摘要：本研究實現了通過虛擬儀器技術對氣象信息進行實時監測及通過GPRS無線傳輸通訊與管理系統進行數據交換，且通過LabVIEW軟件可以把氣象信息以數據形式直觀展現。通過對現場實際氣象信息監測，證實該系統可以連續實時記錄和儲存所監測時間范圍內的氣象數據，并可以對收集到的數據進行統計分析，配合氣象預警系統基本可以實現惡劣氣象條件及時給與提醒，為相關機構對實施相應防護方案提供準確可靠的理論根據。文章發表：《氣象科技》(雙月刊)創刊于1973年，由中國氣象科學研究院、北京市氣象局、中國氣象局氣象探測中心、國家衛星氣象中心及國家氣象信息中心聯合主辦。報道大氣科學和相關科學各領域的新理論、新方法和新技術，也刊載反映大氣科學各領域發展水平的綜合評述。報道內容包括：預報理論與方法、天氣與氣候分析、氣候與全球變化、大氣物理與大氣化學、應用氣象(城市與環境氣象、人工影響天氣、農業與生態氣象等)、探測技術、信息技術及應用、防災減災等。同時，可把惡劣天氣對農業生產的影響降到最低，為農業生產的順利進行提供有力保障。
1系統結構組成
1.1傳感器
本設計采用的傳感器型號是Vaisala公司生產的氣象變送器WXT520，是一個輕巧的小型變送器，采用緊湊式包裝，可提供6種氣象參數。WXT520用于測量風速、風向、降水、氣壓、溫度和相對濕度。傳感器外殼的等級為IP65/IP66，適合于我國北方的惡劣天氣。WXT520采用32VDC，并使用可選擇的通信協議輸出串行數據:SDI-12、ASCII自動和輪詢。有4個串行接口可供選擇:RS-232、RS-485、RS-422和SDI-12;并配備了一個安裝用8針M12接頭和一個維護用4針M8接頭。
1.2主控系統
主控系統包括數據采集器與控制器，具體包括控制器、采集器、通訊模塊、供電電源和存儲模塊等部分。主控器通過嵌入式軟件與供電、采集、通訊、存儲等單元協調工作來完成。自動氣象站的核心是數據采集器，負責數據收集、傳輸、統計分析和數據存儲[4]。采集器電路主板包括主板和底板。主板是嵌入式工控主板，具有良好的擴展性，操作性、支持第三方控制器，包括時鐘管理、實時及周期間隔定時器、復位、關機、高級中斷及調試單元(DBGU)。通訊單元為西門子6GK7型工業以太網通訊單元，可以做到網絡統一，可與支持EtherNet/IP的設備連接，結合使用Ethernet功能使其具有傳感器監控器及控制值備份等現場實際應用功能，要想完成任務下達命令和數據上傳功能需要通過網絡來實現。通訊模塊起到關鍵作用，所以要求其具備以下功能:①支持國際標準通訊協議，如TCP/IP(6.0)、UDP或者PPP，具有標準RS232串口;②可以自動監測聯網狀態，短線1min內自動撥號重新連接，防止數據的丟失;③接口速率為可選的1200～9600kB/s范圍。存儲單元:因采集數據的頻率較短和跟蹤監測的時間范圍較長，因此采用存儲容量為閃迪256G固態硬盤，用于保證存儲容量及數據的安全性、穩定性和讀取速度，同時存儲單元可以記錄系統工作狀態。防雷單元:由于監測系統需要全天候連續工作，所以需要面對復雜天氣狀況，因此加裝防雷設備對于整個系統的安全性尤為關鍵，本系統采用的是雷太LY1-B系列電涌保護器(一級防雷器)。供電單元:由于本系統需要在田間進行監測，不宜采用城市供電，因此選用了太陽能電池進行供電，對電池的容量要求為在無光線的環境中可以連續供電10天。擴展單元:新型傳感器需要有相應的端口或接口與主控系統相連接，以滿足系統升級或新添設備需要。
2系統設計
農田氣象信息遠程監測系統的主控器選用的是Atmel公司的ARM9系列的AT91SAM9260處理器。該處理器可以采用Linux操作系統，通過嵌入式應用控制程序，實現農田環境多要素氣象數據的采集、處理及存儲的功能。被采集到的氣象要素基于TCP/IP協議的通訊網絡，采用無線GPRS方式，根據實際情況選擇最佳的組網方案，實現無線氣象數據傳輸，并基于LabVIEW開發農業氣象信息管理軟件，使氣象信息能夠被讀取。
