黃宏智，王明輝，譚晗凌

(廣東省氣象探測(cè)數(shù)據(jù)中心，廣州 510080)

0 引言

魚(yú)塘氣象觀(guān)測(cè)是對(duì)自然狀態(tài)下魚(yú)塘生態(tài)系統(tǒng)中的氣象要素、氣候變化以及理化環(huán)境等信息進(jìn)行綜合監(jiān)測(cè)，是開(kāi)展魚(yú)塘生態(tài)環(huán)境研究的主要數(shù)據(jù)來(lái)源。其中，魚(yú)塘綜合氣象條件通過(guò)影響水中有機(jī)物質(zhì)的物理化學(xué)反應(yīng)進(jìn)程，直接控制水生生物的生長(zhǎng)、發(fā)育、生活狀態(tài)、數(shù)量消長(zhǎng)和分布等[1]，進(jìn)而對(duì)魚(yú)類(lèi)從繁殖、飼養(yǎng)、并塘越冬到起捕、病害發(fā)生等全過(guò)程產(chǎn)生關(guān)鍵作用。傳統(tǒng)的魚(yú)塘氣象觀(guān)測(cè)主要是定點(diǎn)定時(shí)觀(guān)測(cè)若干層不同深度的水溫?cái)?shù)據(jù)，數(shù)據(jù)種類(lèi)單一、頻度低，其技術(shù)體制、報(bào)文時(shí)效、觀(guān)測(cè)內(nèi)容以及組網(wǎng)能力等已不能滿(mǎn)足現(xiàn)代魚(yú)塘氣象觀(guān)測(cè)業(yè)務(wù)和服務(wù)的需求[2]。

為了切實(shí)提升魚(yú)塘氣象的觀(guān)測(cè)能力，廣東省氣象探測(cè)數(shù)據(jù)中心自主研制了一款新型的魚(yú)塘自動(dòng)觀(guān)測(cè)氣象站，其配套研發(fā)的數(shù)據(jù)處理軟件能實(shí)時(shí)采集不同層次水溫、氣溫、濕度、長(zhǎng)波輻射和短波輻射等氣象觀(guān)測(cè)要素?cái)?shù)據(jù)及統(tǒng)計(jì)極值，并按照一定的數(shù)據(jù)格式形成報(bào)文上傳至省局接收中心服務(wù)器。文章著重介紹了魚(yú)塘自動(dòng)觀(guān)測(cè)氣象站數(shù)據(jù)處理軟件的模塊結(jié)構(gòu)、要素?cái)?shù)據(jù)采集和采集器運(yùn)行參數(shù)遠(yuǎn)程設(shè)置等。

1 軟件設(shè)計(jì)方案

魚(yú)塘自動(dòng)觀(guān)測(cè)氣象站各探測(cè)要素?cái)?shù)據(jù)的獲取是上位機(jī)軟件通過(guò)發(fā)送下載分鐘常規(guī)觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)(DMGD)至主采集器進(jìn)行交互予以實(shí)現(xiàn)的，并將返回的數(shù)據(jù)以固定的數(shù)據(jù)格式存儲(chǔ)在本地業(yè)務(wù)計(jì)算機(jī)中。該軟件的設(shè)計(jì)核心是如何高效、可靠地與魚(yú)塘自動(dòng)觀(guān)測(cè)氣象站主采集器之間進(jìn)行命令和數(shù)據(jù)交互，為觀(guān)測(cè)業(yè)務(wù)人員提供精確、高頻度的魚(yú)塘環(huán)境綜合氣象信息。

在每分鐘的01秒時(shí)，魚(yú)塘自動(dòng)觀(guān)測(cè)氣象站數(shù)據(jù)處理軟件通過(guò)計(jì)算機(jī)配備的串口下行下載分鐘數(shù)據(jù)命令，一直處于監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)的魚(yú)塘自動(dòng)觀(guān)測(cè)氣象站主采集器在偵聽(tīng)到命令碼后，首先對(duì)該命令進(jìn)行合法性檢測(cè)，若為有效命令，則返回一定數(shù)據(jù)格式的數(shù)據(jù)流；若為非法命令則反饋“BAD COMMAND”錯(cuò)誤代碼。魚(yú)塘自動(dòng)觀(guān)測(cè)氣象站數(shù)據(jù)處理軟件接收到報(bào)文后，分析、提取以及顯示返回?cái)?shù)據(jù)報(bào)文的各要素?cái)?shù)據(jù)，并追加寫(xiě)入本地計(jì)算機(jī)日文件中。

2 軟件模塊介紹

根據(jù)魚(yú)塘環(huán)境的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)處理及工作參數(shù)配置需求，將軟件功能規(guī)劃為軟件初始化、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)顯示及統(tǒng)計(jì)和數(shù)據(jù)管理4個(gè)模塊。軟件設(shè)計(jì)基于數(shù)據(jù)處理時(shí)效性的要求[3]，采用多線(xiàn)程并發(fā)技術(shù)提高數(shù)據(jù)的采集及解析效率。4個(gè)模塊功能如下：

