氣象數據采集與傳輸系統研究

張 民

（蘭州資源環境職業技術學院氣象系，甘肅 蘭州 730021）

1 引言

氣象學是從定性和定量兩方面分析大氣特征、用以說明大氣現象成因、科學利用氣象條件的重要學科，氣象數據的采集與傳輸是氣象科學研究的基礎。隨著國民經濟的發展和科學技術的進步，迫切需要建立基于ARM、GPRS 等的氣象數據采集與傳輸系統，使其方便靈活、快速準確、科學實用的氣象觀測和數據處理功能在航空航天、海洋、農業、軍事等多種行業中發揮日益強大的作用。因此，如何從提高氣象數據實時性和可靠性出發，深入分析和研究氣象數據的采集、處理與傳輸原理，運用計算機和網絡技術，設計和開發低功耗、結構合理、功能強大、傳輸便捷、能夠滿足現代氣象檢測和預報要求的氣象數據采集與傳輸系統，為天氣預報、科學研究以及各類氣候災害的預警和決策提供有力的技術支撐，已越來越成為專家學者探討的熱點和研究的重點課題。

2 氣象數據采集與傳輸系統的發展現狀

國外早在上個世紀50 年代就開始了氣象數據采集系統的研究，如美國研制的第一代自動氣象數據采集系統“AMOS～Ⅲ型自動氣象站”，雖然結構簡單、要素少，既不能適應較為殘酷的氣候條件，也無法實現數據的存儲和傳輸，但卻開創了氣象數據采集歷史的先河。70 年代后，美國Handar 公司與Sutton 公司專項合作開發研制，芬蘭Vaisala 公司以及澳大利亞Data Electronics 公司都成功地將集成電路、微處理器等技術運用于氣象數據采集系統。隨后，氣象數據采集系統不斷更新換代和商業化的同時，在世界范圍內多個領域迅速發展并取得了令人矚目的進步。

國內氣象數據采集系統研究起步較晚，首臺在青海省試運行的無人自動氣象站建于70 年代初。90 年代后，我國第一批自動氣象數據采集系統的設計定型，標志著我國氣象數據采集系統研究工作進入嶄新的歷史時期。進入新世紀以來，我國自動氣象數據采集系統迅速發展并逐步實現了測量精度、穩定性等關鍵技術的突破，建站萬余家，并成功實現了組網。如今，網絡計算機、軟件科學、通信和監測等技術的發展，必將帶動多功能、智能化、高精度、高可靠性的氣象數據采集系統進一步向縱深方向發展。

3 氣象數據采集與傳輸系統設計原理與功能實現

3.1 系統方案分析

完整的氣象數據采集系統由硬件和軟件組成。國內采集系統多以微處理器為核心，主要采用基于ARM 技術、基于MSCl210 等的集散式體系架構和CAN 總線式結構。集散式數據采集系統由數據采集站、上位機及通信線路等組成，數據采集站對不同傳感器采集的數字信號進行處理，采用串行、并行或無線方式等多種通信方法將數據上傳至上位機，上位機可對采集數據進行顯示、計算、存儲或打印；而總線式數據采集系統則是通過總線掛接各種功能模塊(板)來采集和處理分散配置的各個傳感器信號。總線式數據采集系統可將總線延伸到現場每臺采集設備，其信號傳輸最突出優點就是可有效避免長距離傳輸中的信號衰減、精度下降和失真現象。

GPRS 是基于全球移動通信系統的高效的數據處理科技，它運用可靠的無線、分組共享信道和交換技術，為用戶提供端到端的無線IP 連接，其特點是接入時間短、傳輸速率高，更為重要的是，GPRS 用戶雖然一直在線，但只有接收和發送數據的時刻才會占用資源，即意味著系統內多用戶不僅可高質高效地共享氣象網絡數據信息，大大提高資源的利用率，而且可以按實際通信流量支付數據流量費。

3.2 系統組成

氣象數據采集與傳輸系統組成框圖，如圖1。

圖1 氣象數據采集與傳輸系統組成框圖

數據的采集由溫度、濕度、風速、風向以及雨量等傳感器、數據采集模塊采集和處理分散配置的各個傳感器信號，通過A/D 轉換器將模擬信號轉換成數字信號，氣象六大要素傳感器采集數據的變換，見表1；GPRS 可提供端到端分組轉移模式下大數據量的發送和接收服務，完成氣象數據的傳輸任務。

