王 麗

(南京航空航天大學(xué)金城學(xué)院，南京 211156)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，環(huán)境問題日益突出，已成為制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸［1］。環(huán)境的好壞不僅關(guān)系到社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，而且直接影響人們的生活質(zhì)量，甚至關(guān)系到人類與地球上其他生物能否長期共存。在環(huán)境保護(hù)及氣象監(jiān)測方面，區(qū)域性小型自動(dòng)氣象站［2］扮演著不可或缺的角色。它通過收集和處理不同區(qū)域范圍內(nèi)采樣點(diǎn)的氣象數(shù)據(jù)，增大了氣象監(jiān)測在空間分布和探測時(shí)間的密度，提高了小區(qū)域氣象監(jiān)測和預(yù)警的能力，同時(shí)為研究局部氣候、分析局部小氣候規(guī)律、檢測環(huán)境質(zhì)量以及預(yù)測未來氣象走向提供了依據(jù)。因此，對(duì)遠(yuǎn)程智能控制氣象站［3］的研究具有重大的實(shí)用價(jià)值。

我國的環(huán)境監(jiān)測普遍采用人工取樣和實(shí)驗(yàn)室半脫機(jī)方式［4］。文獻(xiàn)［5］采用有線方式對(duì)地面氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，即主要通過RS232、RS485和交叉網(wǎng)線等方式與主機(jī)通信。該方式布線成本較高，靈活性較差，施工困難且維護(hù)成本高，尤其對(duì)于復(fù)雜地形的山區(qū)，此種方法的缺點(diǎn)更加明顯。我國現(xiàn)有污染源企業(yè)20多萬家，落后的監(jiān)測手段無法滿足長效監(jiān)控和科學(xué)管理要求。自動(dòng)化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化已成為目前世界環(huán)境檢測及氣象監(jiān)測領(lǐng)域的發(fā)展趨勢。目前，采用無線傳輸方式，網(wǎng)站服務(wù)，區(qū)域共享的氣象站系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一種行之有效的方法［6］。

本文研究了區(qū)域共享小型氣象站的組建方法。在此基礎(chǔ)上結(jié)合構(gòu)建嵌入式Web服務(wù)器技術(shù)、嵌入式技術(shù)、無線通信技術(shù)，開發(fā)了一套網(wǎng)絡(luò)在線監(jiān)測、配置的區(qū)域共享、智能遠(yuǎn)程控制小型氣象站系統(tǒng)。本系統(tǒng)氣象信息以網(wǎng)頁形式呈現(xiàn)，有數(shù)據(jù)、圖表等多種表現(xiàn)形式。小型氣象站系統(tǒng)對(duì)于提高氣象監(jiān)測的效率起到了重要的作用。

1 智能氣象站系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的智能遠(yuǎn)程控制、區(qū)域共享氣象站系統(tǒng)包括總站、基站與互聯(lián)網(wǎng)3部分，如圖1所示?？傉居蓴?shù)據(jù)處理模塊、存儲(chǔ)模塊(SD卡)、無線通信模塊組成。每個(gè)基站由傳感器模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、電源模塊、時(shí)鐘模塊、顯示模塊、無線通信模塊、儀表安裝架組成。互聯(lián)網(wǎng)由1臺(tái)服務(wù)器、可在局域網(wǎng)訪問的網(wǎng)站及數(shù)據(jù)庫組成。

無線通信實(shí)現(xiàn)了基站與總站之間的數(shù)據(jù)傳輸，總站將接收到的氣象數(shù)據(jù)存入存儲(chǔ)器模塊，并通過串口驅(qū)動(dòng)模塊將氣象信息寫入數(shù)據(jù)庫。用戶可通過互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測區(qū)域環(huán)境質(zhì)量。該系統(tǒng)為分析、預(yù)測未來走向提供大量實(shí)時(shí)氣象數(shù)據(jù)。

圖1 自動(dòng)氣象站系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 基站設(shè)計(jì)

基站主要完成區(qū)域氣象數(shù)據(jù)的采集和傳輸功能。采集氣象信息的傳感器模塊配備風(fēng)向、風(fēng)速傳感器，溫、濕度傳感器，雨量傳感器等。主板核心采用51架構(gòu)單片機(jī)及其配套的標(biāo)準(zhǔn)I/O板卡，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理功能。將多個(gè)采樣點(diǎn)的氣象數(shù)據(jù)存入存儲(chǔ)器模塊，并按照周期為60 s的速度、基站1-2-3的順序，將采樣的氣象數(shù)據(jù)發(fā)送至總站，并避免發(fā)生數(shù)據(jù)堵塞。

