基于C#的常規氣象要素采集監控系統設計與實現

周艷紅，馬尚昌，2，趙 靜，張素娟，2

(1.成都信息工程大學電子工程學院，四川成都610225;2.中國氣象局大氣探測重點開放實驗室，四川成都610225)

0 引言

氣象行業與人們生活、社會生產密切相關，有利的氣象條件對于工農業生產有極大的促進作用，但是，由于臺風、暴雨以及干旱等氣象災害對人類的生產活動以及經濟建設構成嚴重威脅，因此，準確的天氣預報對于國民經濟發展起至關重要作用。目前，氣象行業的首要任務就是如何利用先進的技術和方法，制作并發布準確、及時的天氣預報，讓人們提前采取防災措施以減少自然災害帶來的經濟損失。因此，新的氣象探測技術就應運而生以替代原先的落后技術，以確保數據的實時性、準確性以及可靠性。從上個世紀末開始，很多國家都大力支持和建設自動氣象站，在發達國家，絕大部分觀測項目都實現了自動化，自動氣象站系統項目發展最好的是美國、德國、芬蘭等[1]。在亞洲范圍內，日本和韓國也在上世紀末迅速開發建設自己的自動觀測系統，規模和性能都是亞洲比較先進的，美國氣象部門研究開發的自動氣象站系統叫自動地面觀測系統、日本氣象部門開發的自動氣象站系統叫自動氣象資料收集系統、法國氣象部門開發的自動氣象站系統叫基本站網自動化觀測系統等[2]。隨著中國氣象事業現代化的發展，為保障綜合氣象觀測系統穩定運行、準確探測，促進綜合觀測系統建設效益的發揮[3]，中國氣象局自2006年開始籌建氣象觀測網運行監控系統和業務[4]，2007年完成了監控業務系統的總體框架和功能設計[5]，2010年，國家綜合氣象觀測運行監控系統(一期)建設完成，實現了對自動氣象站、探空系統和天氣雷達網的運行監控，主要功能包括運行監控子系統、站網信息管理子系統、維護維修信息管理子系統、裝備供應保障信息管理子系統以及監控信息發布、綜合分析評估、系統管理及基礎平臺等功能模塊[6]。系統投入業務使用后，有利地保障了氣象綜合觀測系統的穩定運行，在提升觀測系統業務可用性上發揮了重要作用[7]。中國運行監控業務主要依托綜合觀測系統運行監控平臺，是采用“一級部署、四級應用”的架構模式，國家級、省級、地市級和臺站級用戶在實際業務中通過各自的用戶界面使用該系統，系統用戶界面針對各級用戶需求顯示不同的信息和功能。根據實際需求，分析了ZigBee技術的優缺點，設計了基于ZigBee和以太網的監控平臺進而對本地的氣象觀測場進行管理。在成都信息工程大學氣象觀測場內布置2套無線站點，然后利用ZigBee無線網絡將前端傳感器采集到的實時數據傳輸至協調器，再利用光纖網絡將接收到的數據傳輸至上位機，通過該上位機監控軟件就可以對氣象要素信息進行相關操作，這樣管理觀測場就顯得特別方便。由于C#是一種最新的、面向對象的程序設計語言，并且能夠快速地編寫應用程序，這在很大程度上提高了程序運行效率以及顯示界面的友好性。因此，采用C#程序設計語言編寫上位機應用程序完成本設計。

1 系統總體設計

采用智能變送器采集并傳輸常規氣象要素，該設計包括3個方面的內容:智能變送器模塊、串口設備聯網模塊和上位機軟件設計部分[8]。觀測場中的傳感器采集的信號經過智能變送器模塊進行信號處理之后由ZigBee進行無線傳輸至串口設備聯網模塊，聯網模塊中的串口又將信號傳輸給PC的服務器端，然后在串口服務器與終端上位機軟件之間的通信協議之下，上位機驅動軟件將以太網傳輸或者光纖傳輸至終端上位機的網絡數據解析映射為虛擬串口數據。ZigBee是根據IEEE 802.15.4協議規定的一種短距離、低功耗的無線通信技術，它有自動組網、網絡容量大、網絡時延短、模塊功耗低、通訊速率低、傳輸距離可擴展、成本低以及可靠性高等優點。而光纖通信是現代通信網的主要傳輸手段，與其他電氣通信相比，主要區別在于光纖通信有很多優點:傳輸頻帶寬、通信容量大;傳輸損耗低、中繼距離長;線徑細、重量輕，原料為石英，節省金屬材料，有利于資源合理使用;絕緣、抗電磁干擾性能強;還具有抗腐蝕能力強、抗輻射能力強、可繞性好、無電火花、泄露小、保密性強等[9]，因此設計采用的是ZigBee與光纖進行數據的傳輸。最后通過上位機系統對各無線站點進行監控以及對數據進行處理。總體設計如圖1所示。

圖1 系統總體設計框圖

2 系統硬件原理分析

設計要實現的功能就是采集常規氣象要素信息，并且通過無線網絡傳輸至上位機對數據進行相關操作，因此硬件系統主要分為3個部分，即信號采集模塊、ZigBee數據傳輸模塊以及串口服務器模塊。

