摘要：本研究實(shí)現(xiàn)了通過(guò)虛擬儀器技術(shù)對(duì)氣象信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及通過(guò)GPRS無(wú)線傳輸通訊與管理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，且通過(guò)LabVIEW軟件可以把氣象信息以數(shù)據(jù)形式直觀展現(xiàn)。通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際氣象信息監(jiān)測(cè)，證實(shí)該系統(tǒng)可以連續(xù)實(shí)時(shí)記錄和儲(chǔ)存所監(jiān)測(cè)時(shí)間范圍內(nèi)的氣象數(shù)據(jù)，并可以對(duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，配合氣象預(yù)警系統(tǒng)基本可以實(shí)現(xiàn)惡劣氣象條件及時(shí)給與提醒，為相關(guān)機(jī)構(gòu)對(duì)實(shí)施相應(yīng)防護(hù)方案提供準(zhǔn)確可靠的理論根據(jù)。文章發(fā)表：《氣象科技》(雙月刊)創(chuàng)刊于1973年，由中國(guó)氣象科學(xué)研究院、北京市氣象局、中國(guó)氣象局氣象探測(cè)中心、國(guó)家衛(wèi)星氣象中心及國(guó)家氣象信息中心聯(lián)合主辦。報(bào)道大氣科學(xué)和相關(guān)科學(xué)各領(lǐng)域的新理論、新方法和新技術(shù)，也刊載反映大氣科學(xué)各領(lǐng)域發(fā)展水平的綜合評(píng)述。報(bào)道內(nèi)容包括：預(yù)報(bào)理論與方法、天氣與氣候分析、氣候與全球變化、大氣物理與大氣化學(xué)、應(yīng)用氣象(城市與環(huán)境氣象、人工影響天氣、農(nóng)業(yè)與生態(tài)氣象等)、探測(cè)技術(shù)、信息技術(shù)及應(yīng)用、防災(zāi)減災(zāi)等。同時(shí)，可把惡劣天氣對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響降到最低，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的順利進(jìn)行提供有力保障。

　　1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

　　1.1傳感器

　　本設(shè)計(jì)采用的傳感器型號(hào)是Vaisala公司生產(chǎn)的氣象變送器WXT520，是一個(gè)輕巧的小型變送器，采用緊湊式包裝，可提供6種氣象參數(shù)。WXT520用于測(cè)量風(fēng)速、風(fēng)向、降水、氣壓、溫度和相對(duì)濕度。傳感器外殼的等級(jí)為IP65/IP66，適合于我國(guó)北方的惡劣天氣。WXT520采用32VDC，并使用可選擇的通信協(xié)議輸出串行數(shù)據(jù):SDI-12、ASCII自動(dòng)和輪詢。有4個(gè)串行接口可供選擇:RS-232、RS-485、RS-422和SDI-12;并配備了一個(gè)安裝用8針M12接頭和一個(gè)維護(hù)用4針M8接頭。

　　1.2主控系統(tǒng)

　　主控系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集器與控制器，具體包括控制器、采集器、通訊模塊、供電電源和存儲(chǔ)模塊等部分。主控器通過(guò)嵌入式軟件與供電、采集、通訊、存儲(chǔ)等單元協(xié)調(diào)工作來(lái)完成。自動(dòng)氣象站的核心是數(shù)據(jù)采集器，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)收集、傳輸、統(tǒng)計(jì)分析和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)[4]。采集器電路主板包括主板和底板。主板是嵌入式工控主板，具有良好的擴(kuò)展性，操作性、支持第三方控制器，包括時(shí)鐘管理、實(shí)時(shí)及周期間隔定時(shí)器、復(fù)位、關(guān)機(jī)、高級(jí)中斷及調(diào)試單元(DBGU)。通訊單元為西門子6GK7型工業(yè)以太網(wǎng)通訊單元，可以做到網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一，可與支持EtherNet/IP的設(shè)備連接，結(jié)合使用Ethernet功能使其具有傳感器監(jiān)控器及控制值備份等現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用功能，要想完成任務(wù)下達(dá)命令和數(shù)據(jù)上傳功能需要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)。通訊模塊起到關(guān)鍵作用，所以要求其具備以下功能:①支持國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議，如TCP/IP(6.0)、UDP或者PPP，具有標(biāo)準(zhǔn)RS232串口;②可以自動(dòng)監(jiān)測(cè)聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)，短線1min內(nèi)自動(dòng)撥號(hào)重新連接，防止數(shù)據(jù)的丟失;③接口速率為可選的1200～9600kB/s范圍。存儲(chǔ)單元:因采集數(shù)據(jù)的頻率較短和跟蹤監(jiān)測(cè)的時(shí)間范圍較長(zhǎng)，因此采用存儲(chǔ)容量為閃迪256G固態(tài)硬盤(pán)，用于保證存儲(chǔ)容量及數(shù)據(jù)的安全性、穩(wěn)定性和讀取速度，同時(shí)存儲(chǔ)單元可以記錄系統(tǒng)工作狀態(tài)。防雷單元:由于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要全天候連續(xù)工作，所以需要面對(duì)復(fù)雜天氣狀況，因此加裝防雷設(shè)備對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的安全性尤為關(guān)鍵，本系統(tǒng)采用的是雷太LY1-B系列電涌保護(hù)器(一級(jí)防雷器)。供電單元:由于本系統(tǒng)需要在田間進(jìn)行監(jiān)測(cè)，不宜采用城市供電，因此選用了太陽(yáng)能電池進(jìn)行供電，對(duì)電池的容量要求為在無(wú)光線的環(huán)境中可以連續(xù)供電10天。擴(kuò)展單元:新型傳感器需要有相應(yīng)的端口或接口與主控系統(tǒng)相連接，以滿足系統(tǒng)升級(jí)或新添設(shè)備需要。

