印度洋季风观测船载气象站控制系统设计

孙 辰，陈志平，宁春林，杨 洋，郑 鹏

(1. 杭州电子科技大学机械工程学院， 浙江 杭州 310018；2. 国家海洋局第一海洋研究所， 山东 青岛 266061)

印度洋季风观测船载气象站控制系统设计

孙 辰1，2，陈志平1，宁春林2，杨 洋2，郑 鹏2

(1. 杭州电子科技大学机械工程学院， 浙江 杭州 310018；2. 国家海洋局第一海洋研究所， 山东 青岛 266061)

船载气象站是通过船舶的走航获得实时、准确气象数据的一种主要设备。用于科考工作的船载气象站不但要求其机械结构在恶劣环境下安全可靠，更是对其数据采集与控制系统的采样种类、精度及数据处理与传输能力有极高要求。为了获得更多印度洋热带季风爆发过程中的气象数据，从而能更好地研究印度洋热带季风爆发原因及其海气相互作用过程，文章基于DT80数据采集器设计了一款适用于恶劣海况下工作的高精度多气象参数采样与控制系统。对其主要传感器进行选型及标定，并完成其控制系统硬件设计。文章重点研究各传感器采样特性及其数据处理方法，以获得可靠的长短波辐射、湿度、气温、海表皮温等气象参数，并对船载气象站真风计算方法作了初步研究。基于上述研究，编写完成控制系统软件。整套船载气象站数据采集控制系统被应用于为期半个月的印度洋MOMSEI航次实测中。对所得数据处理分析发现，该船载气象站所测气象参数与真实情况吻合，证明本系统的软硬件设计尤其是气象数据处理算法符合项目要求。

船载气象站；DT80；数据处理

引 言

船载气象站是一种搭载多种气象传感器，并可在船只走航过程中记录气象变化情况的集成设备。其数据采集与控制系统是获得高质量气象数据的关键。近年来，国内各高校及研究所对船载气象站的数据采集与控制系统的研发主要有以下几种方案：

1)MSC51单片机，典型代表为文献[1-2]。该设计测试结果良好，运行稳定，但是可搭载传感器数量少，采样精度也相对较低。

2)AVR单片机，典型代表为文献[3-4]。这种方案通信效率高，系统可靠性强，但所设计气象站缺乏实验验证，且采样精度也不能达到预期效果。

3)基于ARM+Linux设计，典型代表为文献[5-6]。该设计具有扩展口多、采样精度高的优点，但是硬件设计复杂，软件程序调试周期也较长。

根据MOMSEI航次科考需要，本文设计了一种携带多种气象传感器的船载气象站。该航次要求所用船载气象站可以在走航过程中连续、实时测量风、湿、温、海表皮温、长短波辐射等多种气象参数，并对原始数据进行处理后传送到主机上。此外，所采集的模拟量数据要有足够的精度，并可保障气象站在6级海况下正常工作，生存海况达到8级。上文提到的3种方案对于本次科考而言，都存在不足之处，而澳大利亚DataTaker公司生产的DT80数据采集器及其配套开发语言符合实际工作需求。因此，本文以DT80数据采集器为硬件核心，设计集成了一套船载气象站数据采集与控制系统，并依据各传感器特性及数据采样要求编写控制程序。通过实际航次实验数据分析，证明该数据采集与控制系统运行良好，可以满足预期要求。

1 硬件设计

1.1 传感器选型标定

本船载气象站搭载传感器包括温度传感器(PT100)、风速风向传感器(WindSonic)、长波传感器(PIR)、短波传感器(PSP)、海表皮温传感器、湿度传感器(HMP155)。为了使气象传感器使用时有良好的精度保证，项目组先后在海洋局天津技术中心和中国气象局对各传感器作标定。图1为标定PT100的实验过程。此外，为实现风速、风向计算，还需配备GPS和罗盘(C100)。表1为各气象传感器选型标定后主要技术指标。

表1 各传感器主要技术指标

图1 PT100标定

1.2 硬件设计

根据实际需要，船载气象站控制系统方案如图2所示。DT80连接有7个输出模拟量传感器(C100、PIR、PSP、PT100、WindSonic、HMP155、皮温)、一个输出数字量的GPS以及通讯和电源线。

图2 船载气象站控制系统方案

DT80从传感器获取模拟量信号的典型接线方式有单端接线法、差分接线法以及四线接线法3种，如图3(a)所示，此外DT80可以直接测量小于10 kΩ的电阻阻值。同时，考虑到许多传感器(如风速传感器)需要外部供电才能工作，还要给这些传感器供电。根据控制系统设计方案，各传感器与DT80连接方式见表2。图3(b)为完成接口设计的DT80及船载气象站，可以看到该方案集成难度远小于单片机或嵌入式系统，且防水等性能优秀。

