摘要：介紹了虛擬儀器技術(shù)在氣象監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用，利用虛擬儀器技術(shù),，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集,、處理、顯示和存儲(chǔ)功能,。對溫度,、相對濕度、風(fēng)向,、風(fēng)速,、雨量以及氣壓等氣象要素進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并能夠顯示相關(guān)氣象要素隨時(shí)間變化的趨勢和以往存儲(chǔ)的歷史數(shù)據(jù),，為氣象的研究和預(yù)報(bào)工作提供了有效的數(shù)據(jù)分析資料,。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)具有良好的性能,，在氣象監(jiān)測中具有推廣應(yīng)用的現(xiàn)實(shí)前景,。
關(guān)鍵詞：虛擬儀器；氣象監(jiān)測,；自動(dòng)采集,；顯示,；存儲(chǔ)
自動(dòng)氣象站體積比較龐大，而且使用時(shí)地點(diǎn)和空間會(huì)受到地點(diǎn),、空問上的影響,。如果借助虛擬儀器技術(shù)中易開發(fā)、小體積和方便使用等優(yōu)點(diǎn),，就可以利用虛擬儀器替代自動(dòng)氣象站的數(shù)據(jù)采集器和數(shù)據(jù)預(yù)處理器,。
虛擬儀器技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)的硬件資源(CPU、存儲(chǔ)器,、顯示器,、鍵盤、鼠標(biāo)),、標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電路(GPIB,、RS 232接口總線、新型的VXI接口總線,、信號調(diào)理和轉(zhuǎn)換電路,、圖像采集電路、現(xiàn)場總線等),，經(jīng)過有針對性的開發(fā)測試,，使之成為一套相當(dāng)于使用者自己專門設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)儀器。LabVIEW(laboratory virtual instrumentengineering workbench)是NI(national instruments)美國國家儀器公司的創(chuàng)新軟件產(chǎn)品,，也是目前應(yīng)用最廣,，發(fā)展最快，功能最強(qiáng)的圖形化軟件開發(fā)集成環(huán)境,。簡單地說,，虛擬儀器技術(shù)就是用戶自定義的基于PC技術(shù)的測試和測量解決方案。相對于傳統(tǒng)儀器,，它有4大優(yōu)勢,，即性能高，擴(kuò)展性強(qiáng),，開發(fā)時(shí)間少,，集成功能完美。
在此介紹一種氣象監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法,，以美國NI公司的LabVIEW8．5為平臺(tái),，利用氣象數(shù)據(jù)采集器，實(shí)現(xiàn)虛擬氣象監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì),。該系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)顯示,、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能，根據(jù)以往存儲(chǔ)的歷史數(shù)據(jù)，可以有針對性地對天氣情況進(jìn)行顯示和分析,。
1 系統(tǒng)工作原理
氣象監(jiān)測系統(tǒng)由傳感器,、數(shù)據(jù)采集器、數(shù)據(jù)處理終端等組成,。傳感器用來感應(yīng)氣象要素,，數(shù)據(jù)采集器可以對溫度、相對濕度,、風(fēng)向,、風(fēng)速、雨量以及氣壓等氣象要素進(jìn)行采集,，數(shù)據(jù)處理終端可以對數(shù)據(jù)采集器獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理,。系統(tǒng)首先采集氣象數(shù)據(jù)，之后將數(shù)據(jù)送回到氣象數(shù)據(jù)中心進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示,、數(shù)據(jù)存儲(chǔ),。