自动气象站的数据传输系统设计

侯玉虹

农业气象与农业生产息息相关，随着农业信息化的发展，气象站逐渐应用到农业上来，为农业研究提供实时农田生态信息。作物超高产的获得与农田生态信息密切相关，为了研究作物超高产区气候资源特点，利用本试验室自主研发了农业气象站，在全国东北平原、黄淮海流域以及长江流域15个超高产点安装了该仪器。因为超高产区主要为各单位的科研基地，可以随时获得气象站采集信息，不会影响信息的时效应。同时发送短信息可随时读取全国三大平原各试验点自动气象站实时信息，进而掌握全国气象变化动态，远距离观察、了解仪器的工作状况，如仪器出现故障随时检修。

一、整体结构简介

1.气象站传感器系统。气象站的传感器主要包括相对湿度传感器、温度传感器、光合有效辐射传感器、雨量传感器、风速传感器、风向传感器以及土壤水分传感器。

（1）相对湿度传感器。湿度测定是采用高分子湿敏电容技术。其原理为高分子薄膜式湿敏元件应用的是平板电容器原理，在绝缘基片上依次形成下电极感湿膜，上电极感湿膜，膜是聚酰亚胺高分子聚合物，它吸收环境空气中的水分后，其介电常数发生变化，从而引起电容量变化，达到反映湿度的目的。

（2）温度传感器。温度产感器采用的是铂电阻，它是一种温度传感器，它是利用铂丝在温度变化时自身电阻也随着变化的特性来测量温度的，具有高精度高稳定性等特点。

（3）光合有效辐射传感器。光合有效辐射传感器技术原理为：PAR测定采用多层叠加滤光和光敏半导技术，即采用硅光电二极管，利用光生伏特效应将光能转化为电能，在光照照射下能在P区和N区之间形成光生电动势，把PN结连接起来，电路中就有电流流过，电流大小与光照强度成相关性。

（4）土壤水分传感器。土壤水分传感器基于驻波率测量原理，测量精度高，相应速度快；土质影响较小，应用地区广泛；

（5）风速传感器。风速传感器的感应元件是三风杯组成，由三个不锈钢风杯和杯架组成。转换器为多齿转杯和狭缝光耦。当风杯受水平风力作用而旋转时，通过活轴转杯在狭缝光耦中的转动，输出频率的信号。

（6）风向传感器。风速传感器的变换器为码盘和光电组件。当风标随风向变化而转动时，通过轴带动码盘在光电组件缝隙中转动。产生的光电信号对应当时风向的格雷码输出。

（7）雨量传感器。承水口收集的雨水，经过上筒（漏斗）过滤网，注入计量翻斗。翻斗翻动次数用磁钢扫描干式舌簧管通断送出脉冲信号计数，每记录一个脉冲信号，便代表0.2、0.5、1毫米降水，实现降水遥测的目的。

2.气象站主机结构及模块简介。气象站整个硬件系统包括8个模块：电源模块、单片机、存储卡、无线MODEM、系统时钟电路、A/D转换电路、LCD显示器、键盘。

3.气象站数据采集流程。本系统是一个从气象数据采集、传输到显示的完整体系。电源的供电采用太阳能供电方式。气象站一般由传感器、变换器、数据处理装置、资料发送装置和电源等部分组成，其构成框图如图所示。

本系统的设计是为气象数据的获取，由气象仪器测得气象数据，然后由气象传感器将信号传送到采集器，采集器的供电由12v太阳能提供，由于采集器供电量很小，因此用太阳能供电完全可以满足需要。采集器将从传感器获得的电压信号转化成数字或脉冲信号，输出到9针COM口，再传输到MCU端口，然后将数据转存到SD卡，并生成报文文件格式，再经中心处理软件通过查询，使用户最终得到气象信息。

二、气象信息处理软件

自动气象站信息处理是对采集来的数据处理成直观的显示气象信息，按采集来的气象要素，分类显示查询结果。该系统采用ViusalBasic软件开发。

1.软件设计

（1） 软件主要功能：①列表查询；②曲线查询；③统计查询；④实时显示。

（2） 软件运行环境。气象信息处理软件可在Windows98/2000/Xp上运行。

（3） 气象信息显示。气象传感器和采集器采集来的数据只是一组字符或者数字，而对用户而言需要的是气象信息的直观结果。气象信息处理软件就是通过查询显示的方式和图形界面的形式呈现给用户所需要的气象信息。

2.气象信息的主界面。程序的主界面是一个标准的Windows窗体，具有菜单栏、工具栏与状，态栏等部件。为实用与方便操作，主界面采用单文档界面形式，在单文档窗体上切分了若干块，分别用于温度、湿度、光合有效辐射、风速、风向、雨量以及土壤含水量等气象要素显示方式。

3.数据查询。短信收发系统的操作，主要包括本地设置、数据处理、信息设置和管理等菜单。在本地设置菜单中主要包括密码设置以及系统时间设置和修改气象站号等信息菜单栏。

综上所述，本文设计开发的软件经过测试，能够完成对气象站数据的春初、查询、显示等功能，达到了基本要求。

三、结论与讨论

课题实施三年来，软件不断开发升级，确保数据采集的稳定性和准确性。在三大平原各大超高产试验区安装的气象站，实现了小麦、玉米和水稻作物生产过程中的数字化表达，并可对生产过程进行设计、监测、控制、管理和可视化表达。虽然存在数据查询速度较慢、软件功能不够完善等问题，程序还待优化等問题，但系统达到了最初的设计目标，完成了终端软硬件设计，实现了气象信息远程传输，为自动气象站的数据传输提供了新的方案。

参考文献：

[1]胡玉峰主编. 2004.自动气象站原理与测量方法[M].北京：气象出版社.

[2]李黄主编. 2007.自动气象站使用手册[M].北京：气象出版社.

[3]罗刚. 2000.加快我国自动气象站观测发展步伐[J].四川气象，20（1）：4-5.