謝 檬，張安莉，李 強

（西安交通大學(xué)城市學(xué)院，陜西西安 710018）

氣象數(shù)據(jù)的采集是人類社會文明快速發(fā)展不可或缺的一部分，尤其在農(nóng)業(yè)方面顯得尤為重要[1-5]。氣象數(shù)據(jù)是人們?nèi)粘Ｉ罟ぷ髦械闹匾獏?shù)，廣泛應(yīng)用于生活中[4-7]。因此，科學(xué)地監(jiān)測氣象數(shù)據(jù)，是人類生活不可或缺的工作[6-12]?，F(xiàn)階段，自動氣象站體積比較龐大，使用時受地點、空間影響較大，而在線監(jiān)測技術(shù)是推動氣象數(shù)據(jù)采集的快速發(fā)展、實現(xiàn)隨時隨地監(jiān)測的關(guān)鍵技術(shù)[13-19]。文中所設(shè)計的虛擬氣象數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)針對常見的氣象參數(shù)[20-22]（溫度、濕度和氣壓等信號）進(jìn)行實時采集，上位機采用LabVIEW搭建監(jiān)測平臺，可以完成實時顯示、控制、報警、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)存儲和實時數(shù)據(jù)誤差分析等功能。

1 總體方案設(shè)計

氣象數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示，分為下位機數(shù)據(jù)采集模塊和上位機數(shù)據(jù)處理模塊。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

下位機數(shù)據(jù)采集模塊采用DTH11 傳感器采集溫度和濕度數(shù)據(jù)，BMP150 傳感器采集氣壓數(shù)據(jù)。將采集到的溫度、濕度和氣壓數(shù)據(jù)經(jīng)過調(diào)理電路送入MSP430 單片機，經(jīng)過處理，在上位機構(gòu)成的虛擬面板上對所采集到的氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行實時顯示、控制、誤差分析。

2 軟件程序設(shè)計

2.1 監(jiān)測系統(tǒng)主程序

圖2 所示為監(jiān)測系統(tǒng)的主程序流程圖，打開監(jiān)控系統(tǒng)，首先進(jìn)行初始化設(shè)置。設(shè)置參數(shù)范圍，即單片機串口號、定時器驅(qū)動信號等硬件程序。接著按下開始按鍵，即開始進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。當(dāng)采集的數(shù)據(jù)沒有超過設(shè)定值的上下限時，系統(tǒng)循環(huán)往復(fù)正常進(jìn)行實時監(jiān)測。當(dāng)采集的數(shù)據(jù)超出給定的上下限時，系統(tǒng)開啟報警電路。

圖2 主程序流程圖

2.2 上位機子程序

上位機子程序設(shè)計主要接收來自下位機的溫濕度和氣壓傳感器采集的數(shù)據(jù)，將溫濕度和氣壓數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)處理子程序進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。將處理后的數(shù)據(jù)與上限和下限進(jìn)行比較，并發(fā)送到報警子程序。最后，將結(jié)果送到數(shù)據(jù)存儲子程序，會自動生成報表形式的歷史數(shù)據(jù)，便于歷史數(shù)據(jù)的查詢，流程圖如圖3 所示。

圖3 上位機子程序流程圖

3 監(jiān)測系統(tǒng)子面板設(shè)計

監(jiān)測系統(tǒng)分為3 個子面板：數(shù)據(jù)顯示子面板、數(shù)據(jù)查詢子面板和數(shù)據(jù)誤差分析子面板。

3.1 數(shù)據(jù)顯示子面板

監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)顯示子面板如圖4 所示，主要包括初始化設(shè)定模塊、報警模塊和氣象數(shù)據(jù)顯示模塊。系統(tǒng)實時采集3 個參數(shù)：溫度、濕度和氣壓數(shù)據(jù)，3 個波形圖分別是溫度變化曲線、濕度變化曲線和氣壓變化曲線?？刂瓢粹o是監(jiān)測系統(tǒng)用來停止采集數(shù)據(jù)的按鈕。

圖4 數(shù)據(jù)顯示子面板

1）初始化設(shè)定模塊

初始化設(shè)定模塊在數(shù)據(jù)采集子面板的左上側(cè)，包括串口選擇和記錄時間間隔。

①串口選擇

串口選擇要按照實際連接的串口進(jìn)行選擇，波特率固定在9 600 bps，根據(jù)插入電腦的U 口提示進(jìn)行設(shè)置，然后點擊打開串口即可運行，該系統(tǒng)選用的是COM4。

②記錄時間間隔

系統(tǒng)記錄間隔統(tǒng)一設(shè)定為1，以秒（s）為單位。

2）報警模塊

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計的超限報警裝置，一旦被測數(shù)據(jù)超過設(shè)定的上下限，系統(tǒng)的報警指示燈就會點亮。報警量程在數(shù)據(jù)顯示子面板上可以修改。

3）氣象數(shù)據(jù)顯示模塊

氣象數(shù)據(jù)顯示模塊分為波形顯示記錄、數(shù)字和量表顯示3 種顯示方式，在數(shù)據(jù)顯示子面板的右側(cè)，包括溫度、濕度和氣壓數(shù)據(jù)。

①溫度數(shù)據(jù)

實時監(jiān)測出的溫度數(shù)據(jù)顯示到波形圖上，橫坐標(biāo)為時間，單位是s，縱坐標(biāo)為溫度，單位是℃。溫度變化范圍為-20～+60 ℃。

②濕度數(shù)據(jù)

實時監(jiān)測出的濕度數(shù)據(jù)顯示到波形圖上，橫坐標(biāo)為時間，單位是s，縱坐標(biāo)為濕度，單位是%RH。濕度變化范圍為0～95%RH。