2.1采集控制設計
采集系統可以實現采集并對采集到的氣象要素信號進行處理。采集系統內部設有存儲器，可以進行信息清除并對采集到的各氣象要素的數據進行存儲，有接口USB實現信息數據的備份功能。系統設有通訊接口RS232/RS485，可以通過該接口與GPRS/CDMA等通訊設備連接。該系統有時鐘校準功能，通過監控中心下達指令，對氣象站的時間進行校準。數據處理的方法需要設計采集數據的時間間隔。氣象數據的監測主要為定時掃描各傳感器的數據，通過通訊模塊將數據的電信號傳到主控系統中經既定程序(LabVIEW)計算;通過屏幕可以直接讀取實時數據，針對特定時間段的數據可以進行有目的的分析，如平均值，不同時間點的變化趨勢數據以及不同周、月份、年份的數據統計分析等[5]。收集數據默認為溫度、相對濕度、降雨量、風向、風速及氣壓;當增加傳感器時，在主控系統中重新設置就可以進行增加項目數據的收集。各氣象數據中氣溫、相對濕度、雨量、氣壓的數據傳感器每10s測定一次，根據氣象學上常規的統計方法，通過程序收集到1min內每10s的瞬時氣象數據。氣溫、相對濕度、雨量、氣壓在1min內會收集到6個數據，舍棄一個最高值和一個最低值，使用其余的4個測定數據來計算算術平均值，此值為監測系統最終在屏幕中實時顯示的瞬時數值。風向、風速的監測頻率為1次/min，系統計算每5min內5次測定值的算數平均值，此數據在LabVIEW程序界面中實時顯示。所有測定的數據在數據庫中均有保存，如統計部門需要對數據進行特殊分析，均可在數據庫中將數據導出。在數據庫中如有異常數據，一般以超過臨近時間點兩倍的數據值進行特殊標記，以便提醒管理員對相應數據進行核實和異常情況的分析。
2.2通訊設計
前端采集部分與后端監控中心系統通信采用無線GPRS通信方式，由于農田氣象站放置在室外，因此不適宜采用光纖傳輸，而采用GPRS無線能夠解決此問題[6]。GPRS采用的組網方式是公網固定IP的方式。GPRS擁有傳遞及時、通信信號好等優勢，在并組網時減少對原有網絡資源的浪費，節約了成本，并可以在室外復雜環境中實時進行監測，而且具有一定的安全性。室外自動氣象站與氣象信息管理系統需要建立點對點的網絡連接，在連接過程中需要以無線方式登陸到以太網絡來獲得網絡地址。要實現網絡服務器地址和端口映射在氣象管理系統中，需要氣象信息管理系統軟件采用其網絡子網地址，這樣在管理系統顯示軟件中就可以實現氣象數據的雙向通訊，進行有效的信息傳遞和收集[7-8]。圖2為基于GPRS無線通訊的氣象信息系統示意圖。
2.3軟件設計
氣象信息管理系統可以通過網絡來查看氣象信息。本研究天氣顯示采用的軟件是LabVIEW，此軟件是美國國家儀器公司推出的一門圖像化編程語言，同時也是著名的虛擬儀器開發平臺[9-10]。作為一門圖形化編程語言，LabVIEW秉承了其簡單易用的一貫作風，使用戶能夠快速編寫出強大的應用程序。本研究的LabVIEW編寫程序圖，如圖3所示。為了方便敘述，本文把風向、風速、溫度、濕度、雨量和氣壓多種氣象數據統稱為氣象信息值。氣象系統天氣前面板顯示圖，如圖4所示。通過該系統對哈爾濱市香坊區東北農業大學校內氣象信息值進行監測，與氣象臺預報數據作為參考進行對比，氣象信息值監測結果如表1所示。表1中實測的時間跨度是實驗當天早6:00至晚18:00。從數據中可以看出，實測日期當天監測到的溫度、濕度、雨量、風速和氣壓與參考值相比，具有良好的線性關系，系統可以準確計算出當天所監測氣象信息的平均值。此收集到的氣象數據只是一天中的部分數據，所以經過系統分析計算出來的數據只能代表所監測時間范圍內的氣象信息，與氣象臺發布的參考值有偏差。