图3 船载气象站硬件图

表2 各传感器接线方式及测得信号类型

2 软件设计

2.1 主程序流程

控制系统程序需实现以下几个功能：1)初始化并利用GPS输出GPRMC格式数据同步船所在位置及时间；2)模拟量及数字量数据采样；3)处理各传感器原始数据；4)在某些天气情况下加密接收数据；5)真实风速风向(真风)计算处理；6)保存及传送数据到主机；7)降低功耗，定时启动采样。据此，设计主程序流程如图4所示。

图4 主程序流程

整个程序中，最复杂的就是原始数据处理及真风计算部分，下文将着重介绍。

2.2 数据处理算法

由于各传感器测试原理不同，模拟量的原始数据可分为电阻值和电压值两大类，需通过程序转换为实际可读的气象参数。

(1)长波数据转换

长波传感器测得的原始数据为电压值Vac及2个热敏电阻值Rc、Rd。电阻值与温度关系式如下：

T=1/(C1+C2lnR+C3lnR)3

(1)

式中：R分别用Rd、Rc代入；C1、C2、C3为常数。

通过式(1)可算得壳体温度值Tc和球体温度值Td。再根据长波值Rin与温度的关系式(2)获得实际的长波值。

Rin=Vac/S+σTc4-kσ(Td4+Tc4)

(2)

式中：S为仪器灵敏度；σ=5.670 4×10-8W/(m2·K4)；k为常量。

(2)短波数据转换

短波传感器测得的数据为电压值Vab，根据短波值Rin与电压值Vab间转换关系式(3)，可得实际短波值。

Rin=Vab/S

(3)

(3)温度传感器

由于DT80系统内部自带PT100电阻-温度转换函数，可直接获得每个测得阻值对应的温度。

(4)皮温传感器

皮温传感器测得的原始数据也是一个热敏电阻值Rp和一个热电堆电压Vm。计算皮温时，首先找到探头温度TD与热敏电阻值Rp的对应关系如下：

TD=1/(C1+C2lnR+C3lnR)3

(4)

再由实际海水皮温TT与探头温度的对应关系式(5)即可算得实际海水皮温。

TT=(TD4+mVm+b)1/4

(5)

式中，m、b为与温度TD相关的系数。

(5)湿度传感器、罗盘、风速风向传感器

湿度传感器输出的原始数据为0～1V的电压值，分别线性对应0%～100%的湿度范围，转换十分便捷。罗盘和风速风向传感器的数据处理方式与湿度传感器类似，具体输出电压值与其所表示物理量的对应关系如表3所示。

表3 电压值与物理量对应关系

以上数据在每10 min的前4 min以2 Hz的频率进行采样，转换后在数据处理子程序中做检查，剔除异常数据后取平均值。

2.3 真风计算方法

要单独利用风速风向传感器测得真实风速及风向，必须保证传感器朝向正北安装。然而，船航行时方向和位置不断改变，因此船载气象站与传统的陆地气象站不同，需要利用GPS与电子罗盘对测得的风速风向进行修正。图5为真风计算各传感器所需测得的物理量。

图5 真风计算过程

在解算真风风速风向时，首先需建立坐标系，如图6所示，以船为原点建立地球N-E坐标系，该坐标系为全局坐标系。再将风速传感器虚线箭头指向船头右舷安装，并以虚线箭头指向为相对正北方向在同一原点上建立第二坐标系，该坐标系为局部坐标系。

图6 真风计算坐标系

如图6所示，假设风速传感器可测得相对风速Vw方向为β，电子罗盘可测得船与正北方向夹角为α，GPS中可读得船行驶的速度为Vs。

假设顺时针方向为正，由图6可知，真实风速方向与地球正北的夹角γ=α+90°-β。

由于风速传感器采样频率为2 Hz，GPS采样频率为1 Hz，需对相对风速每秒测得的两个值做平均。考虑到风速为矢量，先将相对风速分解到正北(N)及正东(E)两轴，再分别叠加平均。将这两个轴上的平均风速与分解到两轴的船速做矢量叠加。

具体各分量计算过程如下：分解到N轴的相对风速VwN=Vwcosγ；分解到E轴的相对风速VwE=Vwsinγ；分解到N轴的船速VsN=Vscosα；分解到E轴的船速VsE=Vssinα。最终真风的风速计算公式如下：

(6)

3 测试分析及结论

2013年5月，该船载气象站被应用于印度洋MOMSEI航次实测中。图7(a)所示为船载气象站系统示意图，图7(b)所示为船载气象站控制系统工作情况。

图7 实际运动的船载气象站系统

在为期半个月的实测过程中，船载气象站经受了台风等恶劣天气的考验，始终运行良好，获得了大量有价值的数据。为了验证控制系统算法及硬件性能，取5月13日气象站数据进行分析。

