基于C#的常规气象要素采集监控系统设计与实现

周艳红，马尚昌，2，赵 静，张素娟，2

(1.成都信息工程大学电子工程学院，四川成都610225;2.中国气象局大气探测重点开放实验室，四川成都610225)

0 引言

气象行业与人们生活、社会生产密切相关，有利的气象条件对于工农业生产有极大的促进作用，但是，由于台风、暴雨以及干旱等气象灾害对人类的生产活动以及经济建设构成严重威胁，因此，准确的天气预报对于国民经济发展起至关重要作用。目前，气象行业的首要任务就是如何利用先进的技术和方法，制作并发布准确、及时的天气预报，让人们提前采取防灾措施以减少自然灾害带来的经济损失。因此，新的气象探测技术就应运而生以替代原先的落后技术，以确保数据的实时性、准确性以及可靠性。从上个世纪末开始，很多国家都大力支持和建设自动气象站，在发达国家，绝大部分观测项目都实现了自动化，自动气象站系统项目发展最好的是美国、德国、芬兰等[1]。在亚洲范围内，日本和韩国也在上世纪末迅速开发建设自己的自动观测系统，规模和性能都是亚洲比较先进的，美国气象部门研究开发的自动气象站系统叫自动地面观测系统、日本气象部门开发的自动气象站系统叫自动气象资料收集系统、法国气象部门开发的自动气象站系统叫基本站网自动化观测系统等[2]。随着中国气象事业现代化的发展，为保障综合气象观测系统稳定运行、准确探测，促进综合观测系统建设效益的发挥[3]，中国气象局自2006年开始筹建气象观测网运行监控系统和业务[4]，2007年完成了监控业务系统的总体框架和功能设计[5]，2010年，国家综合气象观测运行监控系统(一期)建设完成，实现了对自动气象站、探空系统和天气雷达网的运行监控，主要功能包括运行监控子系统、站网信息管理子系统、维护维修信息管理子系统、装备供应保障信息管理子系统以及监控信息发布、综合分析评估、系统管理及基础平台等功能模块[6]。系统投入业务使用后，有利地保障了气象综合观测系统的稳定运行，在提升观测系统业务可用性上发挥了重要作用[7]。中国运行监控业务主要依托综合观测系统运行监控平台，是采用“一级部署、四级应用”的架构模式，国家级、省级、地市级和台站级用户在实际业务中通过各自的用户界面使用该系统，系统用户界面针对各级用户需求显示不同的信息和功能。根据实际需求，分析了ZigBee技术的优缺点，设计了基于ZigBee和以太网的监控平台进而对本地的气象观测场进行管理。在成都信息工程大学气象观测场内布置2套无线站点，然后利用ZigBee无线网络将前端传感器采集到的实时数据传输至协调器，再利用光纤网络将接收到的数据传输至上位机，通过该上位机监控软件就可以对气象要素信息进行相关操作，这样管理观测场就显得特别方便。由于C#是一种最新的、面向对象的程序设计语言，并且能够快速地编写应用程序，这在很大程度上提高了程序运行效率以及显示界面的友好性。因此，采用C#程序设计语言编写上位机应用程序完成本设计。

1 系统总体设计

采用智能变送器采集并传输常规气象要素，该设计包括3个方面的内容:智能变送器模块、串口设备联网模块和上位机软件设计部分[8]。观测场中的传感器采集的信号经过智能变送器模块进行信号处理之后由ZigBee进行无线传输至串口设备联网模块，联网模块中的串口又将信号传输给PC的服务器端，然后在串口服务器与终端上位机软件之间的通信协议之下，上位机驱动软件将以太网传输或者光纤传输至终端上位机的网络数据解析映射为虚拟串口数据。ZigBee是根据IEEE 802.15.4协议规定的一种短距离、低功耗的无线通信技术，它有自动组网、网络容量大、网络时延短、模块功耗低、通讯速率低、传输距离可扩展、成本低以及可靠性高等优点。而光纤通信是现代通信网的主要传输手段，与其他电气通信相比，主要区别在于光纤通信有很多优点:传输频带宽、通信容量大;传输损耗低、中继距离长;线径细、重量轻，原料为石英，节省金属材料，有利于资源合理使用;绝缘、抗电磁干扰性能强;还具有抗腐蚀能力强、抗辐射能力强、可绕性好、无电火花、泄露小、保密性强等[9]，因此设计采用的是ZigBee与光纤进行数据的传输。最后通过上位机系统对各无线站点进行监控以及对数据进行处理。总体设计如图1所示。

图1 系统总体设计框图

2 系统硬件原理分析

设计要实现的功能就是采集常规气象要素信息，并且通过无线网络传输至上位机对数据进行相关操作，因此硬件系统主要分为3个部分，即信号采集模块、ZigBee数据传输模块以及串口服务器模块。

