6和C8，濾掉高頻干擾信號(hào)。

BME280通過(guò)SPI總線(通過(guò)寄存器設(shè)置為SPI)與MCU通信，四線連接，SDI、SDO、CSK分別連接單片機(jī)的MOSI、MISO、SCLK，本模塊總線中只有一片BME280，片選CSB引腳可以直接接地GND。SPI總線讀寫速度非?？?。

STC15W408內(nèi)部有8 kB程序空間，5 kB不易失EEPROM，以及512字節(jié)RAM。對(duì)于處理溫度、濕度和氣壓三種要素的數(shù)據(jù)，計(jì)算環(huán)境條件都是足夠的,完全勝任讀取瞬時(shí)值并處理報(bào)文。單片機(jī)的運(yùn)行速度也非?？?，還可以做一些數(shù)據(jù)質(zhì)控比較復(fù)雜的運(yùn)算，也足以勝任高速通信的要求。

2.2 電源設(shè)計(jì)

把模塊看作集成傳感器，5 V供電取自與其連接的數(shù)據(jù)采集設(shè)備。如果鏈接USB，那么采集器端的USB接口5 V即供給模塊使用。如果連接采集器端RS232串口，則通過(guò)外接5 V對(duì)模塊供電。圖2為穩(wěn)壓電路。5 V通過(guò)三端穩(wěn)壓器LM1117S-3.3輸出3.3 V，驅(qū)動(dòng)電流可以達(dá)到1 A，封裝采用SOT-223體積很小。輸入和輸出均加上高頻及低頻濾波電容是必須的，最好采用高頻陶瓷電容。

圖2 穩(wěn)壓電路

需要注意的是，用戶端5 V電源接入端使用LC濾波電路[7-9]，如圖1中的濾波電路L1、C1及L2、C3，L1和L2使用磁珠代替。

2.3 PCB設(shè)計(jì)

微型化、數(shù)字式是本次設(shè)計(jì)的目的。PCB大小設(shè)計(jì)為50 mm×25 mm，有利于制作成筆狀傳感器，便于安裝在微型百葉箱里面。PCB板設(shè)計(jì)如圖3所示。為了增強(qiáng)抗干擾能力，頂層和底層需要敷銅，謹(jǐn)記敷銅與信號(hào)地GND連接[10-13]。在PCB上放置濾波電容電感器件應(yīng)該盡量靠近芯片的電源輸入引腳，如C6、C8須緊靠BME280的引腳6及引腳6放置，增強(qiáng)濾波效果。電源布線走線盡量寬一些，一般不要小于12 mil，本設(shè)計(jì)中電源走線采取25 mil線寬。輸入端導(dǎo)線與輸出端導(dǎo)線應(yīng)盡量避免平行布線以免發(fā)生耦合。STC15W408AS單片機(jī)芯片與BME280鏈接的數(shù)據(jù)線和地址線應(yīng)盡量平行布線。

圖3 模塊的PCB

3 軟件設(shè)計(jì)

模塊的內(nèi)嵌軟件采用C語(yǔ)言編寫。本設(shè)計(jì)重點(diǎn)是對(duì)BME280編寫代碼。包括芯片初始化、總線邏輯、寄存器寫、AD數(shù)據(jù)讀取等。單片機(jī)STC15W408初始化比較簡(jiǎn)單，主要是完成引腳功能定義就可以使用。BME280芯片支持SPI和I2C兩種通信模式，因?yàn)槟K中只有一片BME280，可以把CSB引腳固定接地，上電就決定了它的接口方式為SPI，MCU實(shí)現(xiàn)SPI讀寫可以采用硬件邏輯完成，也可以使用軟件模擬來(lái)完成[14-16]，本設(shè)計(jì)使用軟件模擬總線邏輯來(lái)實(shí)現(xiàn)，使用起來(lái)更加靈活方便。

#include "bmp280.h"

#include "spi.h"

#include "STC8A_GPIO.h"

#define SCK_D(X) (X?(P15=1):(P15=0))

#define MOSI_D(X) (X?(P13=1):(P13=0))

#define MISO_I() P14

對(duì)BME280初始化代碼如下：

unsigned char BME280_Init(void)