1)軟件初始化：軟件啟動(dòng)后檢測(cè)Config、Data、RunningLog等參數(shù)配置、數(shù)據(jù)存放、運(yùn)行日志文件夾是否生成，若未生成則創(chuàng)建運(yùn)行日志文件夾；配置默認(rèn)工作串口1的通信屬性(9600，8，N，1)，同時(shí)激活串口1的DataReceived事件委托等；

2)參數(shù)設(shè)置模塊：包括通信參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)兩部分。通信參數(shù)主要指串口工作參數(shù)的設(shè)置，包括串口端口號(hào)、波特率、校驗(yàn)位、數(shù)據(jù)位和停止位等；運(yùn)行參數(shù)則由站號(hào)、上下短波靈敏度以及上下長(zhǎng)波靈敏度5部分組成；

3)數(shù)據(jù)顯示及統(tǒng)計(jì)模塊：串口偵測(cè)到采集器反饋的報(bào)文數(shù)據(jù)流，啟動(dòng)數(shù)據(jù)解析模塊，提取氣溫、濕度、5層水溫和輻射等觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)，并統(tǒng)計(jì)上述要素的日極值以及極值出現(xiàn)的時(shí)間；

4)數(shù)據(jù)管理模塊：根據(jù)所選的查詢(xún)?nèi)掌?，以顯示全要素的方式回查有效期為1個(gè)月的整點(diǎn)觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)，并提供導(dǎo)出Excel表格功能。

3 軟件詳細(xì)設(shè)計(jì)

魚(yú)塘自動(dòng)觀(guān)測(cè)氣象站數(shù)據(jù)處理軟件基于Microsoft Visual C#2010開(kāi)發(fā)平臺(tái)，采用多線(xiàn)程并發(fā)處理技術(shù)和串口通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)魚(yú)塘氣象觀(guān)測(cè)報(bào)文的獲取、要素?cái)?shù)據(jù)提取顯示以及數(shù)據(jù)落地存儲(chǔ)等，為用戶(hù)提供直觀(guān)的魚(yú)塘氣象墑情和設(shè)備工作狀態(tài)。

3.1 觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)采集

魚(yú)塘自動(dòng)觀(guān)測(cè)氣象站數(shù)據(jù)處理軟件作為終端微機(jī)的上位機(jī)軟件，在每分鐘的01秒發(fā)送終端操作命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)主采集器各種參數(shù)的傳遞和設(shè)置，以及從主采集器讀取各種數(shù)據(jù)和下載文件等。主采集器正常運(yùn)行時(shí)，其串口通信模塊處于在線(xiàn)偵聽(tīng)狀態(tài)[4]，一旦接收緩沖區(qū)監(jiān)測(cè)有新數(shù)據(jù)到來(lái)，即刻啟動(dòng)命令甄別機(jī)制，判斷是否為主采集器識(shí)別的命令集中的子命令，并執(zhí)行相應(yīng)的響應(yīng)動(dòng)作。魚(yú)塘自動(dòng)觀(guān)測(cè)氣象站主采集器識(shí)別的命令如表1所示。

表1 魚(yú)塘自動(dòng)觀(guān)測(cè)氣象站主采集器識(shí)別命令

上位機(jī)軟件每分鐘利用終端微機(jī)的串口發(fā)送“下載分鐘常規(guī)觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)(DMGD)”命令至主采集器，主采集器響應(yīng)命令后，返回當(dāng)前分鐘內(nèi)涵蓋觀(guān)測(cè)時(shí)間、站號(hào)、工作電壓、配置要素觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)及統(tǒng)計(jì)值的報(bào)文，若當(dāng)前所有的配置要素?cái)?shù)據(jù)缺測(cè)，則返回“F”。同理，上位機(jī)軟件獲取整點(diǎn)數(shù)據(jù)是通過(guò)下行“下載小時(shí)常規(guī)觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)(DHGD)”予以實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵代碼說(shuō)明：

①M(fèi)yport.PortName="COM1"；

Myport.BaudRate=9600；

Myport.DataBits=8；

Myport.Parity=Parity.None；

Myport.StopBits=StopBits.One；

設(shè)置缺省的串口通信口序號(hào)為COM1，通信工作屬性如下：波特率、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗(yàn)位、停止位分別為9600、8、無(wú)、1。

②Myport.Open()；

if(Myport.IsOpen)

{

DateTime stationtime=DateTime.Now；

string currenttime=Convert.ToString(stationtime)；

string datecommand="DATETIME "；

datecommand += currenttime；

datecommand += " "；

SendCommand(datecommand)；

}

打開(kāi)軟件配置的通信串口，若打開(kāi)成功，則讀取上位機(jī)軟件所在計(jì)算機(jī)的時(shí)間，同時(shí)發(fā)送設(shè)置主采集器時(shí)間命令，確保主采集器與計(jì)算機(jī)時(shí)間的一致性。

