適用于地面和探空觀測的多路溫濕度巡檢儀設(shè)計

茆文杰，劉清惓，孫 星，呂鳴晨

(1.南京信息工程大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，江蘇南京 210044；2.南京信息工程大學(xué)大氣環(huán)境與裝備技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇南京 210044；3.江蘇省氣象探測與信息處理重點實驗室，江蘇南京 210044)

0 引言

大氣的溫度、濕度等參數(shù)是了解和分析天氣預(yù)報和氣象變化極其重要的依據(jù),也是氣候診斷預(yù)測、氣候變化預(yù)估等進行科學(xué)研究必不可少的資料[1]。探空儀是采集大氣中溫度、濕度等參數(shù)的重要儀器。根據(jù)國際氣象組織對高空氣象探測的有關(guān)規(guī)定，探空儀在出廠前以及施放前要進行精度檢驗，以確定探空儀傳感器的基點是否在允許范圍內(nèi)。所以需要用一個可靠的檢驗設(shè)備來測量傳感器的技術(shù)指標(biāo)。近年來，已有不少國內(nèi)外學(xué)者就如何對探空傳感器進行精度檢驗展開研究，其主要的方法是使用基測箱。然而基測箱每次只能檢驗一個探空傳感器，對于施放探空儀量較大的氣象站和探空儀廠家需要一種可檢驗多個探空傳感器的溫濕度環(huán)境試驗箱。目前市面上沒有針對探空傳感器精度檢驗的溫濕度環(huán)境試驗箱，由于箱內(nèi)部會存在一定的不均勻性，可能會影響探空儀傳感器的精度檢驗。

為了測試溫濕度環(huán)境試驗箱能否達到檢驗探空傳感器的標(biāo)準(zhǔn)。本文提出了一種針對于地面和探空觀測的多路溫濕度巡檢儀系統(tǒng)和校驗溫濕度環(huán)境試驗設(shè)備的一套算法。校驗過程中需將探空儀放入溫濕度環(huán)境試驗箱內(nèi)，由于環(huán)境試驗箱內(nèi)溫度場存在分布誤差會影響濕度傳感器采集的相對濕度值。為消除溫度造成的影響，濕度參數(shù)應(yīng)以絕對濕度或露點作為參考，而非相對濕度。本文使用PSO優(yōu)化后的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法擬合出環(huán)境試驗設(shè)備內(nèi)溫度和絕對濕度場的分布場來校驗探空傳感器的參數(shù)指標(biāo)是否合格。

1 多路溫濕度巡檢儀系統(tǒng)設(shè)計

多路巡檢儀系統(tǒng)是基于ARM的Cortex-M3架構(gòu)的STM32F103處理器，主要有24路信號采集通道(9路濕度傳感器和15路四線制PT100)，RS485通信接口，24位∑-Δ模/數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7794，7英寸彩色液晶顯示屏以及電源模塊。有U盤拷貝數(shù)據(jù)(Excel格式或.NHD格式)和電池供電等功能。整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

1.1 多路溫濕度巡檢儀電路設(shè)計

由于鉑電阻具有精度高、性能可靠、抗氧化性好、物理化學(xué)性能穩(wěn)定、有較高的電阻率等特點，所以本設(shè)計采用了鉑電阻作為溫度傳感器[2]。濕度傳感器選取的是HC2-C04，HC2系列是基于AirChip3000技術(shù)的數(shù)字濕度探頭。HC2探頭包含了HygroClip獨特技術(shù)的所有優(yōu)勢，具有熱交換功能的探頭以及有顯著改善區(qū)域測量精度和功能的特點。同時HC2作為標(biāo)準(zhǔn)的獨立設(shè)備，可作為模擬量輸出信號或者應(yīng)用數(shù)字接口。

巡檢儀共有15個溫度測量通道和9個濕度測量通道。使用四線制電橋法測溫，不僅可以消除連接線阻值的影響，還可以消除連接導(dǎo)線間接觸電阻及其阻值變化的影響。采用高精度24位∑-Δ模/數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7794對溫濕度信號進行采集，為了保證信號的轉(zhuǎn)換速率，同時要盡量降低RMS。本文選擇增益為1，更新速率為8.33 Hz，此時的RMS為1.04 μV。但由于AD7794只具備6通道測量功能，不能滿足24通道測量的需求[3]。故選用單路十六選一，雙路八選一的開關(guān)選擇器ADG706，作為ADC的輸入通道選擇器。傳感器通過開關(guān)選擇器后連接到ADC的差分通道上。由于ADC采集到的是模擬信號，所以要將此模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號來處理。它的基準(zhǔn)電壓會直接影響AD7794的轉(zhuǎn)換精度。因此一個精準(zhǔn)可靠的基準(zhǔn)電壓對A/D轉(zhuǎn)換是非常重要的。本文使用ADR444ARZ芯片為ADC提供一個4.096 V的基準(zhǔn)電源[4]。此電路的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 傳感器系統(tǒng)框圖