{

unsigned char BME280_ID,ch;

//以下兩行軟件模擬SPI初始化

MOSI_D(1);

SCK_D(0);

BME280_ID=SPI_Receiver_Dat(ch,CHIP_ID_Addr);//Read the CHIP_ID- 0x58讀取芯片ID= 0x58

Parameter_Reading(); //讀取溫度、濕度和氣壓校準(zhǔn)系數(shù)

SPI_Send_Dat(CMD_Addr,0xB6);//RESET

delay_ms(1000);

SPI_Send_Dat(IF_CONF_Addr,0x00);//設(shè)置4線SPI接口，禁止I2C看門狗啟動(dòng)

SPI_Send_Dat(CONFIG_Addr,0x00);//設(shè)置IIR濾波器為旁路，即是沒(méi)有過(guò)濾

SPI_Send_Dat(FIFO_CONFIG,0x02);//設(shè)置寄存器包含F(xiàn)IFO幀內(nèi)容配置

SPI_Send_Dat(INT_CTRL_Addr,0x02);//設(shè)置INT中斷引腳高電平有效，禁止所有中斷

SPI_Send_Dat(ODR_Addr,0x05);//設(shè)置輸出數(shù)據(jù)速率 0x04=80ms 0x05=160ms

SPI_Send_Dat(OSR_Addr,0x2d);//設(shè)置過(guò)采樣率x32

SPI_Send_Dat(ch,PWR_CTRL_Addr,0x33);//設(shè)置測(cè)量模式為正常模式，啟用壓力和溫度測(cè)量

delay_ms(1000);//需要適當(dāng)延時(shí)等待芯片設(shè)置好

returnBME280_ID;

}

初始化以后，就可以對(duì)BME280進(jìn)行讀寫了。下面通過(guò)軟件模擬SPI邏輯實(shí)現(xiàn)讀寫例程，代碼如下：

voidSPI_Send_Dat(unsigned char dat)

{ unsigned char n;

for(n=0;n<8;n++)

{ SCK_D(0);

if(dat&0x80)MOSI_D(1);

else MOSI_D(0);

dat<<=1;

SCK_D(1);

}

SCK_D(0);

}

unsigned char SPI_Receiver_Dat(void)

{ unsigned char n ,dat;

for(n=0;n<8;n++)

{ SCK_D(0);

dat<<=1;

if(MISO_I())dat|=0x01;

else dat&=0xfe;

SCK_D(1);

}

SCK_D(0);

returndat;

}

上述讀和寫例程是一次讀取或者寫入一個(gè)字節(jié)，可以進(jìn)行寄存器參數(shù)設(shè)置，讀取AD轉(zhuǎn)換器的結(jié)果等。三個(gè)要素的數(shù)據(jù)都是通過(guò)SPI總線讀取。下面給出讀取溫度和氣壓代碼:

int32_t bmp280_read_Tdata()// 讀取溫度

{

unsigned char Temp_Data[3]={0};

intTemp_Result=0;

SPI_Receiver_Dat(BMP280_Read|BMP_Temp_msb);

Temp_Data[2]=SPI_Receiver_Dat(0xFF);

Temp_Data[1]=SPI_Receiver_Dat(0xFF);

Temp_Data[0]=SPI_Receiver_Dat(0xFF);

Temp_Result=Temp_Data[0]>>4;

Temp_Result|=Temp_Data[1]<<4;

Temp_Result|=Temp_Data[2]<<12;

returnTemp_Result;

}

Intbmp280_read_Pdata()// 讀取氣壓

{

unsigned char Press_Data[3]={0};

intPress_Result=0;

SPI_Receiver_Dat(BMP280_Read|BMP_Press_msb);

Press_Data[2]=SPI_Receiver_Dat(0xFF);

Press_Data[1]=SPI_Receiver_Dat(0xFF);

Press_Data[0]=SPI_Receiver_Dat(0xFF);

Press_Result=Press_Data[0]>>4;

Press_Result|=Press_Data[1]<<4;

Press_Result|=Press_Data[2]<<12;

returnPress_Result;

