氣象數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)研究

張 民

（蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)學(xué)院氣象系，甘肅 蘭州 730021）

1 引言

氣象學(xué)是從定性和定量?jī)煞矫娣治龃髿馓卣?、用以說(shuō)明大氣現(xiàn)象成因、科學(xué)利用氣象條件的重要學(xué)科，氣象數(shù)據(jù)的采集與傳輸是氣象科學(xué)研究的基礎(chǔ)。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，迫切需要建立基于ARM、GPRS 等的氣象數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)，使其方便靈活、快速準(zhǔn)確、科學(xué)實(shí)用的氣象觀測(cè)和數(shù)據(jù)處理功能在航空航天、海洋、農(nóng)業(yè)、軍事等多種行業(yè)中發(fā)揮日益強(qiáng)大的作用。因此，如何從提高氣象數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性和可靠性出發(fā)，深入分析和研究氣象數(shù)據(jù)的采集、處理與傳輸原理，運(yùn)用計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，設(shè)計(jì)和開發(fā)低功耗、結(jié)構(gòu)合理、功能強(qiáng)大、傳輸便捷、能夠滿足現(xiàn)代氣象檢測(cè)和預(yù)報(bào)要求的氣象數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)，為天氣預(yù)報(bào)、科學(xué)研究以及各類氣候?yàn)?zāi)害的預(yù)警和決策提供有力的技術(shù)支撐，已越來(lái)越成為專家學(xué)者探討的熱點(diǎn)和研究的重點(diǎn)課題。

2 氣象數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)外早在上個(gè)世紀(jì)50 年代就開始了氣象數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究，如美國(guó)研制的第一代自動(dòng)氣象數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)“AMOS～Ⅲ型自動(dòng)氣象站”，雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、要素少，既不能適應(yīng)較為殘酷的氣候條件，也無(wú)法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和傳輸，但卻開創(chuàng)了氣象數(shù)據(jù)采集歷史的先河。70 年代后，美國(guó)Handar 公司與Sutton 公司專項(xiàng)合作開發(fā)研制，芬蘭Vaisala 公司以及澳大利亞Data Electronics 公司都成功地將集成電路、微處理器等技術(shù)運(yùn)用于氣象數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。隨后，氣象數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)不斷更新?lián)Q代和商業(yè)化的同時(shí)，在世界范圍內(nèi)多個(gè)領(lǐng)域迅速發(fā)展并取得了令人矚目的進(jìn)步。

國(guó)內(nèi)氣象數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究起步較晚，首臺(tái)在青海省試運(yùn)行的無(wú)人自動(dòng)氣象站建于70 年代初。90 年代后，我國(guó)第一批自動(dòng)氣象數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)定型，標(biāo)志著我國(guó)氣象數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究工作進(jìn)入嶄新的歷史時(shí)期。進(jìn)入新世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)自動(dòng)氣象數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)迅速發(fā)展并逐步實(shí)現(xiàn)了測(cè)量精度、穩(wěn)定性等關(guān)鍵技術(shù)的突破，建站萬(wàn)余家，并成功實(shí)現(xiàn)了組網(wǎng)。如今，網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)、軟件科學(xué)、通信和監(jiān)測(cè)等技術(shù)的發(fā)展，必將帶動(dòng)多功能、智能化、高精度、高可靠性的氣象數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)一步向縱深方向發(fā)展。

3 氣象數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理與功能實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)方案分析

完整的氣象數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由硬件和軟件組成。國(guó)內(nèi)采集系統(tǒng)多以微處理器為核心，主要采用基于ARM 技術(shù)、基于MSCl210 等的集散式體系架構(gòu)和CAN 總線式結(jié)構(gòu)。集散式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集站、上位機(jī)及通信線路等組成，數(shù)據(jù)采集站對(duì)不同傳感器采集的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，采用串行、并行或無(wú)線方式等多種通信方法將數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)，上位機(jī)可對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、計(jì)算、存儲(chǔ)或打??；而總線式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)則是通過(guò)總線掛接各種功能模塊(板)來(lái)采集和處理分散配置的各個(gè)傳感器信號(hào)?？偩€式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可將總線延伸到現(xiàn)場(chǎng)每臺(tái)采集設(shè)備，其信號(hào)傳輸最突出優(yōu)點(diǎn)就是可有效避免長(zhǎng)距離傳輸中的信號(hào)衰減、精度下降和失真現(xiàn)象。

