本人是物联网工程专业，大学本科期间做过不少类似的东西，但其实说实话都是小打小闹，也没有什么实际使用价值。转眼间毕业已经三年了，在嵌入式这个行业也摸爬滚打三年，我觉得自己始终保持着对这个行业的喜欢和热情，也感谢嘉立创提供了这么好的平台和免费打板的机会，让我能根据自己的需求设计一些硬件了。每天下班总是沉迷于这些乱七八糟的东西，哈哈哈，闲话少叙，下面我将详细介绍我的这个气象站。

对了本人是软件开发，印制板设计属于自己摸索自学，有不对的地方请轻喷哈。

第一节、设计思路

我这个气象站项目，我从立项开始就打算朝着实际生产使用的程度，传感器都是网上采购的标准传气象感器使用RS485接口，通讯上使用了4G模块，毕竟气象站实际使用的时候大概率是没有WiFi的，因此我没有使用传统的ESP8266模块。

1、无线通信

4G模块我使用的是大夏龙雀家的【DX-PJ14-V1.1定位4G模块】，之前他们家样品很便宜，只要几块钱，这个模块使用起来也是非常简单的，通过串口通信，使用AT命令即可。我这里采用的是GPS + 4G的模块，毕竟多个气象站分布出去的时候通过定位我们可以方便快捷的判断这个气象站的部署位置。

下面是他们家这个模块的实物图，现在新版本好像比较小了，这个开始的版本比较大

 

2、传感器接口及选择

传感器通信上，我使用了RS485，并且使用总线形式，总线上拖了5个设备，这样的好处就是节省端口，并且拓展性好，比起传统的学生时代动不动就是I2C或者SPI接口的传感器我觉得485是比较好的，距离远、抗干扰、拓展性好，如果后期添加新的传感器，直接挂到总线即可。我这里传感器采用的是一家老牌的物联网传感器供应商，他们家传感器我觉得还是可以的，技术支持也没啥问题，文档也写得很仔细。我这里使用了他们家的 风速传感器、风向传感器、自定义要素的气象百叶窗、雨雪传感器

 

3、主控选择

主控选择我选择了STM32F407ZGT6，实话讲这个主控给这个项目有一些大材小用，杀鸡牛刀的感觉了，PIN脚是远远富裕的，包括外设数量上。我使用这个主控的原因主要有以下几个

1、手头目前正好有这个片子（懒得买新的，手里有啥用啥了）

2、资源丰富，可以添加很多新的功能，能玩的比较花

3、我使用主控和控制分离的方式，这样我的主控以后还能拆出来干其他事，这也是我工作后在实际项目产品中的经验，一些可以固定下来的硬件可以统型设计，这样即使换了新的项目，我们只用实现外围硬件即可，代码也只用进行少量修改即可，成本大大降低

4、考虑网口的使用，有网口加入不管是调试还是数据传输一下就上了新的台阶，也更加贴近实际产品

其实还有一个设计我考虑到了，但是目前没有去做，就是低功耗设计，之所以目前没做是因为我直接DC12V供电的，电池都没用，就没做低功耗，但硬件上我是有一些设计的。 

其实整个控制板完全可以作为一个开发板使用，其常见的接口都做了引出，板载SPI-FLASH和EEPROM、TF卡接口、RTC电池、RJ45接口（这些硬件接口均已验证）

 

4、通信版设计

在这个机箱系统上我采取了主从的思路，通过线束将关键信号进行连接即可，在我的信号板上集成了DC-DC电源、4G模块、双路RS485、一片STM32G030F6P6

我这片STM32G030F6P6将整个通信板作为一个从设计与主控板进行分离，这片廉价控制芯片控制了4G模块的使能、采集了系统电压，可以作为整个系统的一个健康管理模块，并且通过拨码开关可以选择4G模块是主控控制还是信号版控制，目前这部分硬件是有设计的，但是代码还没加上去

整个板子其实还有一些遗憾，RS485接口没有做隔离，按理说最好是将传感器的RS485接口与系统做物理上的隔离、上隔离电源和隔离芯片的，如果说后面重新设计我觉得可以考虑一下。

控制板3D图如下：

 