1.1.1 溫、濕度采樣電路設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的智能氣象站的溫、濕度采樣電路如圖2所示。采用SHT11數(shù)字式、高精度溫濕度傳感器，采集的數(shù)字溫、濕度值送入單片機(jī)的P1.0口(模擬IIC總線的數(shù)據(jù)線)、P1.1口模擬輸出時(shí)鐘信號(hào)輸入到SHT11中。SHT11經(jīng)多次校準(zhǔn)后，濕度精度可達(dá)到±0.5%，溫度精度可達(dá) ±0.1%。

圖2 溫、濕度采樣電路

1.1.2 風(fēng)速、風(fēng)向、雨量采樣電路設(shè)計(jì)

采用TX系列風(fēng)向傳感器可輸出5～24 V的DC信號(hào)。風(fēng)向測量范圍是0°～360°，分為16個(gè)不同的方向，分辨率為22.5°。

風(fēng)速傳感器采用三杯式、脈沖型HL-FS2，有效測速范圍可達(dá)0～40 m/s。多次調(diào)整程序算法后，校準(zhǔn)后的精度可達(dá)±0.1 m/s。

雨量器主要由自制的集雨裝置、計(jì)量裝置、計(jì)時(shí)裝置和其他輔助裝置組成。集雨裝置由2部分組成，上部是一個(gè)直徑為20 cm的上大下小的漏斗，雨水順著漏斗邊沿流進(jìn)下部的翻斗中，當(dāng)收集的雨水超過預(yù)訂量時(shí)，翻斗翻轉(zhuǎn)到另一邊。采用光電傳感器對(duì)雨量漏斗的翻轉(zhuǎn)次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，由漏斗容量與翻轉(zhuǎn)次數(shù)的乘積計(jì)算出當(dāng)?shù)氐慕涤炅俊?/p>

1.1.3 無線傳輸、顯示、時(shí)鐘、電源模塊

無線傳輸APC220模塊是高度集成、半雙工、微功率無線數(shù)據(jù)傳輸模塊。將APC220輸出的TTL電平信號(hào)與單片機(jī)的UART串行口連接即可實(shí)現(xiàn)發(fā)送/接收信號(hào)功能。在無障礙物的野外開闊地，傳輸距離可達(dá)1 km;有障礙物時(shí)，傳輸距離在100～150 m。

將采集的溫濕度、風(fēng)速、風(fēng)向的氣象數(shù)據(jù)通過8位并行接口方式顯示在12864液晶屏上，構(gòu)成全中文人機(jī)交互圖形界面，液晶屏上的氣象數(shù)據(jù)每秒更新一次。

系統(tǒng)采用DS1302的時(shí)鐘模塊提供實(shí)時(shí)的秒、分、時(shí)、日、星期、月和年顯示。它可以自動(dòng)調(diào)整，且具有閏年補(bǔ)償功能，能為無線數(shù)據(jù)傳輸過程中的時(shí)間校準(zhǔn)提供參考。系統(tǒng)使用雙電源供電(主電源和備用電源)，并設(shè)置備用電源充電方式。采用的12 V/6 800 mA的鋰電池為該系統(tǒng)提供5 V電壓。

1.2 總站設(shè)計(jì)

總站包括數(shù)據(jù)處理模塊、無線接收/發(fā)送模塊，存儲(chǔ)器模塊、串口驅(qū)動(dòng)模塊?；緦⒉杉臍庀笮畔⑼ㄟ^無線傳輸模塊發(fā)送至總站?？傉鞠葘o線接收到的氣象信息存儲(chǔ)至存儲(chǔ)器模塊，然后通過串口驅(qū)動(dòng)將數(shù)據(jù)寫入后臺(tái)數(shù)據(jù)庫中。存儲(chǔ)器模塊的主要功能是避免服務(wù)器掉電后丟失氣象數(shù)據(jù)。串口與數(shù)據(jù)庫接口驅(qū)動(dòng)采用Visual Basic(VB)語言開發(fā)，主要利用MSCOMM控件實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與電腦的串口間接通信。串口的數(shù)據(jù)被取出后，系統(tǒng)利用VB語言處理數(shù)據(jù)，拼湊成數(shù)據(jù)庫識(shí)別的SQL語言，通過VB與MySql的ODBC驅(qū)動(dòng)橋連接將處理后的數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫，達(dá)到存儲(chǔ)氣象數(shù)據(jù)至數(shù)據(jù)庫的目的。

