孫 辰，陳志平，寧春林，楊 洋，鄭 鵬

(1. 杭州電子科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 浙江 杭州 310018；2. 國(guó)家海洋局第一海洋研究所， 山東 青島 266061)

印度洋季風(fēng)觀測(cè)船載氣象站控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫 辰1，2，陳志平1，寧春林2，楊 洋2，鄭 鵬2

(1. 杭州電子科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 浙江 杭州 310018；2. 國(guó)家海洋局第一海洋研究所， 山東 青島 266061)

船載氣象站是通過(guò)船舶的走航獲得實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確氣象數(shù)據(jù)的一種主要設(shè)備。用于科考工作的船載氣象站不但要求其機(jī)械結(jié)構(gòu)在惡劣環(huán)境下安全可靠，更是對(duì)其數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)的采樣種類(lèi)、精度及數(shù)據(jù)處理與傳輸能力有極高要求。為了獲得更多印度洋熱帶季風(fēng)爆發(fā)過(guò)程中的氣象數(shù)據(jù)，從而能更好地研究印度洋熱帶季風(fēng)爆發(fā)原因及其海氣相互作用過(guò)程，文章基于DT80數(shù)據(jù)采集器設(shè)計(jì)了一款適用于惡劣海況下工作的高精度多氣象參數(shù)采樣與控制系統(tǒng)。對(duì)其主要傳感器進(jìn)行選型及標(biāo)定，并完成其控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。文章重點(diǎn)研究各傳感器采樣特性及其數(shù)據(jù)處理方法，以獲得可靠的長(zhǎng)短波輻射、濕度、氣溫、海表皮溫等氣象參數(shù)，并對(duì)船載氣象站真風(fēng)計(jì)算方法作了初步研究?；谏鲜鲅芯?，編寫(xiě)完成控制系統(tǒng)軟件。整套船載氣象站數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)被應(yīng)用于為期半個(gè)月的印度洋MOMSEI航次實(shí)測(cè)中。對(duì)所得數(shù)據(jù)處理分析發(fā)現(xiàn)，該船載氣象站所測(cè)氣象參數(shù)與真實(shí)情況吻合，證明本系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)尤其是氣象數(shù)據(jù)處理算法符合項(xiàng)目要求。

船載氣象站；DT80；數(shù)據(jù)處理

引 言

船載氣象站是一種搭載多種氣象傳感器，并可在船只走航過(guò)程中記錄氣象變化情況的集成設(shè)備。其數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)是獲得高質(zhì)量氣象數(shù)據(jù)的關(guān)鍵。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)各高校及研究所對(duì)船載氣象站的數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)的研發(fā)主要有以下幾種方案：

1)MSC51單片機(jī)，典型代表為文獻(xiàn)[1-2]。該設(shè)計(jì)測(cè)試結(jié)果良好，運(yùn)行穩(wěn)定，但是可搭載傳感器數(shù)量少，采樣精度也相對(duì)較低。

2)AVR單片機(jī)，典型代表為文獻(xiàn)[3-4]。這種方案通信效率高，系統(tǒng)可靠性強(qiáng)，但所設(shè)計(jì)氣象站缺乏實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，且采樣精度也不能達(dá)到預(yù)期效果。

3)基于ARM+Linux設(shè)計(jì)，典型代表為文獻(xiàn)[5-6]。該設(shè)計(jì)具有擴(kuò)展口多、采樣精度高的優(yōu)點(diǎn)，但是硬件設(shè)計(jì)復(fù)雜，軟件程序調(diào)試周期也較長(zhǎng)。

根據(jù)MOMSEI航次科考需要，本文設(shè)計(jì)了一種攜帶多種氣象傳感器的船載氣象站。該航次要求所用船載氣象站可以在走航過(guò)程中連續(xù)、實(shí)時(shí)測(cè)量風(fēng)、濕、溫、海表皮溫、長(zhǎng)短波輻射等多種氣象參數(shù)，并對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后傳送到主機(jī)上。此外，所采集的模擬量數(shù)據(jù)要有足夠的精度，并可保障氣象站在6級(jí)海況下正常工作，生存海況達(dá)到8級(jí)。上文提到的3種方案對(duì)于本次科考而言，都存在不足之處，而澳大利亞DataTaker公司生產(chǎn)的DT80數(shù)據(jù)采集器及其配套開(kāi)發(fā)語(yǔ)言符合實(shí)際工作需求。因此，本文以DT80數(shù)據(jù)采集器為硬件核心，設(shè)計(jì)集成了一套船載氣象站數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)，并依據(jù)各傳感器特性及數(shù)據(jù)采樣要求編寫(xiě)控制程序。通過(guò)實(shí)際航次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，證明該數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)運(yùn)行良好，可以滿足預(yù)期要求。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 傳感器選型標(biāo)定

