氣壓傳感器智能檢定系統(tǒng)研究和實現(xiàn)

雷 瑩*，陸 揚，李 迪，董立亭

（1.貴州省大氣探測技術與保障中心，貴州 貴陽 550002；2.貴州省氣象災害防御技術中心，貴州 貴陽 550002）

近幾年通過山洪項目建設，各地市級已全配備移動式現(xiàn)場校準的相關標準器和配套設備，使得地市氣象計量檢定能力建設具備了一定的硬件基礎[1-2]。2017 年中國氣象局下發(fā)了《國家地面天氣站布局方案》（中氣函[2017]134 號），對各省市國家天氣站建設布局提出了具體要求，并指出國家天氣站傳感器計量工作參照國家級臺站執(zhí)行，致使提升地市計量檢定能力迫在眉睫[3]。

本研究通過現(xiàn)有的自動氣象站氣壓傳感器計量檢定業(yè)務所采集的數(shù)據(jù)進行分析，完成對氣壓傳感器檢定的原始數(shù)據(jù)進行采集，對氣壓傳感器的通訊參數(shù)可以進行設置，可錄入計量標準器、被檢儀器信息、檢定地點及人員等信息，設置壓力控制器到達設置的壓力點，可自動生成原始記錄文件，并本地存儲，系統(tǒng)留有與數(shù)據(jù)庫通信的接口，可實現(xiàn)與數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)交互，原始記錄可上傳至數(shù)據(jù)庫，解決了現(xiàn)有氣壓傳感器計量業(yè)務需求并提高了工作效率。

1 氣壓傳感器智能檢定系統(tǒng)設計

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構

系統(tǒng)中心端采用B/S 架構，采集系統(tǒng)采用C/S 架構，服務器端建立WEB 應用服務，采用MySQL 數(shù)據(jù)庫軟件建立存儲數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)存儲格式滿足《氣象計量信息數(shù)據(jù)格式》的要求，具體流程，見圖1。

圖1 氣壓傳感器檢定數(shù)據(jù)處理流程圖

系統(tǒng)基于Java 語言進行編程開發(fā)，功能模塊包括氣壓檢定數(shù)據(jù)采集功能模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)氣壓傳感器檢定的原始數(shù)據(jù)采集，通訊參數(shù)可以進行設置，可錄入計量標準器、被檢儀器、檢定地點及人員等信息，可設置壓力控制器到達設置的壓力點，自動生成原始記錄文件，并本地存儲，系統(tǒng)留有與數(shù)據(jù)庫通信的接口，可實現(xiàn)與數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)交互，原始記錄可上傳至數(shù)據(jù)庫。系統(tǒng)設計框圖，見圖2。

圖2 氣壓傳感器智能檢定系統(tǒng)設計框架圖

1.2 軟件功能模塊

本系統(tǒng)基于Java 語言進行編程開發(fā)，設計出了氣壓傳感器智能檢定系統(tǒng)，本節(jié)將對各功能模塊進行詳細介紹。

1.2.1 網(wǎng)絡配置模塊

使用該系統(tǒng)需要提前對采集電腦進行網(wǎng)絡配置，通過網(wǎng)線串口模式連接氣壓采集器及采集電腦，配置相關氣壓采集IP 信息。

1.2.2 計量標準器及被檢儀器信息錄入模塊

計量標準裝置的基本信息，包括標準裝置的名稱、測量范圍、不確定度或準確度等級或最大允許誤差、計量標準考核證書編號及儀器的有效期支持在線更新，也可手動錄入。

在被檢儀器信息錄入模塊中，需要錄入被檢儀器的檢定依據(jù)、環(huán)境條件、檢定地點、檢定人員、核驗員、批準人等基本信息。圖3 所示為計量標準器及被檢儀器信息錄入。

圖3 計量標準器及被檢儀器信息錄

1.2.3 數(shù)據(jù)存儲模塊

本系統(tǒng)提供了兩種類型的數(shù)據(jù)存儲方式：一種是和中心端數(shù)據(jù)庫相連情況下的互聯(lián)網(wǎng)存儲模式；另一種是單機情況下的本地存儲模式。選擇互聯(lián)網(wǎng)模式時，采集系統(tǒng)將自動將相關數(shù)據(jù)存儲到中心端服務器，生成相關核查記錄Excel，提供操作人員相關查詢，并存儲相應數(shù)據(jù)在系統(tǒng)本地。選擇本地存儲模式時，系統(tǒng)存儲相關數(shù)據(jù)到本地文件，同時生成相關記錄Excel 表格。

1.2.4 傳感器通信參數(shù)設置及編號錄入模塊

該功能模塊支持被檢傳感器的串口相關信息的錄入，包括停止位、波特率、校驗位、數(shù)據(jù)位及流控制信息，進行檢定前需錄入串口傳感器編號、選擇當前串口對應傳感器的型號、生成廠家、送檢單位信息，最多支持8 組氣壓傳感器連接。

1.2.5 指令交互模塊

在指令交互功能模塊中，如圖4 所示，當點擊“打開串口”按鈕，下方標準器采集點的顯示框?qū)募t色變成綠色，操作執(zhí)行后如圖5 所示。在指令交互模塊可進行指令交互，點擊發(fā)送數(shù)據(jù)命令，數(shù)據(jù)顯示框?qū)@示相關采集器的氣壓數(shù)據(jù)。