　　2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　農(nóng)田氣象信息遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主控器選用的是Atmel公司的ARM9系列的AT91SAM9260處理器。該處理器可以采用Linux操作系統(tǒng)，通過(guò)嵌入式應(yīng)用控制程序，實(shí)現(xiàn)農(nóng)田環(huán)境多要素氣象數(shù)據(jù)的采集、處理及存儲(chǔ)的功能。被采集到的氣象要素基于TCP/IP協(xié)議的通訊網(wǎng)絡(luò)，采用無(wú)線GPRS方式，根據(jù)實(shí)際情況選擇最佳的組網(wǎng)方案，實(shí)現(xiàn)無(wú)線氣象數(shù)據(jù)傳輸，并基于LabVIEW開(kāi)發(fā)農(nóng)業(yè)氣象信息管理軟件，使氣象信息能夠被讀取。

　　2.1采集控制設(shè)計(jì)

　　采集系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)采集并對(duì)采集到的氣象要素信號(hào)進(jìn)行處理。采集系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)有存儲(chǔ)器，可以進(jìn)行信息清除并對(duì)采集到的各氣象要素的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，有接口USB實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的備份功能。系統(tǒng)設(shè)有通訊接口RS232/RS485，可以通過(guò)該接口與GPRS/CDMA等通訊設(shè)備連接。該系統(tǒng)有時(shí)鐘校準(zhǔn)功能，通過(guò)監(jiān)控中心下達(dá)指令，對(duì)氣象站的時(shí)間進(jìn)行校準(zhǔn)。數(shù)據(jù)處理的方法需要設(shè)計(jì)采集數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔。氣象數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)主要為定時(shí)掃描各傳感器的數(shù)據(jù)，通過(guò)通訊模塊將數(shù)據(jù)的電信號(hào)傳到主控系統(tǒng)中經(jīng)既定程序(LabVIEW)計(jì)算;通過(guò)屏幕可以直接讀取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，針對(duì)特定時(shí)間段的數(shù)據(jù)可以進(jìn)行有目的的分析，如平均值，不同時(shí)間點(diǎn)的變化趨勢(shì)數(shù)據(jù)以及不同周、月份、年份的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析等[5]。收集數(shù)據(jù)默認(rèn)為溫度、相對(duì)濕度、降雨量、風(fēng)向、風(fēng)速及氣壓;當(dāng)增加傳感器時(shí)，在主控系統(tǒng)中重新設(shè)置就可以進(jìn)行增加項(xiàng)目數(shù)據(jù)的收集。各氣象數(shù)據(jù)中氣溫、相對(duì)濕度、雨量、氣壓的數(shù)據(jù)傳感器每10s測(cè)定一次，根據(jù)氣象學(xué)上常規(guī)的統(tǒng)計(jì)方法，通過(guò)程序收集到1min內(nèi)每10s的瞬時(shí)氣象數(shù)據(jù)。氣溫、相對(duì)濕度、雨量、氣壓在1min內(nèi)會(huì)收集到6個(gè)數(shù)據(jù)，舍棄一個(gè)最高值和一個(gè)最低值，使用其余的4個(gè)測(cè)定數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算算術(shù)平均值，此值為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)最終在屏幕中實(shí)時(shí)顯示的瞬時(shí)數(shù)值。風(fēng)向、風(fēng)速的監(jiān)測(cè)頻率為1次/min，系統(tǒng)計(jì)算每5min內(nèi)5次測(cè)定值的算數(shù)平均值，此數(shù)據(jù)在LabVIEW程序界面中實(shí)時(shí)顯示。所有測(cè)定的數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫(kù)中均有保存，如統(tǒng)計(jì)部門需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行特殊分析，均可在數(shù)據(jù)庫(kù)中將數(shù)據(jù)導(dǎo)出。在數(shù)據(jù)庫(kù)中如有異常數(shù)據(jù)，一般以超過(guò)臨近時(shí)間點(diǎn)兩倍的數(shù)據(jù)值進(jìn)行特殊標(biāo)記，以便提醒管理員對(duì)相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行核實(shí)和異常情況的分析。