本系統(tǒng)采集的是微弱信號，對噪聲的處理尤為重要。傳感器噪聲的主要來源是來自系統(tǒng)內(nèi)外的干擾。它的耦合方式有輻射耦合、直接耦合、電容耦合與電磁耦合等。本文在采用了電路布置時避免形成環(huán)路；回路設(shè)計時采用平衡方式；將數(shù)字和模擬電路的供電和接地分開布置；在供電的引腳放置LC濾波電路；在電路板外加一層金屬屏蔽殼等措施來抑制噪聲。

1.2 溫度、相對濕度和絕對濕度的換算關(guān)系

現(xiàn)行的我國《地面氣象觀測規(guī)范》采用的是戈夫-格雷奇(Goff-Gratch)公式來計算空氣中的飽和水汽壓[5]。也是世界氣象組織推薦使用的一種計算方式。本文將其作為參考公式。

在純水的平面表面，0～100 ℃范圍內(nèi)的飽和水汽壓公式如下：

(1)

式中：T1=273.16 ℃(水三相點溫度)；T=273.15+t(℃)(絕對溫度)；E為純水平面飽和水汽壓，hPa。

純冰的平面表面，-100～0℃范圍的飽和水汽壓公式如下：

(2)

式中：T1=273.16(水三相點溫度)；T=273.15+t(℃)(絕對溫度)；E為純水平面飽和水汽壓，hPa。

一定環(huán)境溫度下，相對濕度RH是空氣中的待測空氣中的實際水汽壓強e與該溫度下的飽和水汽壓強E的比值：

(3)

絕對濕度ρω也可用水的蒸氣壓來表示：

(4)

式中：e為水汽的實際壓強；m為在空氣中溶解的水的質(zhì)量；V為空氣的體積；Rw為水蒸氣的氣體常數(shù)，462 J/(kg·K)=462 N·m/(kg·K)(1 J=1 N·m)。

系統(tǒng)首先通過溫度傳感器測量出當(dāng)前環(huán)境的溫度t，可由式(1)得到飽和水汽壓E。然后讀取濕度傳感器采集值(相對濕度)，可由式(3)求出當(dāng)前水汽壓強e。最后將e帶入式(4)可計算出相應(yīng)的絕對濕度ρω。

1.3 UI界面設(shè)計

此系統(tǒng)設(shè)計要將測量到的各通道溫度、濕度信息在7英寸的LCD屏上實時顯示出來。不但可以顯示數(shù)據(jù)，還可以直觀觀測出數(shù)據(jù)波形，同時還可以保存成時間對應(yīng)點數(shù)據(jù)文件，方便后續(xù)數(shù)據(jù)調(diào)用。UI界面如圖3所示。

圖3 UI界面圖

2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和粒子群算法擬合

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法是一種當(dāng)前使用非常廣泛的算法，它的本質(zhì)是由很多個小的非線性函數(shù)組成的大的非線性函數(shù)，反映的是輸入變量到輸出變量之間所存在的一種復(fù)雜的映射關(guān)系[6]。其中BP(back propagation)是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中最具有代表性而且最成功的算法之一。它由數(shù)據(jù)流的正向傳播和誤差信號的反向傳播2個過程構(gòu)成。即誤差輸出的計算是從輸入層到輸出層，而對權(quán)值和閾值的調(diào)整則是從輸出層到輸入層的。BP算法的目的是利用梯度下降法來調(diào)整輸入節(jié)點與隱層節(jié)點的聯(lián)接權(quán)重和隱層節(jié)點與輸出節(jié)點的聯(lián)接強度以及閾值，使得網(wǎng)絡(luò)的實際輸出值和期望輸出值的誤差均方差最小[7]。權(quán)值和閾值的初始值對BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可靠性的影響很大，為此本文提出了利用PSO來尋找最優(yōu)權(quán)值和閾值，避免BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)陷入局部極小值，并提高其穩(wěn)定性。

粒子群算法(PSO)是一種仿生算法，它是模擬鳥群覓食行為的智能優(yōu)化算法，鳥群中的鳥在搜索空間中單獨搜尋當(dāng)前的個體極值(局部最優(yōu)解)，并將個體極值與整個鳥群里的其他鳥共享，找出最優(yōu)的個體極值作為整個鳥群的當(dāng)前全局最優(yōu)解[8]。因為食物位置信息在鳥群間傳遞并不斷更新，所以該算法能有更多機會求解全局最優(yōu)解，避開局部最優(yōu)解。使用PSO優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的目的是通過粒子群算法得到網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)初始權(quán)值和閾值[9]。

