摘要：本研究實現(xiàn)了通過虛擬儀器技術(shù)對氣象信息進行實時監(jiān)測及通過GPRS無線傳輸通訊與管理系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換，且通過LabVIEW軟件可以把氣象信息以數(shù)據(jù)形式直觀展現(xiàn)。通過對現(xiàn)場實際氣象信息監(jiān)測，證實該系統(tǒng)可以連續(xù)實時記錄和儲存所監(jiān)測時間范圍內(nèi)的氣象數(shù)據(jù)，并可以對收集到的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，配合氣象預(yù)警系統(tǒng)基本可以實現(xiàn)惡劣氣象條件及時給與提醒，為相關(guān)機構(gòu)對實施相應(yīng)防護方案提供準確可靠的理論根據(jù)。文章發(fā)表：《氣象科技》(雙月刊)創(chuàng)刊于1973年，由中國氣象科學(xué)研究院、北京市氣象局、中國氣象局氣象探測中心、國家衛(wèi)星氣象中心及國家氣象信息中心聯(lián)合主辦。報道大氣科學(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)展水平的綜合評述。報道內(nèi)容包括：預(yù)報理論與方法、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)、探測技術(shù)、信息技術(shù)及應(yīng)用、防災(zāi)減災(zāi)等。同時，可把惡劣天氣對農(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)計采用的傳感器型號是Vaisala公司生產(chǎn)的氣象變送器WXT520，是一個輕巧的小型變送器，采用緊湊式包裝，可提供6種氣象參數(shù)。WXT520用于測量風(fēng)速、風(fēng)向、降水、氣壓、溫度和相對濕度。傳感器外殼的等級為IP65/IP66，適合于我國北方的惡劣天氣。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自動和輪詢。有4個串行接口可供選擇:RS-232、RS-485、RS-422和SDI-12;并配備了一個安裝用8針M12接頭和一個維護用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、供電電源和存儲模塊等部分。主控器通過嵌入式軟件與供電、采集、通訊、存儲等單元協(xié)調(diào)工作來完成。自動氣象站的核心是數(shù)據(jù)采集器，負責(zé)數(shù)據(jù)收集、傳輸、統(tǒng)計分析和數(shù)據(jù)存儲[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，具有良好的擴展性，操作性、支持第三方控制器，包括時鐘管理、實時及周期間隔定時器、復(fù)位、關(guān)機、高級中斷及調(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)場實際應(yīng)用功能，要想完成任務(wù)下達命令和數(shù)據(jù)上傳功能需要通過網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)。通訊模塊起到關(guān)鍵作用，所以要求其具備以下功能:①支持國際標準通訊協(xié)議，如TCP/IP(6.0)、UDP或者PPP，具有標準RS232串口;②可以自動監(jiān)測聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)，短線1min內(nèi)自動撥號重新連接，防止數(shù)據(jù)的丟失;③接口速率為可選的1200～9600kB/s范圍。存儲單元:因采集數(shù)據(jù)的頻率較短和跟蹤監(jiān)測的時間范圍較長，因此采用存儲容量為閃迪256G固態(tài)硬盤，用于保證存儲容量及數(shù)據(jù)的安全性、穩(wěn)定性和讀取速度，同時存儲單元可以記錄系統(tǒng)工作狀態(tài)。防雷單元:由于監(jiān)測系統(tǒng)需要全天候連續(xù)工作，所以需要面對復(fù)雜天氣狀況，因此加裝防雷設(shè)備對于整個系統(tǒng)的安全性尤為關(guān)鍵，本系統(tǒng)采用的是雷太LY1-B系列電涌保護器(一級防雷器)。供電單元:由于本系統(tǒng)需要在田間進行監(jiān)測，不宜采用城市供電，因此選用了太陽能電池進行供電，對電池的容量要求為在無光線的環(huán)境中可以連續(xù)供電10天。擴展單元: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)升級或新添設(shè)備需要。

　　2系統(tǒng)設(shè)計

　　農(nóng)田氣象信息遠程監(jiān)測系統(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)，通過嵌入式應(yīng)用控制程序，實現(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)，采用無線GPRS方式，根據(jù)實際情況選擇最佳的組網(wǎng)方案，實現(xiàn)無線氣象數(shù)據(jù)傳輸，并基于LabVIEW開發(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