最后，氣象中心根據(jù)以往存儲(chǔ)的歷史數(shù)據(jù),，還可以進(jìn)行歷史天氣情況的顯示和分析,。采用模塊化、層次化編程思想,，每一模塊完成某一特定功能,。在此設(shè)計(jì)氣象監(jiān)測系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理,、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)保存4個(gè)模塊構(gòu)成,。整個(gè)系統(tǒng)原理圖如圖1所示,。
2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2．1 數(shù)據(jù)采集模塊
2．1．1 數(shù)據(jù)采集模塊結(jié)構(gòu)
要將數(shù)據(jù)采集到計(jì)算機(jī)里，并對其進(jìn)行合理的組織,，就需要構(gòu)建一個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊,。它包括傳感器和變換器、信號調(diào)理設(shè)備,、數(shù)據(jù)采集卡,、驅(qū)動(dòng)程序、硬件配置管理軟件和計(jì)算機(jī)等,。氣象參數(shù)物理量通過各種類型的傳感器輸出成電壓,、電流、頻率等信號,，然后由數(shù)據(jù)采集卡采集,。數(shù)據(jù)采集模塊是用來獲取數(shù)據(jù)采集卡所獲得的數(shù)據(jù)。該模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。
傳感器和變換器種類繁多,，它們直接與各種物理量打交道,，并將這些物理量轉(zhuǎn)化為DAQ系統(tǒng)可以采集的電信號。在設(shè)計(jì)自動(dòng)化測量系統(tǒng)前,，必須要對待測對象和測量需求作詳細(xì)分析,，正確選擇合適的傳感器和變換器。系統(tǒng)采用的傳感器是WXT520,，該傳感器能同時(shí)測量6個(gè)氣象要數(shù),，精確可靠，具有USB接口,。信號調(diào)理設(shè)備對傳感器和變換器送來的信號采取放大,、濾波、隔離等措施,，將它們轉(zhuǎn)化成采集設(shè)備易于讀取的信號,。如果實(shí)際中的信號符合數(shù)據(jù)采集卡等采集設(shè)備的要求，則信號調(diào)理模塊可以省略,。
2．1．2 數(shù)據(jù)采集卡
本系統(tǒng)采用的數(shù)據(jù)采集卡是美國NI公司的NIUSB-6210,，它是一款USB總線供電M系列多功能DAQ模塊，在高采樣率下也能保持高精度,。該模塊提供了16路模擬輸入,；250 kS／s單通道采樣率；4路數(shù)字輸入線,；4路數(shù)字輸出線,；每通道有4個(gè)可編程輸入范圍(±0．2 v～±10 V)；數(shù)字觸發(fā),；2個(gè)計(jì)數(shù)器／定時(shí)器,。USB-6210引腳如圖3所示。NI USB-6210是為移動(dòng)應(yīng)用或空間上有限制的應(yīng)用的專門設(shè)計(jì),，其即插即用的安裝最大程度地降低了配置和設(shè)置時(shí)間,，同時(shí)它能直接與螺絲端子相連，從而削減了成本,，并簡化了信號的連接,。USB總線的供電使用戶不再需要攜帶多余的外部電源。該模塊還具有新的NI信號數(shù)據(jù)流技術(shù),，實(shí)現(xiàn)了USB總線上類似DMA的雙向高速數(shù)據(jù)流操作,。
2．2 軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)開發(fā)采用的是NI公司的虛擬儀器專用編程語言LabVIEW，它是一種圖形化的編程語言和開發(fā)環(huán)境,，已廣泛地被工業(yè)界,、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室所接受，且被公認(rèn)為是標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和控制軟件。使用這種語言編程時(shí),，基本上不需要編寫程序代碼,，而是“繪制”程序流程圖。在一個(gè)硬件的情況下,，可以通過改變軟件來實(shí)現(xiàn)不同儀器儀表的功能,，非常方便。其數(shù)據(jù)分析功能,、圖形顯示能力能夠滿足氣象監(jiān)測系統(tǒng)的需要,，開放式的開發(fā)環(huán)境、靈活的可擴(kuò)展性是現(xiàn)有手段很難完成的,。該系統(tǒng)在實(shí)時(shí)天氣顯示部分,，主要是完成數(shù)據(jù)顯示和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)兩部分工作。