1.3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體流程如圖3所示。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括2部分，即基站的傳感器節(jié)點(diǎn)采樣、無線發(fā)送和總站接收、傳送至上位機(jī)?；?、2、3與總站均帶有就地液晶顯示功能，總站首先將無線接收氣象信息存至存儲(chǔ)卡以避免網(wǎng)站服務(wù)器出現(xiàn)故障，防止造成丟失氣象信息的錯(cuò)誤。

圖3 氣象站系統(tǒng)總體流程

1.4 互聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)

網(wǎng)站采用Java Serverlet+MVC+EXTJS的框架設(shè)計(jì)，采用1.7的JDK作為開發(fā)庫。數(shù)據(jù)庫采用免費(fèi)的MySQL，前臺(tái)與數(shù)據(jù)庫交互采用JSON數(shù)據(jù)格式。系統(tǒng)安裝Winserver 2003服務(wù)器系統(tǒng)，配置Java運(yùn)行環(huán)境，以Tomcat6.0為平臺(tái)，將網(wǎng)站掛在此服務(wù)器上。服務(wù)器開機(jī)后自動(dòng)啟動(dòng)串口到MySQL數(shù)據(jù)庫的接口驅(qū)動(dòng)程序，將無線接收到的氣象數(shù)據(jù)通過串行口傳入數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳遞。網(wǎng)站設(shè)置了安全措施，通過用戶名和密碼登陸氣象站網(wǎng)站。圖4為該網(wǎng)站執(zhí)行界面，網(wǎng)站主要提供數(shù)據(jù)監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析、查看監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)功能。

數(shù)據(jù)監(jiān)測功能以表格形式呈現(xiàn)3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的實(shí)時(shí)或歷史氣象數(shù)據(jù)。查看監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)功能則以折線圖形式呈現(xiàn)各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)當(dāng)天、本周、本月的氣象數(shù)據(jù)，展現(xiàn)氣象變化過程。也可查看各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的實(shí)時(shí)、歷史數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)分析功能分析當(dāng)天、本周、本月的平均氣象數(shù)據(jù)，也可自定義分析氣象數(shù)據(jù)。用戶定制分析數(shù)據(jù)，制定采樣頻率分析某一段時(shí)間內(nèi)的氣象數(shù)據(jù)變化過程，即用戶按天或者小時(shí)分析氣象數(shù)據(jù)，自定義起始、結(jié)束日期，分析各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的氣象數(shù)據(jù)，如圖5所示。本系統(tǒng)以多樣化形式呈現(xiàn)氣象數(shù)據(jù)，從而使用戶更加直觀、方便地了解和分析氣象信息。

圖4 氣象站系統(tǒng)網(wǎng)站界面

圖5 自定義分析氣象數(shù)據(jù)

2 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種智能遠(yuǎn)程控制區(qū)域共享氣象站。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的功能，具有高精度、高可靠性、低功耗、工作溫度寬等特點(diǎn)。在輕微遮擋情況下，氣象站系統(tǒng)可靠測量的概率接近100%。在后續(xù)的工作中，可以加入對(duì)歷史氣象數(shù)據(jù)的進(jìn)一步分析及對(duì)未來氣象的預(yù)測。

［1］張嫚.經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)的共生策略［J］.財(cái)經(jīng)問題研究，2001，5(3):74-80.

［2］中國氣象局.《II型自動(dòng)氣象站》行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)［S］.2000.

［3］劉豐軍，尹利國，趙熙.一種智能大氣數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)測量與控制，2006，14(12):1614-1615.

［4］王柏林.基于中尺度自動(dòng)氣象站的資料收集處理系統(tǒng)研究與應(yīng)用［D］.北京:中國氣象科學(xué)研究院，2006.

［5］岳立成.利用RS-485總線實(shí)現(xiàn)氣象要素分布式自動(dòng)采集［J］.氣象水文海洋儀器，2005，3(4):115-117.

［6］Fukatsu T，Hirafuji M.Field monitoring using sensornodes with a web server［J］.Journal of Robotics and Mechatronics，2005，17(2):164-172.