远程控制区域共享气象站系统的开发与实现

王 丽

(南京航空航天大学金城学院，南京 211156)

随着经济的发展，环境问题日益突出，已成为制约经济发展的瓶颈［1］。环境的好坏不仅关系到社会经济的可持续发展，而且直接影响人们的生活质量，甚至关系到人类与地球上其他生物能否长期共存。在环境保护及气象监测方面，区域性小型自动气象站［2］扮演着不可或缺的角色。它通过收集和处理不同区域范围内采样点的气象数据，增大了气象监测在空间分布和探测时间的密度，提高了小区域气象监测和预警的能力，同时为研究局部气候、分析局部小气候规律、检测环境质量以及预测未来气象走向提供了依据。因此，对远程智能控制气象站［3］的研究具有重大的实用价值。

我国的环境监测普遍采用人工取样和实验室半脱机方式［4］。文献［5］采用有线方式对地面气象数据进行采集，即主要通过RS232、RS485和交叉网线等方式与主机通信。该方式布线成本较高，灵活性较差，施工困难且维护成本高，尤其对于复杂地形的山区，此种方法的缺点更加明显。我国现有污染源企业20多万家，落后的监测手段无法满足长效监控和科学管理要求。自动化、智能化、网络化已成为目前世界环境检测及气象监测领域的发展趋势。目前，采用无线传输方式，网站服务，区域共享的气象站系统设计是一种行之有效的方法［6］。

本文研究了区域共享小型气象站的组建方法。在此基础上结合构建嵌入式Web服务器技术、嵌入式技术、无线通信技术，开发了一套网络在线监测、配置的区域共享、智能远程控制小型气象站系统。本系统气象信息以网页形式呈现，有数据、图表等多种表现形式。小型气象站系统对于提高气象监测的效率起到了重要的作用。

1 智能气象站系统设计

本文设计的智能远程控制、区域共享气象站系统包括总站、基站与互联网3部分，如图1所示。总站由数据处理模块、存储模块(SD卡)、无线通信模块组成。每个基站由传感器模块、数据处理模块、电源模块、时钟模块、显示模块、无线通信模块、仪表安装架组成。互联网由1台服务器、可在局域网访问的网站及数据库组成。

无线通信实现了基站与总站之间的数据传输，总站将接收到的气象数据存入存储器模块，并通过串口驱动模块将气象信息写入数据库。用户可通过互联网监测区域环境质量。该系统为分析、预测未来走向提供大量实时气象数据。

图1 自动气象站系统架构

1.1 基站设计

基站主要完成区域气象数据的采集和传输功能。采集气象信息的传感器模块配备风向、风速传感器，温、湿度传感器，雨量传感器等。主板核心采用51架构单片机及其配套的标准I/O板卡，实现数据处理功能。将多个采样点的气象数据存入存储器模块，并按照周期为60 s的速度、基站1-2-3的顺序，将采样的气象数据发送至总站，并避免发生数据堵塞。

1.1.1 温、湿度采样电路设计

本文设计的智能气象站的温、湿度采样电路如图2所示。采用SHT11数字式、高精度温湿度传感器，采集的数字温、湿度值送入单片机的P1.0口(模拟IIC总线的数据线)、P1.1口模拟输出时钟信号输入到SHT11中。SHT11经多次校准后，湿度精度可达到±0.5%，温度精度可达 ±0.1%。

图2 温、湿度采样电路

1.1.2 风速、风向、雨量采样电路设计

采用TX系列风向传感器可输出5～24 V的DC信号。风向测量范围是0°～360°，分为16个不同的方向，分辨率为22.5°。

风速传感器采用三杯式、脉冲型HL-FS2，有效测速范围可达0～40 m/s。多次调整程序算法后，校准后的精度可达±0.1 m/s。

雨量器主要由自制的集雨装置、计量装置、计时装置和其他辅助装置组成。集雨装置由2部分组成，上部是一个直径为20 cm的上大下小的漏斗，雨水顺着漏斗边沿流进下部的翻斗中，当收集的雨水超过预订量时，翻斗翻转到另一边。采用光电传感器对雨量漏斗的翻转次数进行统计，在规定时间内，由漏斗容量与翻转次数的乘积计算出当地的降雨量。