}

濕度讀取例程的代碼與溫度例程類似，限于篇幅，這里不再累述。讀取的瞬時(shí)值還需要進(jìn)一步修正才能夠得到正確的溫度、濕度和氣壓值，芯片文檔有詳細(xì)說(shuō)明，這里也不再累述。

獲得了正確的氣象要素?cái)?shù)值后，需要進(jìn)一步生成氣象報(bào)文，比如瞬時(shí)最大值最小值，1分鐘平均值，10分鐘滑動(dòng)平均值等等，可以按照協(xié)議格式通過(guò)RS232或者USB接口輸出至用戶終端接收。

4 外場(chǎng)試驗(yàn)分析

外場(chǎng)試驗(yàn)的考核評(píng)估依據(jù)主要參考了《新型自動(dòng)氣象(氣候)站功能需求書(修訂版)》和《氣象觀測(cè)專用技術(shù)裝備測(cè)試方法總則(修訂)》，對(duì)比觀測(cè)試驗(yàn)內(nèi)容包括對(duì)溫度、濕度、氣壓等數(shù)據(jù)獲取率、相關(guān)性、平均誤差、絕對(duì)離差、標(biāo)準(zhǔn)差等。

測(cè)量模塊的技術(shù)性能驗(yàn)證需要實(shí)驗(yàn)室靜態(tài)檢測(cè)和外場(chǎng)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)室靜態(tài)檢測(cè)滿足技術(shù)要求以后，開展外場(chǎng)觀測(cè)試驗(yàn)是非常重要的，通過(guò)對(duì)外場(chǎng)實(shí)際觀測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估和對(duì)比分析，來(lái)驗(yàn)證測(cè)量模塊在實(shí)際工作的性能好壞[20-21]。

外場(chǎng)考核試驗(yàn)處于自然環(huán)境中，存在各種各樣的干擾源，甚至惡劣的自然條件，動(dòng)態(tài)試驗(yàn)的結(jié)果能夠進(jìn)一步說(shuō)明模塊是否具有符合規(guī)定的測(cè)量準(zhǔn)確性、長(zhǎng)期工作穩(wěn)定性以及組網(wǎng)應(yīng)用的便捷性。評(píng)估結(jié)果表明了模塊的測(cè)量誤差和穩(wěn)定性均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

4.1 試驗(yàn)方法

在廣州地區(qū)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)氣象觀測(cè)場(chǎng)范圍內(nèi)，安裝了一套投入業(yè)務(wù)使用的具有氣象部門認(rèn)證的自動(dòng)氣象站作為參考標(biāo)準(zhǔn)，在參考標(biāo)準(zhǔn)站旁邊安裝一套被測(cè)的測(cè)量模塊，使兩者所處自然環(huán)境條件基本相同，確保兩者之間的可比性。測(cè)量模塊通過(guò)RS232接口連接數(shù)據(jù)采集器獲得實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)，參考標(biāo)準(zhǔn)自動(dòng)站的數(shù)據(jù)正常上傳。為了試驗(yàn)多變的天氣狀況，春天季節(jié)容易出現(xiàn)高濕天氣，因此選擇2019年11月至2020年2月時(shí)間段。外場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行合理的數(shù)據(jù)質(zhì)量控制，剔除個(gè)別人為因素造成的野值，形成數(shù)據(jù)集。對(duì)兩者之間的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行如下對(duì)比分析。

在整個(gè)外場(chǎng)試驗(yàn)考核的過(guò)程中，被測(cè)模塊與標(biāo)準(zhǔn)自動(dòng)氣象站設(shè)備都采取自動(dòng)校時(shí)機(jī)制，保持系統(tǒng)時(shí)間嚴(yán)格同步，保證獲取的觀測(cè)數(shù)據(jù)在時(shí)間上是一致的。同時(shí)，定期對(duì)兩種設(shè)備進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)減少額外干擾。

4.2 評(píng)估方法

為了更好地反映被試驗(yàn)?zāi)K的觀測(cè)數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)參考站的觀測(cè)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)兩者之間的相關(guān)系數(shù)、相對(duì)誤差、平均絕對(duì)誤差和標(biāo)準(zhǔn)差等幾個(gè)參數(shù)，這些參數(shù)能夠反映測(cè)量指標(biāo)。具體的統(tǒng)計(jì)方法：