2.1 信號采集模塊

信號采集模塊是采用傳感器進行氣象要素的采集，結合常規氣象要素傳感器信號的高精度測量電路，實現模塊的低功耗、小體積、低成本與高性能。由于HMP155A溫濕度探頭應用范圍十分廣泛，能夠提供高可靠的相對濕度以及溫度，因此設計采用該型號的傳感器進行溫濕度數據的采集。

2.2 ZigBee無線傳輸模塊

利用ZigBee技術傳輸距離近、網絡復雜度較低、功耗較低、數據傳輸的速率較低、成本低下、可靠性較高、安全性極高等優點，在ZigBee無線組網傳輸技術的這些優勢之下，將其應用于自動氣象觀測場中。其基礎是IEEE802.15.4國際標準協議，ZigBee無線組網技術主要適合用于智能控制設備當中，是個域網的主流，可以嵌入到各種設備之中。ZigBee節點所屬類別主要分3種，分別是協調器、路由器、終端，然而同一個ZigBee網絡中只能有一個協調器，專用于負責各個節點16位地址分配(自動分配)[10]。前端采集用的核心芯片是自帶ZigBee收發器的CC2530芯片，采集數據后按照數據字典格式進行數據封包，利用ZigBee將數據傳輸給協調器。由于ZigBee無線傳輸的距離有限，設計同時用到串口服務器將數據傳輸給遠端的業務終端計算機。設計采用的CC2530最小系統電路如圖2所示。

圖2 CC2530最小系統電路圖

2.3 串口服務器模塊

串口服務器是基于Linux的操作系統，用操作系統自身的TCP/IP協議棧編寫網絡程序以及串口管理程序等[11]。ZigBee協調器是以RS-232串口的方式連接到串口服務器的一個串口(有些串口可以采用RS-485/422等)[12]。串口服務器通過光纖模塊和光纖線實現室外室內光信號的傳輸，室內的光纖收發模塊用網線連接到電腦端。串口服務器和ZigBee無線網絡可以完成采集到的數據和服務器指令的雙向通信。因此，終端上位機也可以向采集數據端發送相應的指令得到想要的數據。該系統接收氣象觀測設備傳來的串口數據或把處理器的數據通過電腦端的光纖接收模塊傳送給觀測設備，這樣就能夠實現上位機控制端和下端傳感器采集數據以及通信命令的透明傳輸[13]。系統設計的電源能夠為整個系統各個部件提供電能，串口設備電源電路如圖3所示。

圖3 串口設備電源電路

3 上位機軟件設計

.NET框架是微軟公司繼Windows DNA之后的新開發平臺，是一種采用系統虛擬機運行的編程平臺，能快速開發Windows桌面應用程序，能支持多種語言如C#、VB.NET、C++、Python 等[14]。C#語言繼承了 C和C++的強大功能但是并沒有那么復雜，可以直接調用控件建立Windows用戶界面，簡單直觀，因此，設計采用C#程序設計語言實現上位機軟件的編寫。

打開該軟件時，系統對串口進行掃描，用戶先對串口進行初始化設置，如果設置的串口號與掃描到的串口相同則可以進行后續操作，如果不相同系統就提醒“串口打開失敗，請重新打開串口!”，串口打開成功之后，可以進行串口數據讀取、存儲并且會顯示在接收窗口之中，當點擊退出程序之后系統就安全退出。軟件設計流程如圖4所示。

圖4 軟件設計流程圖

4 系統測試結果

在氣象觀測場搭建2套系統站點平臺，分別將溫濕度、風速、雨量傳感器連接到智能變送器上，上電后與協調器組建無線采集傳輸網絡，智能變送器中TEDS對不同的傳感器能夠進行編號識別[15]。借助上位機軟件，將接收到數據按照地面觀測氣象數據字典規范進行正確解析，需要在串口設置區域設置串口號、波特率、數據位以及校驗位等常規參數，設置完成點擊打開串口按鈕，此時串口被打開，在數據發送區域選擇定時發送，輸入發送的時間間隔，發送框內輸入READDATA命令點擊發送，數據就實時顯示于數據接收窗口，如圖5所示。

圖5 數據接收窗口

點擊站點監測，可分別顯示2個站點的常規氣象要素，如圖6所示。

圖6 站點監測界面

點擊短信收發按鈕，可以向固定用戶發送實時氣象數據，如圖7所示:

圖7 短信收發

經分析，得到站1和站2均能測到當前溫度、濕度、風速與雨量的數據信息，且與標準值的誤差嚴格控制在第二代自動氣象站中對溫濕度數據的誤差要求范圍內。

5 結束語

由于ZigBee技術在無線傳輸中的巨大優勢以及C#程序語言在編寫應用程序的快速性、簡易型等特點，其應用越來越廣泛。設計正是在基于ZigBee的無線傳輸的基礎上，在氣象觀測場內進行無線布點，通過ZigBee傳輸至協調器，然后將信號由光纖透傳至上位機，基于C#的上位機界面對其進行數據查詢以及監控等功能，便于遠程管理，實現了氣象站的智能化。

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