③氣壓數(shù)據(jù)

實時監(jiān)測出的氣壓數(shù)據(jù)顯示在波形圖上，橫坐標(biāo)為時間，單位是s，縱坐標(biāo)為氣壓，單位是kPa。氣壓變化范圍為30～110 kPa。

3.2 數(shù)據(jù)查詢子面板

監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)查詢子面板如圖5 所示，通過選擇需要查詢的起始時間，查詢溫度、濕度和氣壓的歷史數(shù)據(jù)。查詢子面板顯示所查詢的歷史時間、氣壓、溫度和濕度的實時數(shù)據(jù)，采用字符串的形式，且氣壓數(shù)據(jù)保留小數(shù)點后兩位，溫濕度數(shù)據(jù)保留小數(shù)點后一位。氣象數(shù)據(jù)采集完成后，所有歷史數(shù)據(jù)采用TXT 格式存儲在文件夾，方便用戶隨時調(diào)用。存儲文件夾容量為60 000 組。

圖5 數(shù)據(jù)查詢子面板

3.3 數(shù)據(jù)誤差分析子面板

監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)誤差分析子面板如圖6 所示，將采集到的實測數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，得到其相對誤差。

圖6 數(shù)據(jù)誤差分析子面板

相對誤差γ0的計算見式（1）。

式中，ΔA為測量量與實際量之差；A0為實際量。

4 監(jiān)測系統(tǒng)功能測試

4.1 正常工作模式

監(jiān)測系統(tǒng)正常工作模式的溫度上限設(shè)置為50 ℃、下限設(shè)置為0 ℃；濕度上限設(shè)置為50%RH、下限設(shè)置為10%RH。開始采集室溫，得到結(jié)果如圖7 所示。實時溫度為29.7 ℃，實時濕度為46.6%RH，實時氣壓為95.78 kPa，均在正常范圍，故報警電路不報警。

圖7 正常工作模式

4.2 溫度報警模式

監(jiān)測系統(tǒng)溫度上限設(shè)置為25 ℃、下限設(shè)置為0 ℃；濕度上限設(shè)置為50%RH、下限設(shè)置為10%RH。開始采集室溫，得到結(jié)果如圖8 所示。實時溫度為29.6 ℃，實時濕度為47.8%RH，實時氣壓為95.79 kPa，實時溫度超過溫度上限值，故溫度報警指示燈點亮，開啟報警電路。

圖8 溫度報警模式

4.3 濕度報警模式

監(jiān)測系統(tǒng)溫度上限設(shè)置為50 ℃、下限設(shè)置為0 ℃；濕度上限設(shè)置為25%RH、下限設(shè)置為10%RH。開始采集室溫，得到結(jié)果如圖9 所示。實時溫度為29.2 ℃，實時濕度為48.0%RH，實時氣壓為95.78 kPa，實時濕度超過濕度上限值，故濕度報警指示燈點亮，開啟報警電路。

圖9 濕度報警模式

4.4 溫濕度報警模式

監(jiān)測系統(tǒng)溫度上限設(shè)置為25 ℃、下限設(shè)置為0 ℃；濕度上限設(shè)置為25%RH、下限設(shè)置為10%RH。開始采集室溫，得到結(jié)果如圖10 所示。實時溫度為26.1 ℃，實時濕度為44.2%RH，實時氣壓為96.04 kPa，實時溫度超過溫度上限值，實時濕度也超過濕度上限值。故溫度和濕度報警指示燈同時點亮，開啟報警電路。

圖10 溫濕度報警模式

4.5 實時數(shù)據(jù)查詢模式

監(jiān)測系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)查詢模式如圖11 所示，通過選擇數(shù)據(jù)查詢子面板，可以看到歷史數(shù)據(jù)列表，包括時間、氣壓參數(shù)、濕度參數(shù)和溫度參數(shù)。

圖11 實時數(shù)據(jù)查詢模式

4.6 數(shù)據(jù)誤差分析模式

監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)誤差分析如圖12 所示，實時標(biāo)準(zhǔn)氣壓為96.0 kPa，實時標(biāo)準(zhǔn)濕度為43.0%RH，實時標(biāo)準(zhǔn)溫度為27.0℃。根據(jù)式（1），得到實時誤差為：氣壓誤差0.1%、濕度誤差0.0%、溫度誤差0.7%。根據(jù)實時誤差，得到誤差分析表，見表1。相對誤差反映了測量結(jié)果的準(zhǔn)確度，系統(tǒng)的相對誤差小于1%，滿足了設(shè)計要求。

表1 誤差分析表

圖12 數(shù)據(jù)誤差分析模式

5 結(jié)束語

文中所設(shè)計的虛擬氣象數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)硬件的主控芯片選用MSP430 單片機，采集模塊采用DTH11傳感器采集溫度和濕度數(shù)據(jù)，BMP150 傳感器采集氣壓數(shù)據(jù)。監(jiān)測系統(tǒng)上位機采用LabVIEW 搭建監(jiān)測平臺，可以完成實時顯示、控制、報警、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)存儲和實時數(shù)據(jù)誤差分析等功能。系統(tǒng)經(jīng)過測試，虛擬平臺搭建的監(jiān)測系統(tǒng)可以完成溫度范圍為-20～+60 ℃，濕度范圍為0～95%RH，氣壓范圍為30～110 kPa 的測試以及數(shù)據(jù)記錄，實驗誤差不超過1%，滿足了現(xiàn)階段工程設(shè)計和開發(fā)的需要。