基于LabVIEW的自動氣象站設(shè)計

吳傳全

摘要：文章探討了在氣象監(jiān)測領(lǐng)域中虛擬儀器技術(shù)的應(yīng)用，對需要監(jiān)測的氣象數(shù)據(jù)的采集、處理、顯示、分析和保存等功能都可以使用虛擬儀器技術(shù)來實現(xiàn)。對溫度、濕度、氣壓及PM2.5各類氣象要素進行實時的監(jiān)測采集，并能根據(jù)時間節(jié)點來查詢歷史氣象數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)具有開發(fā)周期短、性價比高等優(yōu)點，將虛擬儀器技術(shù)和氣象學(xué)科相融合，可以節(jié)約很多資源。

關(guān)鍵詞：LabVIEW；氣象；無線傳輸；傳感器

初期的氣象儀其實就是完全以各類電子元件為基礎(chǔ)設(shè)計開發(fā)而成的一種專業(yè)檢測氣象數(shù)據(jù)的儀器。其主要的特征是用戶所需求的結(jié)構(gòu)功能，只能在儀器設(shè)備早期設(shè)計的時候來構(gòu)建，只要儀器設(shè)備一旦制作完成，在使用過程中發(fā)現(xiàn)設(shè)備的缺點，再想對其進行修改和擴展，就會非常困難，幾乎無法實現(xiàn)?；谏鲜鲈颍缙诘臍庀髢x不僅在設(shè)計、制作時就需要耗費非常多的人力、物力和很長的開發(fā)周期，也不便于其自身的升級更新，更不用說促進、推廣了。

作為將自動化概念引入到氣象行業(yè)的重要表現(xiàn)，自動化氣象站主要運用了電子科學(xué)技術(shù)和計算機技術(shù)為技術(shù)支持設(shè)計而成的?，F(xiàn)場24小時不間斷監(jiān)測空氣相對水分含量、溫度、氣壓、土壤水分含量等氣象要素，并能夠?qū)⒈O(jiān)測到的相關(guān)氣象數(shù)據(jù)自動存儲到相應(yīng)的位置。

1.硬件電路設(shè)計

本系統(tǒng)設(shè)計主要采用了軟硬件相結(jié)合的方式完成，硬件部分主要由各類氣象數(shù)據(jù)傳感器、STC89C58RD+單片機等組成，本系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)框圖如圖1所示。

本設(shè)計所使用的前端硬件數(shù)據(jù)采集模塊的前端控制芯片為STC89C58RD+單片機，首先由它來控制傳感器的數(shù)據(jù)采集工作，并且對采集來的數(shù)據(jù)進行處理，再將處理過的數(shù)據(jù)通過無線傳輸模塊發(fā)送出去。再由上位機接收到通過無線傳輸模塊實現(xiàn)通信的經(jīng)過初步處理的數(shù)據(jù)，最后由上位機軟件對采集來的數(shù)據(jù)進行處理、分析、儲存及顯示。在設(shè)計中，主要介紹的是前端硬件模塊中各個部分的選用、性能參數(shù)、接口電路的設(shè)計等以及無線傳輸模塊的選擇、接口電路的設(shè)計、參數(shù)的設(shè)定和工作模式的介紹等。

2.硬件電路軟件設(shè)計

系統(tǒng)主程序如圖2所示，開始時先進行單片機系統(tǒng)的初始化工作，主要包括設(shè)定定時器、中斷、串口相關(guān)的特殊功能寄存器，程序ROM區(qū)和數(shù)據(jù)RAM區(qū)的初始化，設(shè)定各I/O口的初始狀態(tài)等主程序運行之前的準(zhǔn)備工作，電源檢查和保護，利用看門狗監(jiān)視芯片上電后STC89C58RD芯片內(nèi)各個資源的硬件運行情況，定時器的設(shè)定，所有變量初始化，開中斷等。然后依次對溫濕度、氣壓、PM2.5、風(fēng)速風(fēng)向和雨量傳感器上傳的檢測數(shù)據(jù)進行接收和處理成發(fā)送給上位機的數(shù)據(jù)傳輸形式，通過無線傳輸模塊進行發(fā)送。其流程如圖2所示。

3.串口通信設(shè)計

本系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)傳輸時是以獨立字節(jié)的方式傳輸?shù)?，每個字節(jié)前有1個起始信號，字節(jié)后有1個終止信號，起始位到終止為構(gòu)成一幀數(shù)據(jù)。一般，起始位占用1位，字符編碼占7位，第8位為奇偶校驗位，停止位可占用1位、1.5位或2位。因此，一幀數(shù)據(jù)便由10，10.5或者11位構(gòu)成。

3.1串口寄存器配置

SCON寄存器——串口控制寄存器。這個寄存器的位置含義如圖3所示。

圖中SMO和SMl的定義如表l所示。

其中，fosc為單片機的時鐘頻率；波特率指串行口每秒發(fā)送（或接收）的位數(shù)。

電源寄存器PCON如表2所示。

SMOD：波特率加倍位。

GFI/GFO：通用標(biāo)志位。

PD：掉電方式位。

IDL：待機方式。

在了解了串行口相關(guān)的寄存器之后，可得出其通信波特率的一些結(jié)論：

（1）方式0和方式2的波特率是固定的。在方式0中，波特率為時鐘頻率的1/12，即fosc/12，固定不變。在方式2中，波特率取決于PCON中的sMOD值，即波特率為：fosc=2SMOD*fosc/64。當(dāng)SMOD=0時，波特率為fosc/64；當(dāng)SMOD=1時，波特率為fosc/32。

