自動(dòng)氣象站的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

侯玉虹

農(nóng)業(yè)氣象與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)息息相關(guān)，隨著農(nóng)業(yè)信息化的發(fā)展，氣象站逐漸應(yīng)用到農(nóng)業(yè)上來，為農(nóng)業(yè)研究提供實(shí)時(shí)農(nóng)田生態(tài)信息。作物超高產(chǎn)的獲得與農(nóng)田生態(tài)信息密切相關(guān)，為了研究作物超高產(chǎn)區(qū)氣候資源特點(diǎn)，利用本試驗(yàn)室自主研發(fā)了農(nóng)業(yè)氣象站，在全國(guó)東北平原、黃淮海流域以及長(zhǎng)江流域15個(gè)超高產(chǎn)點(diǎn)安裝了該儀器。因?yàn)槌弋a(chǎn)區(qū)主要為各單位的科研基地，可以隨時(shí)獲得氣象站采集信息，不會(huì)影響信息的時(shí)效應(yīng)。同時(shí)發(fā)送短信息可隨時(shí)讀取全國(guó)三大平原各試驗(yàn)點(diǎn)自動(dòng)氣象站實(shí)時(shí)信息，進(jìn)而掌握全國(guó)氣象變化動(dòng)態(tài)，遠(yuǎn)距離觀察、了解儀器的工作狀況，如儀器出現(xiàn)故障隨時(shí)檢修。

一、整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

1.氣象站傳感器系統(tǒng)。氣象站的傳感器主要包括相對(duì)濕度傳感器、溫度傳感器、光合有效輻射傳感器、雨量傳感器、風(fēng)速傳感器、風(fēng)向傳感器以及土壤水分傳感器。

（1）相對(duì)濕度傳感器。濕度測(cè)定是采用高分子濕敏電容技術(shù)。其原理為高分子薄膜式濕敏元件應(yīng)用的是平板電容器原理，在絕緣基片上依次形成下電極感濕膜，上電極感濕膜，膜是聚酰亞胺高分子聚合物，它吸收環(huán)境空氣中的水分后，其介電常數(shù)發(fā)生變化，從而引起電容量變化，達(dá)到反映濕度的目的。

（2）溫度傳感器。溫度產(chǎn)感器采用的是鉑電阻，它是一種溫度傳感器，它是利用鉑絲在溫度變化時(shí)自身電阻也隨著變化的特性來測(cè)量溫度的，具有高精度高穩(wěn)定性等特點(diǎn)。

（3）光合有效輻射傳感器。光合有效輻射傳感器技術(shù)原理為：PAR測(cè)定采用多層疊加濾光和光敏半導(dǎo)技術(shù)，即采用硅光電二極管，利用光生伏特效應(yīng)將光能轉(zhuǎn)化為電能，在光照照射下能在P區(qū)和N區(qū)之間形成光生電動(dòng)勢(shì)，把PN結(jié)連接起來，電路中就有電流流過，電流大小與光照強(qiáng)度成相關(guān)性。

（4）土壤水分傳感器。土壤水分傳感器基于駐波率測(cè)量原理，測(cè)量精度高，相應(yīng)速度快；土質(zhì)影響較小，應(yīng)用地區(qū)廣泛；

（5）風(fēng)速傳感器。風(fēng)速傳感器的感應(yīng)元件是三風(fēng)杯組成，由三個(gè)不銹鋼風(fēng)杯和杯架組成。轉(zhuǎn)換器為多齒轉(zhuǎn)杯和狹縫光耦。當(dāng)風(fēng)杯受水平風(fēng)力作用而旋轉(zhuǎn)時(shí)，通過活軸轉(zhuǎn)杯在狹縫光耦中的轉(zhuǎn)動(dòng)，輸出頻率的信號(hào)。

（6）風(fēng)向傳感器。風(fēng)速傳感器的變換器為碼盤和光電組件。當(dāng)風(fēng)標(biāo)隨風(fēng)向變化而轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過軸帶動(dòng)碼盤在光電組件縫隙中轉(zhuǎn)動(dòng)。產(chǎn)生的光電信號(hào)對(duì)應(yīng)當(dāng)時(shí)風(fēng)向的格雷碼輸出。

（7）雨量傳感器。承水口收集的雨水，經(jīng)過上筒（漏斗）過濾網(wǎng)，注入計(jì)量翻斗。翻斗翻動(dòng)次數(shù)用磁鋼掃描干式舌簧管通斷送出脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)，每記錄一個(gè)脈沖信號(hào)，便代表0.2、0.5、1毫米降水，實(shí)現(xiàn)降水遙測(cè)的目的。