3.2 要素?cái)?shù)據(jù)提取

主采集器在每分鐘的01秒接收到“DMGD”命令后，按照特定的數(shù)據(jù)格式將各個(gè)要素觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行組合，并以ASCII流的形式返回。上位機(jī)軟件的串口接收線(xiàn)程偵聽(tīng)到有數(shù)據(jù)到達(dá)，循環(huán)讀取串口接收緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)，直至讀到的內(nèi)容為空。讀取緩沖區(qū)內(nèi)容完畢，對(duì)報(bào)文進(jìn)行完整性核查，以接收內(nèi)容的最后兩個(gè)字符是否為“ ”作為核查依據(jù)，若接收內(nèi)容的最后兩個(gè)字符是“ ”，則作為有效報(bào)文進(jìn)入要素分析提取功能模塊，否則作為無(wú)效報(bào)文進(jìn)行丟棄。

在要素?cái)?shù)據(jù)提取過(guò)程中，首先根據(jù)報(bào)文設(shè)定的索引位置提取出觀(guān)測(cè)時(shí)間、站號(hào)和工作電壓等運(yùn)行信息；然后依次根據(jù)氣溫、濕度、水溫和輻射等各要素標(biāo)識(shí)出現(xiàn)的順序讀取數(shù)據(jù)塊，并提取出當(dāng)前觀(guān)測(cè)值、日極值及極值出現(xiàn)時(shí)間。上述各個(gè)要素的數(shù)據(jù)提取流程相似，下面以氣溫為例進(jìn)行說(shuō)明：截取氣溫標(biāo)識(shí)符(T0)后面的數(shù)據(jù)塊后，首先讀取要素質(zhì)控碼，若為00，則表示該要素?cái)?shù)據(jù)正常，將質(zhì)控碼后面的數(shù)據(jù)進(jìn)行字符串轉(zhuǎn)十進(jìn)制數(shù)處理后除以10即可得出當(dāng)前的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)，并用類(lèi)似方式提取出統(tǒng)計(jì)極值；若質(zhì)控碼為01或02，表示該觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)異?；蛟O(shè)備發(fā)生故障，則將觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)設(shè)置為“/”。要素?cái)?shù)據(jù)提取的工作流程圖如圖1所示。

圖1 要素?cái)?shù)據(jù)提取工作流程

3.3 運(yùn)行參數(shù)遠(yuǎn)程設(shè)置

為了提高主采集器的維護(hù)效率，上位機(jī)軟件配置了運(yùn)行參數(shù)遠(yuǎn)程設(shè)置的功能模塊。在上位機(jī)軟件與主采集器建立串口通信的基礎(chǔ)上，當(dāng)上位機(jī)軟件重啟或者人為干預(yù)時(shí)，上位機(jī)軟件會(huì)下行設(shè)置站號(hào)、運(yùn)行時(shí)間、上下短波輻射靈敏度和上下長(zhǎng)波輻射靈敏度等參數(shù)命令，主采集器響應(yīng)后自動(dòng)對(duì)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行更新，并以新參數(shù)帶入要素?cái)?shù)值計(jì)算。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著氣象現(xiàn)代化的深入推進(jìn)以及氣象服務(wù)領(lǐng)域的不斷拓寬，魚(yú)塘氣象觀(guān)測(cè)將在養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展的事業(yè)中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。因此，如何高效穩(wěn)定地采集魚(yú)塘環(huán)境的氣象要素?cái)?shù)據(jù)成為廣大農(nóng)業(yè)氣象工作者的一項(xiàng)重要課題。

魚(yú)塘自動(dòng)觀(guān)測(cè)氣象站數(shù)據(jù)處理軟件在廣東省農(nóng)氣站順利部署運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)獲取氣溫、濕度、5層水溫、4類(lèi)輻射等魚(yú)塘環(huán)境綜合數(shù)據(jù)，并在本地服務(wù)器構(gòu)建基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集，為農(nóng)業(yè)氣象觀(guān)測(cè)及科研提供了科學(xué)的數(shù)據(jù)支撐。同時(shí)，農(nóng)業(yè)氣象工作者通過(guò)對(duì)大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析及產(chǎn)品加工，生成了魚(yú)塘養(yǎng)殖戶(hù)容易理解的氣象服務(wù)產(chǎn)品[5]，為科學(xué)施養(yǎng)提供了精細(xì)化地指引?？深A(yù)期的是，隨著農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)需求的日益增強(qiáng)，建設(shè)魚(yú)塘觀(guān)測(cè)的站點(diǎn)也會(huì)越來(lái)越多，如何組網(wǎng)運(yùn)行及監(jiān)控將成為下一階段的重點(diǎn)研究工作。