　　2.2通訊設(shè)計(jì)

　　前端采集部分與后端監(jiān)控中心系統(tǒng)通信采用無(wú)線GPRS通信方式，由于農(nóng)田氣象站放置在室外，因此不適宜采用光纖傳輸，而采用GPRS無(wú)線能夠解決此問(wèn)題[6]。GPRS采用的組網(wǎng)方式是公網(wǎng)固定IP的方式。GPRS擁有傳遞及時(shí)、通信信號(hào)好等優(yōu)勢(shì)，在并組網(wǎng)時(shí)減少對(duì)原有網(wǎng)絡(luò)資源的浪費(fèi)，節(jié)約了成本，并可以在室外復(fù)雜環(huán)境中實(shí)時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，而且具有一定的安全性。室外自動(dòng)氣象站與氣象信息管理系統(tǒng)需要建立點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)連接，在連接過(guò)程中需要以無(wú)線方式登陸到以太網(wǎng)絡(luò)來(lái)獲得網(wǎng)絡(luò)地址。要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器地址和端口映射在氣象管理系統(tǒng)中，需要?dú)庀笮畔⒐芾硐到y(tǒng)軟件采用其網(wǎng)絡(luò)子網(wǎng)地址，這樣在管理系統(tǒng)顯示軟件中就可以實(shí)現(xiàn)氣象數(shù)據(jù)的雙向通訊，進(jìn)行有效的信息傳遞和收集[7-8]。圖2為基于GPRS無(wú)線通訊的氣象信息系統(tǒng)示意圖。

　　2.3軟件設(shè)計(jì)

　　氣象信息管理系統(tǒng)可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)來(lái)查看氣象信息。本研究天氣顯示采用的軟件是LabVIEW，此軟件是美國(guó)國(guó)家儀器公司推出的一門圖像化編程語(yǔ)言，同時(shí)也是著名的虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)[9-10]。作為一門圖形化編程語(yǔ)言，LabVIEW秉承了其簡(jiǎn)單易用的一貫作風(fēng)，使用戶能夠快速編寫(xiě)出強(qiáng)大的應(yīng)用程序。本研究的LabVIEW編寫(xiě)程序圖，如圖3所示。為了方便敘述，本文把風(fēng)向、風(fēng)速、溫度、濕度、雨量和氣壓多種氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)稱為氣象信息值。氣象系統(tǒng)天氣前面板顯示圖，如圖4所示。通過(guò)該系統(tǒng)對(duì)哈爾濱市香坊區(qū)東北農(nóng)業(yè)大學(xué)校內(nèi)氣象信息值進(jìn)行監(jiān)測(cè)，與氣象臺(tái)預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)作為參考進(jìn)行對(duì)比，氣象信息值監(jiān)測(cè)結(jié)果如表1所示。表1中實(shí)測(cè)的時(shí)間跨度是實(shí)驗(yàn)當(dāng)天早6:00至晚18:00。從數(shù)據(jù)中可以看出，實(shí)測(cè)日期當(dāng)天監(jiān)測(cè)到的溫度、濕度、雨量、風(fēng)速和氣壓與參考值相比，具有良好的線性關(guān)系，系統(tǒng)可以準(zhǔn)確計(jì)算出當(dāng)天所監(jiān)測(cè)氣象信息的平均值。此收集到的氣象數(shù)據(jù)只是一天中的部分?jǐn)?shù)據(jù)，所以經(jīng)過(guò)系統(tǒng)分析計(jì)算出來(lái)的數(shù)據(jù)只能代表所監(jiān)測(cè)時(shí)間范圍內(nèi)的氣象信息，與氣象臺(tái)發(fā)布的參考值有偏差。