GPRS 是基于全球移動(dòng)通信系統(tǒng)的高效的數(shù)據(jù)處理科技，它運(yùn)用可靠的無(wú)線、分組共享信道和交換技術(shù)，為用戶提供端到端的無(wú)線IP 連接，其特點(diǎn)是接入時(shí)間短、傳輸速率高，更為重要的是，GPRS 用戶雖然一直在線，但只有接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)刻才會(huì)占用資源，即意味著系統(tǒng)內(nèi)多用戶不僅可高質(zhì)高效地共享氣象網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)信息，大大提高資源的利用率，而且可以按實(shí)際通信流量支付數(shù)據(jù)流量費(fèi)。

3.2 系統(tǒng)組成

氣象數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)組成框圖，如圖1。

圖1 氣象數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)組成框圖

數(shù)據(jù)的采集由溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向以及雨量等傳感器、數(shù)據(jù)采集模塊采集和處理分散配置的各個(gè)傳感器信號(hào)，通過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，氣象六大要素傳感器采集數(shù)據(jù)的變換，見表1；GPRS 可提供端到端分組轉(zhuǎn)移模式下大數(shù)據(jù)量的發(fā)送和接收服務(wù)，完成氣象數(shù)據(jù)的傳輸任務(wù)。

表1 氣象六大要素傳感器采集數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換

3.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)工作原理與功能實(shí)現(xiàn)

氣象數(shù)據(jù)采集，無(wú)論是基于MSC1210、基于ARM 還是基于SEP3203 的數(shù)據(jù)采集，其系統(tǒng)工作原理相近，都是利用傳感器對(duì)溫度、濕度、氣壓、雨量、風(fēng)向、風(fēng)速等6大氣象要素值進(jìn)行采集，將采集到的氣象要素經(jīng)過(guò)處理器，適時(shí)完成對(duì)從無(wú)線組網(wǎng)模塊接收到的氣象要素的數(shù)據(jù)處理，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮?、電壓、頻率、脈沖信號(hào)等物理量。其中，溫度、濕度、氣壓的模擬電壓經(jīng)通用性很強(qiáng)的可編程放大器進(jìn)行信號(hào)的調(diào)理放大；風(fēng)速傳感器的是利用了低慣性的風(fēng)杯部件作為傳感器感應(yīng)器件，風(fēng)感應(yīng)器件隨風(fēng)旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)部件帶動(dòng)內(nèi)置的風(fēng)速碼盤響應(yīng)和進(jìn)行適時(shí)的光電掃描，并將相應(yīng)的電脈沖信號(hào)輸出；風(fēng)向傳感器的工作原理與風(fēng)速傳感器類似，是利用一個(gè)低慣性的風(fēng)向標(biāo)部件作為感應(yīng)部件，風(fēng)向標(biāo)部件隨風(fēng)旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)部件帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸下端的光電風(fēng)向碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)和進(jìn)行適時(shí)的光電掃描，并將相應(yīng)的電脈沖信號(hào)輸出；雨量傳感器所采用的翻斗式雨量計(jì)，當(dāng)漏斗狀承水器匯集雨水后，雨水會(huì)在自重力作用下從承水器下方小孔流出，流經(jīng)翻斗時(shí)，帶動(dòng)翻斗的翻動(dòng)，其上方的磁鋼隨翻斗的翻動(dòng)，吸合干簧開關(guān)，干簧開關(guān)將通斷信號(hào)連續(xù)不斷地送出，雨量的計(jì)算可通過(guò)對(duì)數(shù)字脈沖的計(jì)數(shù)得到。