2.氣象站主機(jī)結(jié)構(gòu)及模塊簡(jiǎn)介。氣象站整個(gè)硬件系統(tǒng)包括8個(gè)模塊：電源模塊、單片機(jī)、存儲(chǔ)卡、無(wú)線MODEM、系統(tǒng)時(shí)鐘電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、LCD顯示器、鍵盤。

3.氣象站數(shù)據(jù)采集流程。本系統(tǒng)是一個(gè)從氣象數(shù)據(jù)采集、傳輸?shù)斤@示的完整體系。電源的供電采用太陽(yáng)能供電方式。氣象站一般由傳感器、變換器、數(shù)據(jù)處理裝置、資料發(fā)送裝置和電源等部分組成，其構(gòu)成框圖如圖所示。

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是為氣象數(shù)據(jù)的獲取，由氣象儀器測(cè)得氣象數(shù)據(jù)，然后由氣象傳感器將信號(hào)傳送到采集器，采集器的供電由12v太陽(yáng)能提供，由于采集器供電量很小，因此用太陽(yáng)能供電完全可以滿足需要。采集器將從傳感器獲得的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字或脈沖信號(hào)，輸出到9針COM口，再傳輸?shù)組CU端口，然后將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到SD卡，并生成報(bào)文文件格式，再經(jīng)中心處理軟件通過查詢，使用戶最終得到氣象信息。

二、氣象信息處理軟件

自動(dòng)氣象站信息處理是對(duì)采集來的數(shù)據(jù)處理成直觀的顯示氣象信息，按采集來的氣象要素，分類顯示查詢結(jié)果。該系統(tǒng)采用ViusalBasic軟件開發(fā)。

1.軟件設(shè)計(jì)

（1） 軟件主要功能：①列表查詢；②曲線查詢；③統(tǒng)計(jì)查詢；④實(shí)時(shí)顯示。

（2） 軟件運(yùn)行環(huán)境。氣象信息處理軟件可在Windows98/2000/Xp上運(yùn)行。

（3） 氣象信息顯示。氣象傳感器和采集器采集來的數(shù)據(jù)只是一組字符或者數(shù)字，而對(duì)用戶而言需要的是氣象信息的直觀結(jié)果。氣象信息處理軟件就是通過查詢顯示的方式和圖形界面的形式呈現(xiàn)給用戶所需要的氣象信息。

2.氣象信息的主界面。程序的主界面是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的Windows窗體，具有菜單欄、工具欄與狀，態(tài)欄等部件。為實(shí)用與方便操作，主界面采用單文檔界面形式，在單文檔窗體上切分了若干塊，分別用于溫度、濕度、光合有效輻射、風(fēng)速、風(fēng)向、雨量以及土壤含水量等氣象要素顯示方式。

3.數(shù)據(jù)查詢。短信收發(fā)系統(tǒng)的操作，主要包括本地設(shè)置、數(shù)據(jù)處理、信息設(shè)置和管理等菜單。在本地設(shè)置菜單中主要包括密碼設(shè)置以及系統(tǒng)時(shí)間設(shè)置和修改氣象站號(hào)等信息菜單欄。

綜上所述，本文設(shè)計(jì)開發(fā)的軟件經(jīng)過測(cè)試，能夠完成對(duì)氣象站數(shù)據(jù)的春初、查詢、顯示等功能，達(dá)到了基本要求。

三、結(jié)論與討論

課題實(shí)施三年來，軟件不斷開發(fā)升級(jí)，確保數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。在三大平原各大超高產(chǎn)試驗(yàn)區(qū)安裝的氣象站，實(shí)現(xiàn)了小麥、玉米和水稻作物生產(chǎn)過程中的數(shù)字化表達(dá)，并可對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行設(shè)計(jì)、監(jiān)測(cè)、控制、管理和可視化表達(dá)。雖然存在數(shù)據(jù)查詢速度較慢、軟件功能不夠完善等問題，程序還待優(yōu)化等問題，但系統(tǒng)達(dá)到了最初的設(shè)計(jì)目標(biāo)，完成了終端軟硬件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了氣象信息遠(yuǎn)程傳輸，為自動(dòng)氣象站的數(shù)據(jù)傳輸提供了新的方案。

參考文獻(xiàn)：

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