（2）方式1和方式3的波特率可變，由定時器1的溢出率決定。

波特率=2SMOD*（T1溢出率）/32

當(dāng)定時器T1用作波特率發(fā)生器時，通常選用定時初值自動重裝的工作方式2。其計數(shù)結(jié)構(gòu)為8位，假定計數(shù)初值為Count，單片機的機器周期為T，則定時時間為（256 Count）×T。從而在ls內(nèi)發(fā)生溢出的次數(shù)（即溢出率）：溢出率=1/（256-Count）×T。從而波特率的計算公式則為：波特率=（2SMOD/32）×[fosc/12（256-x）]。在實際應(yīng)用時，通常是先確定波特率，后根據(jù)波特率求T1定時初值，如：T1初值=256-2SMOD/32×[fosc/（12X波特率）]。

4.LabVlEW軟件系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

4.1LabVIEW簡介

LabVIEw是美國國家儀器公司（NI）研發(fā)的一門圖形化編程語言（G語言）。和c，BASIC等編程語言一樣，擁有一個擴展性強的、完備的、功能強大的、模塊化的函數(shù)庫以及各種面板控件。更因其圖形化編程的簡便模式，使得用戶能夠便捷地設(shè)計自己在現(xiàn)實應(yīng)用中所需要的儀器系統(tǒng)。

由于采用了圖形化編程語言——G語言，在這個生活和工作節(jié)奏越來越快的時代，LabVIEW產(chǎn)生的程序具有易學(xué)易用的特點，給工作節(jié)奏很快、需要簡便的編程語言來適合自己的節(jié)奏的人員如硬件工程師、科學(xué)家、高級技術(shù)人員帶來了很大的便利，由于其框圖的編程方法，使用者可以在較短的時間內(nèi)學(xué)會并使用到現(xiàn)實中去。

4.2本文中自動化氣象站系統(tǒng)采用的設(shè)計模式及系統(tǒng)框架

自動化氣象站系統(tǒng)軟件設(shè)計模式如圖4所示，主要使用在LabVIEW指的是項目“連續(xù)測量和記錄“基于模板的實例，因為LabVIEw具有很強的擴展性，所以在“連續(xù)測量和記錄”模板的基礎(chǔ)上，可以升級與擴展出所需要的自定義應(yīng)用程序。而“連續(xù)測量和記錄”中卻是以“隊列消息處理器”的設(shè)計模式擴展開發(fā)出來的。而在“隊列消息處理器”中則主要以數(shù)據(jù)的采集和儲存同時監(jiān)控用戶界面事件的模板。在此模板中，“事件處理循環(huán)”就是按照用戶界面的動作產(chǎn)生各種消息。然后將這些消息放入到“消息處理循環(huán)”當(dāng)中對生成的消息進行處理。換句話說，一個“隊列消息處理器”設(shè)計模式是一種復(fù)雜的生產(chǎn)者/消費者模式，在這里面“事件處理循環(huán)”其實就是生產(chǎn)給“消息處理循環(huán)”處理的消息的“生產(chǎn)者”。而“消息處理循環(huán)”則是處理相應(yīng)數(shù)據(jù)的處理者。

上述是“隊列消息處理器”設(shè)計模式的簡介，而“連續(xù)測量和記錄”則是在這個基礎(chǔ)之上又添加了數(shù)據(jù)采集線程、數(shù)據(jù)處理線程和數(shù)據(jù)實時顯示面板等模板。從本質(zhì)上講，這里的設(shè)計模式其實就是一個復(fù)雜化的基本生產(chǎn)者和消費者模式。由上面的“消息處理循環(huán)”生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集線程等需要處理的命令或者數(shù)據(jù)，然后由消費者進行處理，比如數(shù)據(jù)的存儲、分析和顯示等。

而且在本模板下，數(shù)據(jù)的采集并不是一直都在進行的，它的動作是被用戶控制界面中的控件所控制的，這樣就節(jié)省了計算機的內(nèi)存使用量和微處理器的利用率。除此之外，這樣的模式層層遞進，條理清晰，便于后期的擴展與維護。本系統(tǒng)框架如圖4所示。

5.結(jié)語

本文所設(shè)計的自動化氣象站是基于LabVIEW編程語言的氣象要素檢測體系。為了能夠保證各傳感器正常、穩(wěn)定地工作，該系統(tǒng)使用單片機STC89C58RD+作為前端硬件系統(tǒng)的控制中心。為了數(shù)據(jù)讀取更加方便，易于操作，各傳感器均采用的數(shù)字式傳感器。后端用戶人機界面采用的則是虛擬儀器軟件開發(fā)系統(tǒng)——LabVIEW進行設(shè)計，效率高，編程界面直觀，總體來說，本設(shè)計有以3個特點：（1）靈活性。因為LabVIEw具有很強的靈活性和可擴展性，所以設(shè)計系統(tǒng)后臺的用戶界面是LabVIEw系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以根據(jù)用戶的具體要求隨意地添加、更改儀器的功能和作用，這點是傳統(tǒng)的儀器所無法比擬的。而傳統(tǒng)儀器一經(jīng)生產(chǎn)完成就無法更改其功能。與之相比，本文中使用的界面則更加有優(yōu)勢。（2）功耗低。任何一個系統(tǒng)在設(shè)計上都要考慮功耗的問題，本系統(tǒng)前端的傳感器和控制元件在選用時均采用低功耗元件，各種元件的供電電壓均采用5V供電，在保證正常工作的狀態(tài)下盡量將系統(tǒng)功耗控制在較低的范圍內(nèi)。（3）實用性。LabVIEw與別的軟件相比，具有能夠融入硬件的特性的能力，使得它能夠更加有效地與硬件結(jié)合，從而實現(xiàn)硬件的功能，也提高了該系統(tǒng)的有效性和實用性。