微處理器對(duì)所有輸入信號(hào)進(jìn)行整形、轉(zhuǎn)換或放大，轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)據(jù)采集器可以直接測(cè)量到的物理信號(hào)，同時(shí)該系統(tǒng)通過(guò)定時(shí)，計(jì)數(shù)器根據(jù)不同的氣象要素觀測(cè)要求，控制其采樣間隔時(shí)間，對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行線性化和定標(biāo)處理，實(shí)現(xiàn)工程量到要素量的轉(zhuǎn)換，并定期將存儲(chǔ)的氣象數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS 模塊傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理中心。

3.4 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)工作原理與功能實(shí)現(xiàn)

氣象數(shù)據(jù)的傳輸多采用GPRS 的無(wú)線傳輸方式實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的收發(fā)。GPRS 即通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)，以串行方式連接到控制器上，GPRS 的網(wǎng)絡(luò)工作方式是以IP 為基礎(chǔ)的，因此目標(biāo)服務(wù)器端并非必須通過(guò)接入控制器與終端設(shè)備進(jìn)行連接，只需要簡(jiǎn)單接入具備IP 地址的互聯(lián)網(wǎng)即可。氣象數(shù)據(jù)傳輸流程示意，見圖2。

圖2 氣象數(shù)據(jù)傳輸流程示意圖

氣象數(shù)據(jù)采集終端在完成了氣象數(shù)據(jù)的采集與實(shí)時(shí)顯示之后，經(jīng)由GPRS 模塊發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)終端。網(wǎng)絡(luò)終端通過(guò)一定的軟硬件配置，搭建WEB 站點(diǎn)和建立數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)氣象信息的存儲(chǔ)與管理。網(wǎng)絡(luò)終端通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接收軟件接收到各類氣象采集數(shù)據(jù)，運(yùn)用功能強(qiáng)大的操縱和管理數(shù)據(jù)庫(kù)文本文件的數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，進(jìn)行分類、存儲(chǔ)和管理，用戶通過(guò)WEB 頁(yè)面對(duì)SQL 數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行訪問(wèn)，實(shí)現(xiàn)用戶注冊(cè)、信息檢索、信息統(tǒng)計(jì)以及信息管理等功能。

3.5 氣象數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)要求

氣象數(shù)據(jù)采集與傳輸主機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，除按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行軟硬、件配置，還應(yīng)與外界物理隔離，符合防火、防水、防潮和冗余設(shè)計(jì)要求；安裝防火墻等查毒、殺毒軟件，并定期進(jìn)行補(bǔ)漏和升級(jí)，使網(wǎng)絡(luò)環(huán)境變得更加安全；將系統(tǒng)設(shè)計(jì)與系統(tǒng)管理緊密結(jié)合起來(lái)，對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行用戶終端監(jiān)控，實(shí)施身份鑒別、自主訪問(wèn)控制、安全審計(jì)等策略，確保系統(tǒng)安全。

4 結(jié)論

綜上所述，氣象數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)的開發(fā)與設(shè)計(jì)是一項(xiàng)綜合性技術(shù)，只有從實(shí)際出發(fā)，對(duì)系統(tǒng)的工作環(huán)境、總體結(jié)構(gòu)、工作原理以及軟硬件配置等進(jìn)行認(rèn)真的分析和研究，才能開發(fā)穩(wěn)定、可靠和經(jīng)濟(jì)實(shí)用的遠(yuǎn)程氣象數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)，為科學(xué)研究、災(zāi)害預(yù)警等決策服務(wù)提供科學(xué)的、及時(shí)準(zhǔn)確的地面氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)。

[1]閭軍.基于ARM的無(wú)線氣象數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2012，（5）：178-180.

[2]邵凌.基于GPRS的氣象數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[D].大連：大連理工大學(xué)，2008.

[3]劉銀鋒.自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D].南京：南京信息工程大學(xué)，2009.