1.1.3 无线传输、显示、时钟、电源模块

无线传输APC220模块是高度集成、半双工、微功率无线数据传输模块。将APC220输出的TTL电平信号与单片机的UART串行口连接即可实现发送/接收信号功能。在无障碍物的野外开阔地，传输距离可达1 km;有障碍物时，传输距离在100～150 m。

将采集的温湿度、风速、风向的气象数据通过8位并行接口方式显示在12864液晶屏上，构成全中文人机交互图形界面，液晶屏上的气象数据每秒更新一次。

系统采用DS1302的时钟模块提供实时的秒、分、时、日、星期、月和年显示。它可以自动调整，且具有闰年补偿功能，能为无线数据传输过程中的时间校准提供参考。系统使用双电源供电(主电源和备用电源)，并设置备用电源充电方式。采用的12 V/6 800 mA的锂电池为该系统提供5 V电压。

1.2 总站设计

总站包括数据处理模块、无线接收/发送模块，存储器模块、串口驱动模块。基站将采集的气象信息通过无线传输模块发送至总站。总站先将无线接收到的气象信息存储至存储器模块，然后通过串口驱动将数据写入后台数据库中。存储器模块的主要功能是避免服务器掉电后丢失气象数据。串口与数据库接口驱动采用Visual Basic(VB)语言开发，主要利用MSCOMM控件实现单片机与电脑的串口间接通信。串口的数据被取出后，系统利用VB语言处理数据，拼凑成数据库识别的SQL语言，通过VB与MySql的ODBC驱动桥连接将处理后的数据写入数据库，达到存储气象数据至数据库的目的。

1.3 软件设计

系统总体流程如图3所示。系统软件设计主要包括2部分，即基站的传感器节点采样、无线发送和总站接收、传送至上位机。基站1、2、3与总站均带有就地液晶显示功能，总站首先将无线接收气象信息存至存储卡以避免网站服务器出现故障，防止造成丢失气象信息的错误。

图3 气象站系统总体流程

1.4 互联网设计

网站采用Java Serverlet+MVC+EXTJS的框架设计，采用1.7的JDK作为开发库。数据库采用免费的MySQL，前台与数据库交互采用JSON数据格式。系统安装Winserver 2003服务器系统，配置Java运行环境，以Tomcat6.0为平台，将网站挂在此服务器上。服务器开机后自动启动串口到MySQL数据库的接口驱动程序，将无线接收到的气象数据通过串行口传入数据库，实现数据的实时传递。网站设置了安全措施，通过用户名和密码登陆气象站网站。图4为该网站执行界面，网站主要提供数据监测、数据分析、查看监测点数据功能。

数据监测功能以表格形式呈现3个监测点的实时或历史气象数据。查看监测点数据功能则以折线图形式呈现各个监测点当天、本周、本月的气象数据，展现气象变化过程。也可查看各个监测点的实时、历史数据。数据分析功能分析当天、本周、本月的平均气象数据，也可自定义分析气象数据。用户定制分析数据，制定采样频率分析某一段时间内的气象数据变化过程，即用户按天或者小时分析气象数据，自定义起始、结束日期，分析各个监测点的气象数据，如图5所示。本系统以多样化形式呈现气象数据，从而使用户更加直观、方便地了解和分析气象信息。

图4 气象站系统网站界面

图5 自定义分析气象数据

2 结束语

本文设计了一种智能远程控制区域共享气象站。实验结果表明:系统实现了预期的功能，具有高精度、高可靠性、低功耗、工作温度宽等特点。在轻微遮挡情况下，气象站系统可靠测量的概率接近100%。在后续的工作中，可以加入对历史气象数据的进一步分析及对未来气象的预测。

［1］张嫚.经济发展与环境保护的共生策略［J］.财经问题研究，2001，5(3):74-80.

［2］中国气象局.《II型自动气象站》行业技术标准［S］.2000.

［3］刘丰军，尹利国，赵熙.一种智能大气数据测量系统的设计与实现［J］.计算机测量与控制，2006，14(12):1614-1615.

［4］王柏林.基于中尺度自动气象站的资料收集处理系统研究与应用［D］.北京:中国气象科学研究院，2006.

［5］岳立成.利用RS-485总线实现气象要素分布式自动采集［J］.气象水文海洋仪器，2005，3(4):115-117.

［6］Fukatsu T，Hirafuji M.Field monitoring using sensornodes with a web server［J］.Journal of Robotics and Mechatronics，2005，17(2):164-172.