气象数据采集与传输系统研究

2013-02-01张民

吉林广播电视大学学报 2013年6期

张民

（兰州资源环境职业技术学院气象系，甘肃兰州 730021）

1 引言

气象学是从定性和定量两方面分析大气特征、用以说明大气现象成因、科学利用气象条件的重要学科，气象数据的采集与传输是气象科学研究的基础。随着国民经济的发展和科学技术的进步，迫切需要建立基于ARM、GPRS 等的气象数据采集与传输系统，使其方便灵活、快速准确、科学实用的气象观测和数据处理功能在航空航天、海洋、农业、军事等多种行业中发挥日益强大的作用。因此，如何从提高气象数据实时性和可靠性出发，深入分析和研究气象数据的采集、处理与传输原理，运用计算机和网络技术，设计和开发低功耗、结构合理、功能强大、传输便捷、能够满足现代气象检测和预报要求的气象数据采集与传输系统，为天气预报、科学研究以及各类气候灾害的预警和决策提供有力的技术支撑，已越来越成为专家学者探讨的热点和研究的重点课题。

2 气象数据采集与传输系统的发展现状

国外早在上个世纪50 年代就开始了气象数据采集系统的研究，如美国研制的第一代自动气象数据采集系统“AMOS～Ⅲ型自动气象站”，虽然结构简单、要素少，既不能适应较为残酷的气候条件，也无法实现数据的存储和传输，但却开创了气象数据采集历史的先河。70 年代后，美国Handar 公司与Sutton 公司专项合作开发研制，芬兰Vaisala 公司以及澳大利亚Data Electronics 公司都成功地将集成电路、微处理器等技术运用于气象数据采集系统。随后，气象数据采集系统不断更新换代和商业化的同时，在世界范围内多个领域迅速发展并取得了令人瞩目的进步。

国内气象数据采集系统研究起步较晚，首台在青海省试运行的无人自动气象站建于70 年代初。90 年代后，我国第一批自动气象数据采集系统的设计定型，标志着我国气象数据采集系统研究工作进入崭新的历史时期。进入新世纪以来，我国自动气象数据采集系统迅速发展并逐步实现了测量精度、稳定性等关键技术的突破，建站万余家，并成功实现了组网。如今，网络计算机、软件科学、通信和监测等技术的发展，必将带动多功能、智能化、高精度、高可靠性的气象数据采集系统进一步向纵深方向发展。

3 气象数据采集与传输系统设计原理与功能实现

3.1 系统方案分析

完整的气象数据采集系统由硬件和软件组成。国内采集系统多以微处理器为核心，主要采用基于ARM 技术、基于MSCl210 等的集散式体系架构和CAN 总线式结构。集散式数据采集系统由数据采集站、上位机及通信线路等组成，数据采集站对不同传感器采集的数字信号进行处理，采用串行、并行或无线方式等多种通信方法将数据上传至上位机，上位机可对采集数据进行显示、计算、存储或打印；而总线式数据采集系统则是通过总线挂接各种功能模块(板)来采集和处理分散配置的各个传感器信号。总线式数据采集系统可将总线延伸到现场每台采集设备，其信号传输最突出优点就是可有效避免长距离传输中的信号衰减、精度下降和失真现象。

GPRS 是基于全球移动通信系统的高效的数据处理科技，它运用可靠的无线、分组共享信道和交换技术，为用户提供端到端的无线IP 连接，其特点是接入时间短、传输速率高，更为重要的是，GPRS 用户虽然一直在线，但只有接收和发送数据的时刻才会占用资源，即意味着系统内多用户不仅可高质高效地共享气象网络数据信息，大大提高资源的利用率，而且可以按实际通信流量支付数据流量费。

3.2 系统组成

气象数据采集与传输系统组成框图，如图1。

图1 气象数据采集与传输系统组成框图

数据的采集由温度、湿度、风速、风向以及雨量等传感器、数据采集模块采集和处理分散配置的各个传感器信号，通过A/D 转换器将模拟信号转换成数字信号，气象六大要素传感器采集数据的变换，见表1；GPRS 可提供端到端分组转移模式下大数据量的发送和接收服务，完成气象数据的传输任务。

表1 气象六大要素传感器采集数据的转换

3.3 数据采集系统工作原理与功能实现

气象数据采集，无论是基于MSC1210、基于ARM 还是基于SEP3203 的数据采集，其系统工作原理相近，都是利用传感器对温度、湿度、气压、雨量、风向、风速等6大气象要素值进行采集，将采集到的气象要素经过处理器，适时完成对从无线组网模块接收到的气象要素的数据处理，转变为电阻、电压、频率、脉冲信号等物理量。其中，温度、湿度、气压的模拟电压经通用性很强的可编程放大器进行信号的调理放大；风速传感器的是利用了低惯性的风杯部件作为传感器感应器件，风感应器件随风旋转，旋转部件带动内置的风速码盘响应和进行适时的光电扫描，并将相应的电脉冲信号输出；风向传感器的工作原理与风速传感器类似，是利用一个低惯性的风向标部件作为感应部件，风向标部件随风旋转，旋转部件带动转轴下端的光电风向码盘转动和进行适时的光电扫描，并将相应的电脉冲信号输出；雨量传感器所采用的翻斗式雨量计，当漏斗状承水器汇集雨水后，雨水会在自重力作用下从承水器下方小孔流出，流经翻斗时，带动翻斗的翻动，其上方的磁钢随翻斗的翻动，吸合干簧开关，干簧开关将通断信号连续不断地送出，雨量的计算可通过对数字脉冲的计数得到。

微处理器对所有输入信号进行整形、转换或放大，转变为数据采集器可以直接测量到的物理信号，同时该系统通过定时，计数器根据不同的气象要素观测要求，控制其采样间隔时间，对采集到的信号进行线性化和定标处理，实现工程量到要素量的转换，并定期将存储的气象数据通过GPRS 模块传输到数据处理中心。

3.4 数据传输系统工作原理与功能实现

气象数据的传输多采用GPRS 的无线传输方式实现网络数据的收发。GPRS 即通用分组无线业务，以串行方式连接到控制器上，GPRS 的网络工作方式是以IP 为基础的，因此目标服务器端并非必须通过接入控制器与终端设备进行连接，只需要简单接入具备IP 地址的互联网即可。气象数据传输流程示意，见图2。

图2 气象数据传输流程示意图

气象数据采集终端在完成了气象数据的采集与实时显示之后，经由GPRS 模块发送至网络终端。网络终端通过一定的软硬件配置，搭建WEB 站点和建立数据库，实现气象信息的存储与管理。网络终端通过网络接收软件接收到各类气象采集数据，运用功能强大的操纵和管理数据库文本文件的数据库管理系统，进行分类、存储和管理，用户通过WEB 页面对SQL 数据库进行访问，实现用户注册、信息检索、信息统计以及信息管理等功能。

3.5 气象数据采集与传输系统安全设计要求

气象数据采集与传输主机系统设计，除按照标准规范进行软硬、件配置，还应与外界物理隔离，符合防火、防水、防潮和冗余设计要求；安装防火墙等查毒、杀毒软件，并定期进行补漏和升级，使网络环境变得更加安全；将系统设计与系统管理紧密结合起来，对计算机进行用户终端监控，实施身份鉴别、自主访问控制、安全审计等策略，确保系统安全。