2．2．1 實(shí)時(shí)天氣顯示部分設(shè)計(jì)
數(shù)據(jù)顯示部分比較簡單,。該系統(tǒng)能夠從數(shù)據(jù)采集模塊中獲取采集到的溫度,、相對濕度、風(fēng)向,、風(fēng)速,、雨量以及氣壓等氣象數(shù)據(jù)，并通過LabVIEW的前面板顯示出來,。實(shí)時(shí)獲取并顯示系統(tǒng)采集氣象要素的日期和時(shí)間,。通過LabVIEW平臺(tái)，利用圖形化編程,，不需要面對復(fù)雜,、冗長的文本代碼，并且可以得到事半功倍的效果,。數(shù)據(jù)采集卡完成數(shù)據(jù)采集功能,，數(shù)據(jù)的運(yùn)算分析和處理以及采集卡的控制都是虛擬儀器軟件在后臺(tái)進(jìn)行，測量結(jié)果在虛擬儀器前面板上顯示,。氣象監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)時(shí)天氣顯示部分主界面如圖4所示。
LabVIEW采用一種全新的圖形化編程方法,，不僅人機(jī)界面使用“所見即所得”的可視化技術(shù)建立,，而且程序代碼也是圖形化的，在前面板放置的每一個(gè)對象在框圖程序都會(huì)出現(xiàn)一個(gè)對應(yīng)的端子,?？驁D程序編輯窗口所需的各種功能函數(shù)包括各種數(shù)學(xué)運(yùn)算函數(shù)、信號分析函數(shù),、儀器驅(qū)動(dòng)函數(shù)等均以圖標(biāo)的形式由功能模板提供,。設(shè)計(jì)者只需從功能模板中取出對應(yīng)圖標(biāo)，放置在程序框圖編輯窗口中，再用“連線”工具將其連接,，以實(shí)現(xiàn)相百之間的數(shù)據(jù)傳輸,，即構(gòu)成了完整的框圖程序。系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)更新從數(shù)據(jù)采集設(shè)備得到的氣象數(shù)據(jù),，并分為溫度,、降雨量、氣壓,、相對濕度,、風(fēng)速、風(fēng)向六種因素實(shí)時(shí)顯示采集到的最新天氣數(shù)據(jù),。實(shí)時(shí)天氣顯示部分程序框圖如圖5所示,。
2．2．2 歷史天氣分析部分設(shè)計(jì)
歷史天氣分析部分是一個(gè)獨(dú)立的程序Weatherhistory．vi，可以根據(jù)以往存儲(chǔ)的歷史數(shù)據(jù)來分析歷史天氣情況,。根據(jù)降雨量的情況,，可以將每天不同時(shí)段的天氣信息存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)中，作為參考和歷史數(shù)據(jù)分析的數(shù)據(jù)資源,。歷史天氣分析部分界面和程序框圖如圖6和圖7所示,。
數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分選擇了數(shù)據(jù)記錄文件類型進(jìn)行氣象元素的存儲(chǔ)，這種類型的一個(gè)主要好處是可以有選擇的存儲(chǔ),，有效地保留了各種有用的組合信息,。同時(shí)該系統(tǒng)具有文件存儲(chǔ)功能，可以對輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行保存,，也可以對分析后的結(jié)果進(jìn)行保存,。
3 結(jié)語
本氣象監(jiān)測系統(tǒng)是以LabVIEW8．5為開發(fā)平臺(tái)，配合NI USB-6210氣象數(shù)據(jù)采集器,，實(shí)現(xiàn)了虛擬氣象站的基本功能,。構(gòu)成的氣象監(jiān)測系統(tǒng)成功用于地面氣象觀測中，具有造價(jià)低,，操作方便等優(yōu)點(diǎn),。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代儀器技術(shù)的不斷發(fā)展，以LabVIEW為開發(fā)工具的虛擬儀器設(shè)計(jì)必將在氣象監(jiān)測方面得到越來越多的應(yīng)用,。