本船載氣象站搭載傳感器包括溫度傳感器(PT100)、風(fēng)速風(fēng)向傳感器(WindSonic)、長(zhǎng)波傳感器(PIR)、短波傳感器(PSP)、海表皮溫傳感器、濕度傳感器(HMP155)。為了使氣象傳感器使用時(shí)有良好的精度保證，項(xiàng)目組先后在海洋局天津技術(shù)中心和中國(guó)氣象局對(duì)各傳感器作標(biāo)定。圖1為標(biāo)定PT100的實(shí)驗(yàn)過(guò)程。此外，為實(shí)現(xiàn)風(fēng)速、風(fēng)向計(jì)算，還需配備GPS和羅盤(pán)(C100)。表1為各氣象傳感器選型標(biāo)定后主要技術(shù)指標(biāo)。

表1 各傳感器主要技術(shù)指標(biāo)

圖1 PT100標(biāo)定

1.2 硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)際需要，船載氣象站控制系統(tǒng)方案如圖2所示。DT80連接有7個(gè)輸出模擬量傳感器(C100、PIR、PSP、PT100、WindSonic、HMP155、皮溫)、一個(gè)輸出數(shù)字量的GPS以及通訊和電源線。

圖2 船載氣象站控制系統(tǒng)方案

DT80從傳感器獲取模擬量信號(hào)的典型接線方式有單端接線法、差分接線法以及四線接線法3種，如圖3(a)所示，此外DT80可以直接測(cè)量小于10 kΩ的電阻阻值。同時(shí)，考慮到許多傳感器(如風(fēng)速傳感器)需要外部供電才能工作，還要給這些傳感器供電。根據(jù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，各傳感器與DT80連接方式見(jiàn)表2。圖3(b)為完成接口設(shè)計(jì)的DT80及船載氣象站，可以看到該方案集成難度遠(yuǎn)小于單片機(jī)或嵌入式系統(tǒng)，且防水等性能優(yōu)秀。

圖3 船載氣象站硬件圖

表2 各傳感器接線方式及測(cè)得信號(hào)類(lèi)型

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 主程序流程

控制系統(tǒng)程序需實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)功能：1)初始化并利用GPS輸出GPRMC格式數(shù)據(jù)同步船所在位置及時(shí)間；2)模擬量及數(shù)字量數(shù)據(jù)采樣；3)處理各傳感器原始數(shù)據(jù)；4)在某些天氣情況下加密接收數(shù)據(jù)；5)真實(shí)風(fēng)速風(fēng)向(真風(fēng))計(jì)算處理；6)保存及傳送數(shù)據(jù)到主機(jī)；7)降低功耗，定時(shí)啟動(dòng)采樣。據(jù)此，設(shè)計(jì)主程序流程如圖4所示。

圖4 主程序流程

整個(gè)程序中，最復(fù)雜的就是原始數(shù)據(jù)處理及真風(fēng)計(jì)算部分，下文將著重介紹。

2.2 數(shù)據(jù)處理算法

由于各傳感器測(cè)試原理不同，模擬量的原始數(shù)據(jù)可分為電阻值和電壓值兩大類(lèi)，需通過(guò)程序轉(zhuǎn)換為實(shí)際可讀的氣象參數(shù)。

(1)長(zhǎng)波數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

長(zhǎng)波傳感器測(cè)得的原始數(shù)據(jù)為電壓值Vac及2個(gè)熱敏電阻值Rc、Rd。電阻值與溫度關(guān)系式如下：

T=1/(C1+C2lnR+C3lnR)3

(1)

式中：R分別用Rd、Rc代入；C1、C2、C3為常數(shù)。

通過(guò)式(1)可算得殼體溫度值Tc和球體溫度值Td。再根據(jù)長(zhǎng)波值Rin與溫度的關(guān)系式(2)獲得實(shí)際的長(zhǎng)波值。

Rin=Vac/S+σTc4-kσ(Td4+Tc4)

(2)

式中：S為儀器靈敏度；σ=5.670 4×10-8W/(m2·K4)；k為常量。

(2)短波數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

短波傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)為電壓值Vab，根據(jù)短波值Rin與電壓值Vab間轉(zhuǎn)換關(guān)系式(3)，可得實(shí)際短波值。

Rin=Vab/S

(3)

(3)溫度傳感器

由于DT80系統(tǒng)內(nèi)部自帶PT100電阻-溫度轉(zhuǎn)換函數(shù)，可直接獲得每個(gè)測(cè)得阻值對(duì)應(yīng)的溫度。