圖4 指令交互操作

圖5 數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)提取

1.2.6 檢定數(shù)據(jù)采集模塊

在氣壓檢定數(shù)據(jù)采集功能模塊中，點擊不同的采集點按鈕，其中正行程采集點依次為500 hPa、600 hPa、700 hPa、800 hPa、900 hPa、1 000 hPa、1 100 hPa，反行程采集點依次為1 100 hPa、1 000 hPa、900 hPa、800 hPa、700 hPa、600 hPa、500 hPa。依次執(zhí)行氣壓采集命令后，系統(tǒng)將自動把檢定的所有記錄都完整上傳至中心端系統(tǒng)。系統(tǒng)默認已最新時次數(shù)據(jù)為最終依據(jù)，如數(shù)據(jù)出現(xiàn)相關問題，請關閉窗口，重新打開，重新點擊讀取相關時次。

1.2.7 檢定數(shù)據(jù)保存模塊

當結(jié)束檢定工作時，點擊關閉按鈕，選擇保存已填寫相關信息，采集系統(tǒng)將自動保存相關填寫信息并再次打開提供相關修改。選擇的存儲模式無論是本地模式或互聯(lián)網(wǎng)模式，系統(tǒng)都會存儲會生成相關記錄，系統(tǒng)操作過程中切勿打開相關Excel 文檔，當采集完成后將相關文檔復制到相關目錄，刪除里面所有文檔，減少系統(tǒng)讀取次數(shù)。如圖6 所示為某一被檢傳感器（編號Z110200846940144101201703130346039）的檢定記錄。

圖6 檢定記錄

2 氣壓傳感器智能檢定系統(tǒng)測試

系統(tǒng)測試是氣壓傳感器智能檢定系統(tǒng)開發(fā)的重要部分，將通過科學的方法盡可能多的發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中的缺陷，主要測試系統(tǒng)功能是否與需求說明書規(guī)定的功能性需求相符，系統(tǒng)功能是否實現(xiàn)，系統(tǒng)是否捕獲異常數(shù)據(jù)并正確輸出數(shù)據(jù)，進而保證系統(tǒng)在計量檢定業(yè)務中穩(wěn)定運行。

2.1 測試方法及條件

本次測試主要采用黑盒測試方法進行系統(tǒng)功能驗證，保證串口參數(shù)的正確性、氣壓數(shù)據(jù)采集顯示、數(shù)據(jù)存儲功能及穩(wěn)定性等。

測試條件主要包含筆記本電腦1 臺、氣壓發(fā)生裝置1 臺、數(shù)字氣壓計1 臺、氣壓傳感器8 臺及本系統(tǒng)，直接將氣壓傳感器接入氣壓檢定系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集及指令交互。

2.2 功能驗證

2.2.1 通信參數(shù)配置測試

通過氣壓傳感器智能檢定系統(tǒng)，可以直接對接入的氣壓傳感器進行通信參數(shù)配置，配置成功后方可實現(xiàn)指令交互。點擊“打開”功能按鈕，并發(fā)送指令“R”，接入的氣壓傳感器將顯現(xiàn)為“已打開”狀態(tài)，且當前采集的數(shù)據(jù)也將直接返回至接收區(qū)。

2.2.2 數(shù)據(jù)采集測試

本次測試中，同時接入8 臺氣壓傳感器，正確配置串口參數(shù)后，參照計量檢定規(guī)程，在500 hpa、600 hpa、700 hpa、800 hpa、900 hpa、1 000 hpa、1 100 hpa 檢定點依次發(fā)送指令“R”，開展數(shù)據(jù)采集測試端口參數(shù)進行正確配置后發(fā)送指令“R+回車”，接收各氣壓傳感器實時數(shù)據(jù)。

2.2.3 數(shù)據(jù)存儲測試

當結(jié)束檢定工作時，點擊關閉按鈕，選擇保存當前輸入的內(nèi)容，系統(tǒng)將在C:gz_jd_excelqy 目錄下生成相關的Excel 文件存儲相應的數(shù)據(jù)，存儲方式自動按照各氣壓傳感器編號及年月日進行分類，如圖7 所示為該系統(tǒng)自動生成的Excel 檢定記錄。

圖7 自動生成的excel 檢定記錄

2.3 系統(tǒng)穩(wěn)定性測試

由于氣壓傳感器輸出信號為數(shù)字信號，故只需對數(shù)據(jù)采集正常與否進行測試即可驗證該系統(tǒng)的穩(wěn)定性。參照計量檢定規(guī)程，在500 hpa、600 hpa、700 hpa、800 hpa、900 hpa、1 000 hpa、1 100 hpa 檢定點開展測試，隨機測試十組，記錄傳感器示值和標準器示值，通過計算誤差值的波動范圍，判定檢定數(shù)據(jù)是否出現(xiàn)跳變，進一步判定系統(tǒng)是否穩(wěn)定采集輸出。

經(jīng)過測試，系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行，未出現(xiàn)死機情況，檢定數(shù)據(jù)未出現(xiàn)較大波動，具體測試結(jié)果，見表1。

表1 抽樣數(shù)據(jù)測試表

3 系統(tǒng)應用情況

氣壓傳感器智能檢定系統(tǒng)的研究開發(fā)，實現(xiàn)了多個氣壓傳感器檢定數(shù)據(jù)的同時采集、傳輸功能；也實現(xiàn)了計量標準器、被檢儀器信息、檢定地點及人員等信息的錄入功能。此外，按照自動站氣壓傳感器檢定規(guī)程要求，可自動生成滿足計檢定規(guī)程要求的Excel 原始記錄文件，并本地存儲，系統(tǒng)留有與數(shù)據(jù)庫通信的接口，可實現(xiàn)與數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)交互，原始記錄可上傳至數(shù)據(jù)庫。該系統(tǒng)的研究實現(xiàn)了氣壓傳感器計量檢定流程的自動化，提高了檢定效率，對推動氣象檢定工作實現(xiàn)自動化具有重大的意義。