1)相關(guān)系數(shù)：相關(guān)系數(shù)是反應(yīng)兩個(gè)研究變量之間線性相關(guān)程序的量，當(dāng)相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值越接近1時(shí)，表示兩個(gè)研究變量之間線性相關(guān)程度越大，當(dāng)相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值越接近0時(shí)，表示兩個(gè)研究變量之前線性相關(guān)程度越弱。

其中：ρXY代表相關(guān)系數(shù)，Cov(X,Y)代表X、Y的協(xié)方差D(X)、D(Y)，分別為X、Y的方差。

2)相對(duì)誤差：為絕對(duì)誤差與真值的比值。

其中：δ表示相對(duì)誤差，Y表示測(cè)試設(shè)備數(shù)據(jù)，X表示標(biāo)準(zhǔn)器數(shù)據(jù)。

3)平均絕對(duì)離差：平均絕對(duì)離差表示每個(gè)誤差值與平均誤差值之間的差的平均值。

4)標(biāo)準(zhǔn)差：

其中:σ為標(biāo)準(zhǔn)差，xi的平均值(算術(shù)平均值)為μ。

4.3 評(píng)估結(jié)果

數(shù)據(jù)分析時(shí)段：溫、濕、壓使用2019年11月至2020年2月的觀測(cè)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)分析以正式業(yè)務(wù)使用的自動(dòng)站觀測(cè)數(shù)據(jù)作為參考標(biāo)準(zhǔn)器，被考核模塊分別與標(biāo)準(zhǔn)器做各要素進(jìn)行對(duì)比分析。

4.3.1 溫度

圖4為評(píng)估時(shí)間段的溫度曲線，黑色為標(biāo)準(zhǔn)參考站溫度，灰色為被測(cè)模塊溫度。

圖4 二者溫度曲線

為了更好地評(píng)估各個(gè)溫度段的線性關(guān)系，把所有樣本中的各個(gè)溫度段分別統(tǒng)計(jì)出來(lái)樣本個(gè)數(shù)，如表1所示。

表1 模塊測(cè)量數(shù)據(jù)各溫度范圍誤差

從表1可以看出，不同的溫度段的平均相對(duì)誤差相差比較小，說(shuō)明測(cè)量線性比較好。

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，被測(cè)模塊與標(biāo)準(zhǔn)器溫度的相關(guān)系數(shù)為0.993 479，平均相對(duì)誤差為0.031，絕對(duì)離差為0.015，標(biāo)準(zhǔn)差為0.029。這些誤差都滿足地面氣象觀測(cè)規(guī)定指標(biāo)要求。

4.3.2 相對(duì)濕度

圖5為評(píng)估時(shí)間段的相對(duì)濕度曲線，黑色為標(biāo)準(zhǔn)參考站的相對(duì)濕度，灰色為被測(cè)模塊的相對(duì)濕度。

圖5 二者相對(duì)濕度曲線

與溫度評(píng)估方法類似，為了更好地評(píng)估各個(gè)濕度段的測(cè)量線性關(guān)系，把所有樣本中的各個(gè)相對(duì)濕度段分別統(tǒng)計(jì)出來(lái)樣本個(gè)數(shù)，如表2所示。

表2 被測(cè)模塊各相對(duì)濕度范圍誤差

從表2可以看出，不同的濕度段的平均相對(duì)誤差相差只有0.033，說(shuō)明測(cè)量線性比較好。

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，被測(cè)模塊與標(biāo)準(zhǔn)器相對(duì)濕度的相關(guān)系數(shù)為0.992 673，平均相對(duì)誤差為-0.004，絕對(duì)離差為0.032，標(biāo)準(zhǔn)差為0.047。這些誤差都沒(méi)有超過(guò)規(guī)定指標(biāo)要求。

4.3.3 氣壓

圖6為評(píng)估時(shí)間段的氣壓曲線，黑色為標(biāo)準(zhǔn)參考站氣壓，灰色為被測(cè)模塊氣壓。

圖6 二者氣壓曲線

與溫度評(píng)估方法類似，為了更好地評(píng)估各個(gè)氣壓段的測(cè)量線性關(guān)系，把所有樣本中的各個(gè)氣壓段分別統(tǒng)計(jì)出來(lái)樣本個(gè)數(shù)，列表如表3。