　　采集系統(tǒng)可以實現(xiàn)采集并對采集到的氣象要素信號進行處理。采集系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)有存儲器，可以進行信息清除并對采集到的各氣象要素的數(shù)據(jù)進行存儲，有接口USB實現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的備份功能。系統(tǒng)設(shè)有通訊接口RS232/RS485，可以通過該接口與GPRS/CDMA等通訊設(shè)備連接。該系統(tǒng)有時鐘校準功能，通過監(jiān)控中心下達指令，對氣象站的時間進行校準。數(shù)據(jù)處理的方法需要設(shè)計采集數(shù)據(jù)的時間間隔。氣象數(shù)據(jù)的監(jiān)測主要為定時掃描各傳感器的數(shù)據(jù)，通過通訊模塊將數(shù)據(jù)的電信號傳到主控系統(tǒng)中經(jīng)既定程序(LabVIEW)計算;通過屏幕可以直接讀取實時數(shù)據(jù)，針對特定時間段的數(shù)據(jù)可以進行有目的的分析，如平均值，不同時間點的變化趨勢數(shù)據(jù)以及不同周、月份、年份的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析等[5]。收集數(shù)據(jù)默認為溫度、相對濕度、降雨量、風(fēng)向、風(fēng)速及氣壓;當增加傳感器時，在主控系統(tǒng)中重新設(shè)置就可以進行增加項目數(shù)據(jù)的收集。各氣象數(shù)據(jù)中氣溫、相對濕度、雨量、氣壓的數(shù)據(jù)傳感器每10s測定一次，根據(jù)氣象學(xué)上常規(guī)的統(tǒng)計方法，通過程序收集到1min內(nèi)每10s的瞬時氣象數(shù)據(jù)。氣溫、相對濕度、雨量、氣壓在1min內(nèi)會收集到6個數(shù)據(jù)，舍棄一個最高值和一個最低值，使用其余的4個測定數(shù)據(jù)來計算算術(shù)平均值，此值為監(jiān)測系統(tǒng)最終在屏幕中實時顯示的瞬時數(shù)值。風(fēng)向、風(fēng)速的監(jiān)測頻率為1次/min，系統(tǒng)計算每5min內(nèi)5次測定值的算數(shù)平均值，此數(shù)據(jù)在LabVIEW程序界面中實時顯示。所有測定的數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫中均有保存，如統(tǒng)計部門需要對數(shù)據(jù)進行特殊分析，均可在數(shù)據(jù)庫中將數(shù)據(jù)導(dǎo)出。在數(shù)據(jù)庫中如有異常數(shù)據(jù)，一般以超過臨近時間點兩倍的數(shù)據(jù)值進行特殊標記，以便提醒管理員對相應(yīng)數(shù)據(jù)進行核實和異常情況的分析。

　　2.2通訊設(shè)計

　　前端采集部分與后端監(jiān)控中心系統(tǒng)通信采用無線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無線能夠解決此問題[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、通信信號好等優(yōu)勢，在并組網(wǎng)時減少對原有網(wǎng)絡(luò)資源的浪費，節(jié)約了成本，并可以在室外復(fù)雜環(huán)境中實時進行監(jiān)測，而且具有一定的安全性。室外自動氣象站與氣象信息管理系統(tǒng)需要建立點對點的網(wǎng)絡(luò)連接，在連接過程中需要以無線方式登陸到以太網(wǎng)絡(luò)來獲得網(wǎng)絡(luò)地址。要實現(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，需要氣象信息管理系統(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現(xiàn)氣象數(shù)據(jù)的雙向通訊，進行有效的信息傳遞和收集[7-8]。圖2為基于GPRS無線通訊的氣象信息系統(tǒng)示意圖。

　　2.3軟件設(shè)計

　　氣象信息管理系統(tǒng)可以通過網(wǎng)絡(luò)來查看氣象信息。本研究天氣顯示采用的軟件是LabVIEW，此軟件是美國國家儀器公司推出的一門圖像化編程語言，同時也是著名的虛擬儀器開發(fā)平臺[9-10]。作為一門圖形化編程語言，LabVIEW秉承了其簡單易用的一貫作風(fēng)，使用戶能夠快速編寫出強大的應(yīng)用程序。本研究的LabVIEW編寫程序圖，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。通過該系統(tǒng)對哈爾濱市香坊區(qū)東北農(nóng)業(yè)大學(xué)校內(nèi)氣象信息值進行監(jiān)測，與氣象臺預(yù)報數(shù)據(jù)作為參考進行對比，氣象信息值監(jiān)測結(jié)果如表1所示。表1中實測的時間跨度是實驗當天早6:00至晚18:00。從數(shù)據(jù)中可以看出，實測日期當天監(jiān)測到的溫度、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)可以準確計算出當天所監(jiān)測氣象信息的平均值。此收集到的氣象數(shù)據(jù)只是一天中的部分數(shù)據(jù)，所以經(jīng)過系統(tǒng)分析計算出來的數(shù)據(jù)只能代表所監(jiān)測時間范圍內(nèi)的氣象信息，與氣象臺發(fā)布的參考值有偏差。