(4)皮溫傳感器

皮溫傳感器測(cè)得的原始數(shù)據(jù)也是一個(gè)熱敏電阻值Rp和一個(gè)熱電堆電壓Vm。計(jì)算皮溫時(shí)，首先找到探頭溫度TD與熱敏電阻值Rp的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下：

TD=1/(C1+C2lnR+C3lnR)3

(4)

再由實(shí)際海水皮溫TT與探頭溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系式(5)即可算得實(shí)際海水皮溫。

TT=(TD4+mVm+b)1/4

(5)

式中，m、b為與溫度TD相關(guān)的系數(shù)。

(5)濕度傳感器、羅盤(pán)、風(fēng)速風(fēng)向傳感器

濕度傳感器輸出的原始數(shù)據(jù)為0～1V的電壓值，分別線性對(duì)應(yīng)0%～100%的濕度范圍，轉(zhuǎn)換十分便捷。羅盤(pán)和風(fēng)速風(fēng)向傳感器的數(shù)據(jù)處理方式與濕度傳感器類(lèi)似，具體輸出電壓值與其所表示物理量的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表3所示。

表3 電壓值與物理量對(duì)應(yīng)關(guān)系

以上數(shù)據(jù)在每10 min的前4 min以2 Hz的頻率進(jìn)行采樣，轉(zhuǎn)換后在數(shù)據(jù)處理子程序中做檢查，剔除異常數(shù)據(jù)后取平均值。

2.3 真風(fēng)計(jì)算方法

要單獨(dú)利用風(fēng)速風(fēng)向傳感器測(cè)得真實(shí)風(fēng)速及風(fēng)向，必須保證傳感器朝向正北安裝。然而，船航行時(shí)方向和位置不斷改變，因此船載氣象站與傳統(tǒng)的陸地氣象站不同，需要利用GPS與電子羅盤(pán)對(duì)測(cè)得的風(fēng)速風(fēng)向進(jìn)行修正。圖5為真風(fēng)計(jì)算各傳感器所需測(cè)得的物理量。

圖5 真風(fēng)計(jì)算過(guò)程

在解算真風(fēng)風(fēng)速風(fēng)向時(shí)，首先需建立坐標(biāo)系，如圖6所示，以船為原點(diǎn)建立地球N-E坐標(biāo)系，該坐標(biāo)系為全局坐標(biāo)系。再將風(fēng)速傳感器虛線箭頭指向船頭右舷安裝，并以虛線箭頭指向?yàn)橄鄬?duì)正北方向在同一原點(diǎn)上建立第二坐標(biāo)系，該坐標(biāo)系為局部坐標(biāo)系。

圖6 真風(fēng)計(jì)算坐標(biāo)系

如圖6所示，假設(shè)風(fēng)速傳感器可測(cè)得相對(duì)風(fēng)速Vw方向?yàn)棣?，電子羅盤(pán)可測(cè)得船與正北方向夾角為α，GPS中可讀得船行駛的速度為Vs。

假設(shè)順時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎?，由圖6可知，真實(shí)風(fēng)速方向與地球正北的夾角γ=α+90°-β。

由于風(fēng)速傳感器采樣頻率為2 Hz，GPS采樣頻率為1 Hz，需對(duì)相對(duì)風(fēng)速每秒測(cè)得的兩個(gè)值做平均?？紤]到風(fēng)速為矢量，先將相對(duì)風(fēng)速分解到正北(N)及正東(E)兩軸，再分別疊加平均。將這兩個(gè)軸上的平均風(fēng)速與分解到兩軸的船速做矢量疊加。

具體各分量計(jì)算過(guò)程如下：分解到N軸的相對(duì)風(fēng)速VwN=Vwcosγ；分解到E軸的相對(duì)風(fēng)速VwE=Vwsinγ；分解到N軸的船速VsN=Vscosα；分解到E軸的船速VsE=Vssinα。最終真風(fēng)的風(fēng)速計(jì)算公式如下：

(6)

3 測(cè)試分析及結(jié)論

2013年5月，該船載氣象站被應(yīng)用于印度洋MOMSEI航次實(shí)測(cè)中。圖7(a)所示為船載氣象站系統(tǒng)示意圖，圖7(b)所示為船載氣象站控制系統(tǒng)工作情況。

圖7 實(shí)際運(yùn)動(dòng)的船載氣象站系統(tǒng)

在為期半個(gè)月的實(shí)測(cè)過(guò)程中，船載氣象站經(jīng)受了臺(tái)風(fēng)等惡劣天氣的考驗(yàn)，始終運(yùn)行良好，獲得了大量有價(jià)值的數(shù)據(jù)。為了驗(yàn)證控制系統(tǒng)算法及硬件性能，取5月13日氣象站數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