2.1 信号采集模块

信号采集模块是采用传感器进行气象要素的采集，结合常规气象要素传感器信号的高精度测量电路，实现模块的低功耗、小体积、低成本与高性能。由于HMP155A温湿度探头应用范围十分广泛，能够提供高可靠的相对湿度以及温度，因此设计采用该型号的传感器进行温湿度数据的采集。

2.2 ZigBee无线传输模块

利用ZigBee技术传输距离近、网络复杂度较低、功耗较低、数据传输的速率较低、成本低下、可靠性较高、安全性极高等优点，在ZigBee无线组网传输技术的这些优势之下，将其应用于自动气象观测场中。其基础是IEEE802.15.4国际标准协议，ZigBee无线组网技术主要适合用于智能控制设备当中，是个域网的主流，可以嵌入到各种设备之中。ZigBee节点所属类别主要分3种，分别是协调器、路由器、终端，然而同一个ZigBee网络中只能有一个协调器，专用于负责各个节点16位地址分配(自动分配)[10]。前端采集用的核心芯片是自带ZigBee收发器的CC2530芯片，采集数据后按照数据字典格式进行数据封包，利用ZigBee将数据传输给协调器。由于ZigBee无线传输的距离有限，设计同时用到串口服务器将数据传输给远端的业务终端计算机。设计采用的CC2530最小系统电路如图2所示。

图2 CC2530最小系统电路图

2.3 串口服务器模块

串口服务器是基于Linux的操作系统，用操作系统自身的TCP/IP协议栈编写网络程序以及串口管理程序等[11]。ZigBee协调器是以RS-232串口的方式连接到串口服务器的一个串口(有些串口可以采用RS-485/422等)[12]。串口服务器通过光纤模块和光纤线实现室外室内光信号的传输，室内的光纤收发模块用网线连接到电脑端。串口服务器和ZigBee无线网络可以完成采集到的数据和服务器指令的双向通信。因此，终端上位机也可以向采集数据端发送相应的指令得到想要的数据。该系统接收气象观测设备传来的串口数据或把处理器的数据通过电脑端的光纤接收模块传送给观测设备，这样就能够实现上位机控制端和下端传感器采集数据以及通信命令的透明传输[13]。系统设计的电源能够为整个系统各个部件提供电能，串口设备电源电路如图3所示。

图3 串口设备电源电路

3 上位机软件设计

.NET框架是微软公司继Windows DNA之后的新开发平台，是一种采用系统虚拟机运行的编程平台，能快速开发Windows桌面应用程序，能支持多种语言如C#、VB.NET、C++、Python 等[14]。C#语言继承了 C和C++的强大功能但是并没有那么复杂，可以直接调用控件建立Windows用户界面，简单直观，因此，设计采用C#程序设计语言实现上位机软件的编写。

打开该软件时，系统对串口进行扫描，用户先对串口进行初始化设置，如果设置的串口号与扫描到的串口相同则可以进行后续操作，如果不相同系统就提醒“串口打开失败，请重新打开串口!”，串口打开成功之后，可以进行串口数据读取、存储并且会显示在接收窗口之中，当点击退出程序之后系统就安全退出。软件设计流程如图4所示。

图4 软件设计流程图

4 系统测试结果

在气象观测场搭建2套系统站点平台，分别将温湿度、风速、雨量传感器连接到智能变送器上，上电后与协调器组建无线采集传输网络，智能变送器中TEDS对不同的传感器能够进行编号识别[15]。借助上位机软件，将接收到数据按照地面观测气象数据字典规范进行正确解析，需要在串口设置区域设置串口号、波特率、数据位以及校验位等常规参数，设置完成点击打开串口按钮，此时串口被打开，在数据发送区域选择定时发送，输入发送的时间间隔，发送框内输入READDATA命令点击发送，数据就实时显示于数据接收窗口，如图5所示。

图5 数据接收窗口

点击站点监测，可分别显示2个站点的常规气象要素，如图6所示。

图6 站点监测界面

点击短信收发按钮，可以向固定用户发送实时气象数据，如图7所示:

图7 短信收发

经分析，得到站1和站2均能测到当前温度、湿度、风速与雨量的数据信息，且与标准值的误差严格控制在第二代自动气象站中对温湿度数据的误差要求范围内。

5 结束语

由于ZigBee技术在无线传输中的巨大优势以及C#程序语言在编写应用程序的快速性、简易型等特点，其应用越来越广泛。设计正是在基于ZigBee的无线传输的基础上，在气象观测场内进行无线布点，通过ZigBee传输至协调器，然后将信号由光纤透传至上位机，基于C#的上位机界面对其进行数据查询以及监控等功能，便于远程管理，实现了气象站的智能化。

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