表3 被測(cè)模塊各氣壓范圍誤差

從表3可以看出，不同的氣壓段的平均相對(duì)誤差相差只有-0.000 22，說(shuō)明測(cè)量線性很好。

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，被測(cè)模塊與標(biāo)準(zhǔn)器氣壓的相關(guān)系數(shù)為0.991 766，平均相對(duì)誤差為-0.000 22，絕對(duì)離差為0.000 385，標(biāo)準(zhǔn)差為0.000 479。這些誤差都沒(méi)有超過(guò)規(guī)定指標(biāo)要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于精密測(cè)量?jī)x器來(lái)說(shuō)，硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)的方法和經(jīng)驗(yàn)十分重要，方法得當(dāng)才能保證精密儀器的性能和穩(wěn)定性?；贐ME280多要素環(huán)境傳感器設(shè)計(jì)的集成氣象多要素測(cè)量模塊，實(shí)現(xiàn)了一體化、微型化結(jié)構(gòu)。雖然BME280本身有比較完善的誤差補(bǔ)償方法，但是電源和外設(shè)的影響不容忽視，還與外圍電路關(guān)系較大，通過(guò)科學(xué)合理的硬件設(shè)計(jì)，尤其是外圍電路的技術(shù)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)，對(duì)確保模塊的測(cè)量精度至關(guān)重要。用戶端提供的電源紋波大小和其他干擾可能會(huì)影響測(cè)量精度，本設(shè)計(jì)通過(guò)增加電源的LC濾波電路是非常必要的。軟件處理方法上，注意超采樣時(shí)間適當(dāng)長(zhǎng)一些，也就是AD轉(zhuǎn)換器的積分時(shí)間長(zhǎng)一些。另外，采取連續(xù)讀取3次數(shù)值再做質(zhì)控[17-19]，提取合理準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，這也是全量程最大允許誤差指標(biāo)不超標(biāo)的重要保證。

國(guó)產(chǎn)單片機(jī)STC15W408自帶內(nèi)部時(shí)鐘RTC，最高頻率可達(dá)24 MHz，不需要外部復(fù)位引腳，只有16根引腳，體積非常小，總體性能可以滿足一般用途，十分適合微型化產(chǎn)品設(shè)計(jì)，微型化設(shè)計(jì)適應(yīng)大面積物聯(lián)網(wǎng)氣象監(jiān)測(cè)的應(yīng)用場(chǎng)景[20-21]。測(cè)量模塊兩個(gè)串口為實(shí)際應(yīng)用提供極大便利。在實(shí)際的應(yīng)用中，用于社會(huì)觀測(cè)的微型自動(dòng)氣象站中使用，硬件性能穩(wěn)定。

一個(gè)穩(wěn)定可靠的精密儀器產(chǎn)品，需要經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的外場(chǎng)試驗(yàn)和評(píng)估，通過(guò)評(píng)估數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)明產(chǎn)品性能的好壞。本模塊進(jìn)行了四個(gè)月時(shí)間的外場(chǎng)試驗(yàn)，通過(guò)實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)其動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行練綜合的評(píng)估，結(jié)果表明，模塊與標(biāo)準(zhǔn)器兩者之間的相關(guān)系數(shù)、相對(duì)誤差、平均絕對(duì)誤差和標(biāo)準(zhǔn)差等達(dá)到設(shè)計(jì)要求。當(dāng)然，試驗(yàn)也存在欠缺，一方面外場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)間只有四個(gè)月，相對(duì)來(lái)說(shuō)時(shí)間比較短，而且只在冬天和春天，未能橫跨一年四季；另一方面是冬天和春天的天氣變化范圍不是太大，遠(yuǎn)沒(méi)有接近全量程范圍；還有一方面是只有南方區(qū)域的試驗(yàn)而缺少北方天氣場(chǎng)景?？偟膩?lái)說(shuō)數(shù)據(jù)評(píng)估的代表性還是有點(diǎn)欠缺，需要以后進(jìn)一步試驗(yàn)和評(píng)估。