图8中线段所示为当日科考船航行路线。与实际船的运行路线吻合。用系统处理好的24 h数据拟合曲线，得到图9所示各组图像。由电压图可见，系统除了在19时左右人为重启一次外，电压基本保持稳定。此外，对比分析可以发现各条曲线与印度洋海域5月天气情况十分吻合。如短波辐射为太阳辐射，该曲线的变化规律与当日实际日出日落时间一致。温度曲线显示该日6时、15时、23时有明显的气温和海表温度下降过程。同时，这3个时间段伴随有湿度升高风速增大过程，这与当日实际观察到的3次起风降水过程相符。这些都证明了该船载气象站在实测中运行良好，获得的数据有效可靠。

图8 走航GPS位置图

图9 气象参数曲线图

4 结束语

从实际走航结果可知，本船载气象站的控制系统硬件安全可靠，可获得大量高精度数据，而对其数据采集及处理的研究也为控制器软件编写提供了很好的算法基础。整个控制系统总体性能优良，数据接收稳定，有较高的精度及可靠性，为更好地研究印度洋热带季风爆发过程提供了技术支持。但仍存在以下一些问题：1)系统需要直流稳压电源供电，下一步可改进为蓄电池供电；2)系统在采集温度及长波数据时受到船体前甲板热辐射影响，需进一步改进结构；3)虽然走航过程中风向会有一定变化，但从测试数据分析，气象站风向算法还是不够准确，需进一步调整。此外针对船载气象站抗风浪冲击性能、密封性能等还需对其结构做进一步的优化。

[1] 杨慧, 于宏波. C8051F020单片机在小型气象仪中的应用[J]. 山东科学, 2006, 19(5): 48-50.

[2] 宋文杰, 刘伯峰, 杨慧, 等. 采用C8051F020单片机设计船舶气象仪[J]. 机械管理开发, 2006(6): 108-109.

[3] 郭颜萍, 张志伟, 刘涛, 等. 基于AVR单片机的船舶气象仪测试系统的设计与实现[J]. 电子设计工程, 2010, 18(8): 61-63.

[4] 王建晓, 漆随平, 初伟先, 等. AT90CAN128在船舶气象仪显示控制单元的应用[J]. 机械管理开发, 2012(6): 149-150.

[5] 李磊. 基于ARM和嵌入式Linux的新型船舶气象仪的设计与开发[D]. 青岛: 中国海洋大学, 2009.

[6] 金余义. 基于ARM和嵌入式Linux船舶气象仪的数据采集处理系统的开发[D]. 青岛: 中国海洋大学, 2010.

孙 辰(1988-)，男，硕士，主要从事海洋设备机电一体化设计、印度洋深海资料浮标设计及分析。

Design of the Control System for the Indian Ocean Monsoon Observation Shipborne Meteorological Station

SUN Chen1,2，CHEN Zhi-ping1，NING Chun-lin2，YANG Yang2，ZHENG Peng2

(1.SchoolofMechanicalEngineering,HangzhouDianziUniversity，Hangzhou310018,China；2.FirstInstituteofOceanography,StateOceanicAdministration,Qingdao266061,China)

Shipborne meteorological station is one of the main equipment of obtaining real-time and accurate weather data by the travelling of ship. The station which is used for scientific investigations not only requires the safety and reliability of the mechanical structure in harsh environments, but also is of high demands on sampling type, sampling precision, data processing and transmission capability of its data acquisition and control system. In order to obtain more meteorological data, research the reasons of the burst of the tropical monsoon in Indian Ocean and the process of the air-sea interaction, the article designs a high precision multiple meteorological parameters sampling and control system which is applicable to harsh sea conditions based on DT80 data logger. The article also selects and calibrates its main sensor and completes designing the hardware of its control system. The present study mainly focuses on the sampling characteristics and data processing methods of each sensor, so as to obtain reliable meteorological parameters of long and short wave radiation, humidity, air temperature, sea surface temperature and so on. Besides, the study also covers a preliminary calculation of the true wind by the shipborne meteorological station. The control system software is written according to the researches above. The entire data acquisition and control system of shipborne meteorological station is used in the actual measurement of MOMSEI voyage on Indian Ocean for a period of two weeks. Processing and analyzing of the obtained data show that the meteorological parameters measured by the shipborne meteorological station are consistent with real situations. It demonstrates that the software and hardware design of the system, especially the meteorological data processing algorithms, meet the needs of the project.

shipborne meteorological station; DT80; data processing

2013-11-20

国家海洋局第一海洋研究所基本科研业务专项资助项目(GY02 2010T03，GY02 2012T03)

TP29

A

1008-5300(2014)01-0014-05