圖8中線段所示為當(dāng)日科考船航行路線。與實(shí)際船的運(yùn)行路線吻合。用系統(tǒng)處理好的24 h數(shù)據(jù)擬合曲線，得到圖9所示各組圖像。由電壓圖可見(jiàn)，系統(tǒng)除了在19時(shí)左右人為重啟一次外，電壓基本保持穩(wěn)定。此外，對(duì)比分析可以發(fā)現(xiàn)各條曲線與印度洋海域5月天氣情況十分吻合。如短波輻射為太陽(yáng)輻射，該曲線的變化規(guī)律與當(dāng)日實(shí)際日出日落時(shí)間一致。溫度曲線顯示該日6時(shí)、15時(shí)、23時(shí)有明顯的氣溫和海表溫度下降過(guò)程。同時(shí)，這3個(gè)時(shí)間段伴隨有濕度升高風(fēng)速增大過(guò)程，這與當(dāng)日實(shí)際觀察到的3次起風(fēng)降水過(guò)程相符。這些都證明了該船載氣象站在實(shí)測(cè)中運(yùn)行良好，獲得的數(shù)據(jù)有效可靠。

圖8 走航GPS位置圖

圖9 氣象參數(shù)曲線圖

4 結(jié)束語(yǔ)

從實(shí)際走航結(jié)果可知，本船載氣象站的控制系統(tǒng)硬件安全可靠，可獲得大量高精度數(shù)據(jù)，而對(duì)其數(shù)據(jù)采集及處理的研究也為控制器軟件編寫(xiě)提供了很好的算法基礎(chǔ)。整個(gè)控制系統(tǒng)總體性能優(yōu)良，數(shù)據(jù)接收穩(wěn)定，有較高的精度及可靠性，為更好地研究印度洋熱帶季風(fēng)爆發(fā)過(guò)程提供了技術(shù)支持。但仍存在以下一些問(wèn)題：1)系統(tǒng)需要直流穩(wěn)壓電源供電，下一步可改進(jìn)為蓄電池供電；2)系統(tǒng)在采集溫度及長(zhǎng)波數(shù)據(jù)時(shí)受到船體前甲板熱輻射影響，需進(jìn)一步改進(jìn)結(jié)構(gòu)；3)雖然走航過(guò)程中風(fēng)向會(huì)有一定變化，但從測(cè)試數(shù)據(jù)分析，氣象站風(fēng)向算法還是不夠準(zhǔn)確，需進(jìn)一步調(diào)整。此外針對(duì)船載氣象站抗風(fēng)浪沖擊性能、密封性能等還需對(duì)其結(jié)構(gòu)做進(jìn)一步的優(yōu)化。

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孫 辰(1988-)，男，碩士，主要從事海洋設(shè)備機(jī)電一體化設(shè)計(jì)、印度洋深海資料浮標(biāo)設(shè)計(jì)及分析。

Design of the Control System for the Indian Ocean Monsoon Observation Shipborne Meteorological Station

SUN Chen1,2，CHEN Zhi-ping1，NING Chun-lin2，YANG Yang2，ZHENG Peng2

(1.SchoolofMechanicalEngineering,HangzhouDianziUniversity，Hangzhou310018,China；2.FirstInstituteofOceanography,StateOceanicAdministration,Qingdao266061,China)

Shipborne meteorological station is one of the main equipment of obtaining real-time and accurate weather data by the travelling of ship. The station which is used for scientific investigations not only requires the safety and reliability of the mechanical structure in harsh environments, but also is of high demands on sampling type, sampling precision, data processing and transmission capability of its data acquisition and control system. In order to obtain more meteorological data, research the reasons of the burst of the tropical monsoon in Indian Ocean and the process of the air-sea interaction, the article designs a high precision multiple meteorological parameters sampling and control system which is applicable to harsh sea conditions based on DT80 data logger. The article also selects and calibrates its main sensor and completes designing the hardware of its control system. The present study mainly focuses on the sampling characteristics and data processing methods of each sensor, so as to obtain reliable meteorological parameters of long and short wave radiation, humidity, air temperature, sea surface temperature and so on. Besides, the study also covers a preliminary calculation of the true wind by the shipborne meteorological station. The control system software is written according to the researches above. The entire data acquisition and control system of shipborne meteorological station is used in the actual measurement of MOMSEI voyage on Indian Ocean for a period of two weeks. Processing and analyzing of the obtained data show that the meteorological parameters measured by the shipborne meteorological station are consistent with real situations. It demonstrates that the software and hardware design of the system, especially the meteorological data processing algorithms, meet the needs of the project.

shipborne meteorological station; DT80; data processing

2013-11-20

國(guó)家海洋局第一海洋研究所基本科研業(yè)務(wù)專(zhuān)項(xiàng)資助項(xiàng)目(GY02 2010T03，GY02 2012T03)

TP29

A

1008-5300(2014)01-0014-05