表1 氣象六大要素傳感器采集數據的轉換

3.3 數據采集系統工作原理與功能實現

氣象數據采集，無論是基于MSC1210、基于ARM 還是基于SEP3203 的數據采集，其系統工作原理相近，都是利用傳感器對溫度、濕度、氣壓、雨量、風向、風速等6大氣象要素值進行采集，將采集到的氣象要素經過處理器，適時完成對從無線組網模塊接收到的氣象要素的數據處理，轉變為電阻、電壓、頻率、脈沖信號等物理量。其中，溫度、濕度、氣壓的模擬電壓經通用性很強的可編程放大器進行信號的調理放大；風速傳感器的是利用了低慣性的風杯部件作為傳感器感應器件，風感應器件隨風旋轉，旋轉部件帶動內置的風速碼盤響應和進行適時的光電掃描，并將相應的電脈沖信號輸出；風向傳感器的工作原理與風速傳感器類似，是利用一個低慣性的風向標部件作為感應部件，風向標部件隨風旋轉，旋轉部件帶動轉軸下端的光電風向碼盤轉動和進行適時的光電掃描，并將相應的電脈沖信號輸出；雨量傳感器所采用的翻斗式雨量計，當漏斗狀承水器匯集雨水后，雨水會在自重力作用下從承水器下方小孔流出，流經翻斗時，帶動翻斗的翻動，其上方的磁鋼隨翻斗的翻動，吸合干簧開關，干簧開關將通斷信號連續不斷地送出，雨量的計算可通過對數字脈沖的計數得到。

微處理器對所有輸入信號進行整形、轉換或放大，轉變為數據采集器可以直接測量到的物理信號，同時該系統通過定時，計數器根據不同的氣象要素觀測要求，控制其采樣間隔時間，對采集到的信號進行線性化和定標處理，實現工程量到要素量的轉換，并定期將存儲的氣象數據通過GPRS 模塊傳輸到數據處理中心。

3.4 數據傳輸系統工作原理與功能實現

氣象數據的傳輸多采用GPRS 的無線傳輸方式實現網絡數據的收發。GPRS 即通用分組無線業務，以串行方式連接到控制器上，GPRS 的網絡工作方式是以IP 為基礎的，因此目標服務器端并非必須通過接入控制器與終端設備進行連接，只需要簡單接入具備IP 地址的互聯網即可。氣象數據傳輸流程示意，見圖2。

圖2 氣象數據傳輸流程示意圖

氣象數據采集終端在完成了氣象數據的采集與實時顯示之后，經由GPRS 模塊發送至網絡終端。網絡終端通過一定的軟硬件配置，搭建WEB 站點和建立數據庫，實現氣象信息的存儲與管理。網絡終端通過網絡接收軟件接收到各類氣象采集數據，運用功能強大的操縱和管理數據庫文本文件的數據庫管理系統，進行分類、存儲和管理，用戶通過WEB 頁面對SQL 數據庫進行訪問，實現用戶注冊、信息檢索、信息統計以及信息管理等功能。

3.5 氣象數據采集與傳輸系統安全設計要求

氣象數據采集與傳輸主機系統設計，除按照標準規范進行軟硬、件配置，還應與外界物理隔離，符合防火、防水、防潮和冗余設計要求；安裝防火墻等查毒、殺毒軟件，并定期進行補漏和升級，使網絡環境變得更加安全；將系統設計與系統管理緊密結合起來，對計算機進行用戶終端監控，實施身份鑒別、自主訪問控制、安全審計等策略，確保系統安全。

4 結論

綜上所述，氣象數據采集與傳輸系統的開發與設計是一項綜合性技術，只有從實際出發，對系統的工作環境、總體結構、工作原理以及軟硬件配置等進行認真的分析和研究，才能開發穩定、可靠和經濟實用的遠程氣象數據采集與傳輸系統，為科學研究、災害預警等決策服務提供科學的、及時準確的地面氣象觀測數據。

[1]閭軍.基于ARM的無線氣象數據通信系統設計[J].電子設計工程，2012，（5）：178-180.

[2]邵凌.基于GPRS的氣象數據傳輸系統研究與設計[D].大連：大連理工大學，2008.

[3]劉銀鋒.自動氣象站數據采集系統的研究與設計[D].南京：南京信息工程大學，2009.