本文使用的是經(jīng)過PSO優(yōu)化后的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，它包括輸入層、隱含層和輸出層[9]。然后建立一個三維的空間，以溫濕度傳感器在空間內(nèi)的坐標(biāo)(x、y、z)作為輸入層參數(shù)，將該坐標(biāo)的溫濕度值作為輸出層，通過算法擬合可以獲得坐標(biāo)和溫濕度值的函數(shù)關(guān)系。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型如圖4所示。

圖4 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型圖

設(shè)定BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入層神經(jīng)元為3個，輸出層神經(jīng)元為1個，隱含層神經(jīng)元為12個，學(xué)習(xí)速率設(shè)為0.05，訓(xùn)練結(jié)果設(shè)為0.001，訓(xùn)練次數(shù)設(shè)為5 000，粒子群算法的種群個數(shù)為40，學(xué)習(xí)因子C1、C2為2，約束因子r為1[10]。將實驗樣本的90%作為訓(xùn)練樣本，通過MATLAB對BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行訓(xùn)練學(xué)習(xí)，并用另一部分數(shù)據(jù)進行測試。本文隱含層傳遞函數(shù)選擇tansig，輸出層傳遞函數(shù)選擇purelin。溫濕度傳感器在空間內(nèi)的坐標(biāo)和對應(yīng)的溫濕度值之間關(guān)系式如下：

U=purelin{tansig(X·W1j+Y·W2j+Z·W3j+θi)·Wki+ak}

(5)

式中：W1j、W2j、W3j分別為縱坐標(biāo)X、橫坐標(biāo)Y、高度坐標(biāo)Z對應(yīng)的由輸入層到隱含層的權(quán)值；Wki為隱含層到輸出層的權(quán)值；θ1、θ2，…，θ12為隱含層閾值；ak為輸出層閾值。具體值如圖5所示。

圖5 訓(xùn)練后BP網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值和閾值

圖5中：T1、T2是將2組溫度值作為輸出層神經(jīng)元的訓(xùn)練結(jié)果；U1、U2是將2組絕對濕度值作為輸出層神經(jīng)元的訓(xùn)練結(jié)果；輸入層節(jié)點數(shù)j=1、2、3；隱含層節(jié)點數(shù)i=1、2、…、12；輸出層節(jié)點數(shù)k=1。

3 實驗數(shù)據(jù)對比分析

在此實驗中選取的是YGM-C系列的鑒定箱作為環(huán)境試驗設(shè)備。為驗證此設(shè)備內(nèi)部兩次的溫度場和絕對濕度場是否穩(wěn)定并且分布均勻。將環(huán)境試驗設(shè)備設(shè)置溫度為20 ℃、濕度為60%RH，將溫濕度傳感器放置在試驗設(shè)備內(nèi)，并記錄下傳感器的位置。使用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合出溫度場T1的分布，再通過溫度、相對濕度和絕對濕度的換算關(guān)系推出絕對濕度，然后擬合出絕對濕度場的分布U1。重復(fù)上述的實驗流程，但改變各個溫濕度傳感器放置的位置。使用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合出溫度場的分布T2，和絕對濕度場的分布U2。

在T1、T2的溫度場中分別取30個對應(yīng)相同位置的點，然后對比每個點的溫度值，對比結(jié)果如圖6所示。

圖6 溫度場結(jié)果對比

在U1、U2的絕對濕度場中分別取30個對應(yīng)相同位置的點，然后對比每個點的絕對濕度，對比結(jié)果如圖7所示。

圖7 絕對濕度場結(jié)果對比

通過對這60組數(shù)據(jù)進行分析和計算，溫度場的最大絕對誤差為0.07 ℃，均方根誤差為0.041 ℃；絕對濕度場的最大絕對誤差為0.1 g/L，均方根誤差為0.063 g/L?？傻贸鲈撛O(shè)備內(nèi)部的溫度場和絕對濕度場分布均勻而且穩(wěn)定。

4 結(jié)論

本文設(shè)計了一種適用于地面和探空觀測傳感器的多路溫濕度巡檢儀系統(tǒng)，使用電流源和四線制的測量方式，通過開關(guān)選擇器連接具有內(nèi)置低噪聲放大器的24位∑-ΔADC對溫濕度信號進行采集。通過LCD屏對溫濕度數(shù)據(jù)進行實時顯示，通道選擇和采集時間間隔設(shè)定。并提出校驗溫濕度環(huán)境試驗設(shè)備的一套算法。即通過PSO優(yōu)化的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，擬合出溫度場和絕對濕度場分布，判斷試驗箱內(nèi)部的溫濕度環(huán)境參數(shù)是否達標(biāo)。最后該系統(tǒng)有望在今后的探空站和探空儀生產(chǎn)廠商進行推廣和應(yīng)用。