5、协议选择

那当然是选用MQTT了，作为一个物联网设备那必须MQTT，上学期间用的最多的也就是MQTT，这个4G模块也是支持MQTT协议的，使用AT命令就可以连接服务器，说到服务器实话讲ONENET或者阿里云啥的我觉得都不太行（主要是以前用太多了，有些无聊），我这里使用了EMQX部署到自己的服务器，然后通过4G模块连接，完成数据上传到云端的一个过程，这样数据不经过第三方服务器，都在自己的服务器上，数据安全性觉得也算有保障。等数据上传后，至于是大屏展示还是拉去到移动设备那就看自己的需求了，玩法实在太多了。

以上就是整个系统的关键部分的设计思路

第二节、硬件设计

1、RS485电路设计

RS485电路设计就使用了经典设计，自己也在其他项目中使用过很多次，没出现啥问题属于是比较稳定的模块了，使用的是SP3485EN，下面贴出原理图：

我一共有两路RS485，其中一路是总线形式，使用了这种挂载方式，之前看过网上一篇推文说是使用手拉手设计的话会有问题，是不是真的我没有测试，我这样设计也是参考了网上一些485HUB的走线，具体设计如下：

2、DC-DC降压电源设计

电源这部分，我使用的也是自己经常使用的一个电路，使用了TPS5450整个芯片，原理图先放上：

原理图上是TPS5430，这个不用管，我没改原理图，一直这么复制粘贴的，TPS5450这款芯片性能我觉得还是不错的，能能满足DIY大部分的需求，这个芯片支持宽电压的接入，5A大电流输出，虽然这个气象站不至于5A大电流，我使用这个芯片的原因也主要是手头物料充足不用重新购买。以前做智能车的时候测过这个芯片的能力，25W是没啥问题的，不过散热还是要上的，贴个散热片就行

电源输出设计了一个TYPC和USB，方便给主控板5V供电。3.3V使用的是老朋友1117，这个芯片怎么说呢让人又爱又恨属于是，买的时候一定要买正品就是了，该加的电容别省。只要压差不是很大我觉得还是可以用的，我这里是5V转3.3V用来给其他芯片供电。

3、网口设计

网口这里使用的是RMII接口，PHY芯片使用的是DP83848，外挂网络变压器，其实也没啥必要，现在很多RJ45的网口是带网络变压器的，选择这个PHY芯片的主要原因是这个封装比较好焊接，信号测量也比较方便，走线上我也是请教了我们公司的硬件师傅，他们说百兆随便连，连上就行很少说会有不通的情况，就四根线。不过我是第一次做网口相关的layout，咱们还是规规矩矩的该走等长就等长该差分就差分，目前网口也通过测试了，直接使用cubemax生成的lwip代码就能ping通。

硬件我就觉得这三部分可以说一说，其他的无所谓了，都是基本电路很常见，就不做赘述了

第四节、软件设计

1、开发环境

软件开发环境就是标准两件套，STM32CUBEMAX + KEIL，这个环境算是目前比较主力和普通的吧，当然还有很多开发方式，这里就不做说明，每个人的不一样，也不用纠结哪种开发方式更优，我使用CUBEMAX的很大一部分原因是可以省掉底层接口驱动的搭建，把更多精力留在业务程序的开发。这里我主要目的是分享，和记录自己开发的过程，不做新手教程，我更想的是给有同样需求的朋友提供一些设计思路。

2、MODBUS

我们的传感器都是RS485接口支持标准MODEBUS协议，这里我纠结了很长时间，是使用网上现有的一些开源库还是自己手搓，先后也试了几个开源库，但实话讲我觉得要去了解这个库和他可能存在的问题是一个比较麻烦的过程，也需要时间，我们气象站也并没有太多复杂的功能，最后还是选择AI＋手搓，我们只需要03功能码。这部分代码我就不贴了，避免被喷。

3、FREERTOS

FREERTOS那必须要用，咱们资源那么丰富再整个裸机有点太拉了，这快没啥说的直接CUBEMAX生成就行。我的任务主要有这几个，可以作为参考：

A、数据采集任务

B、数据上传任务

C、机箱健康状态监控任务

D、LED指示灯任务

第五节、成果展示

机箱展示，系统部署图，下雪了室外零下温度，机箱防水正常，系统正常

系统debug结果，目前已经的发送了232510帧数据没有丢包和错包，看来我的代码健壮性还行，哈哈哈，我目前是差不多1分钟轮询一次，整个系统在室外工作挺长时间的了，扛住了下雨下雪，没毛病奥

至此结束，其余还有一些功能都是代码上的问题了，后面慢慢写吧，感觉一旦做好，就有点索然无味了哈哈哈  ，感兴趣可以联系我哈 Lemon_0829D