自動氣象站的數據傳輸系統設計

侯玉虹

農業氣象與農業生產息息相關，隨著農業信息化的發展，氣象站逐漸應用到農業上來，為農業研究提供實時農田生態信息。作物超高產的獲得與農田生態信息密切相關，為了研究作物超高產區氣候資源特點，利用本試驗室自主研發了農業氣象站，在全國東北平原、黃淮海流域以及長江流域15個超高產點安裝了該儀器。因為超高產區主要為各單位的科研基地，可以隨時獲得氣象站采集信息，不會影響信息的時效應。同時發送短信息可隨時讀取全國三大平原各試驗點自動氣象站實時信息，進而掌握全國氣象變化動態，遠距離觀察、了解儀器的工作狀況，如儀器出現故障隨時檢修。

一、整體結構簡介

1.氣象站傳感器系統。氣象站的傳感器主要包括相對濕度傳感器、溫度傳感器、光合有效輻射傳感器、雨量傳感器、風速傳感器、風向傳感器以及土壤水分傳感器。

（1）相對濕度傳感器。濕度測定是采用高分子濕敏電容技術。其原理為高分子薄膜式濕敏元件應用的是平板電容器原理，在絕緣基片上依次形成下電極感濕膜，上電極感濕膜，膜是聚酰亞胺高分子聚合物，它吸收環境空氣中的水分后，其介電常數發生變化，從而引起電容量變化，達到反映濕度的目的。

（2）溫度傳感器。溫度產感器采用的是鉑電阻，它是一種溫度傳感器，它是利用鉑絲在溫度變化時自身電阻也隨著變化的特性來測量溫度的，具有高精度高穩定性等特點。

（3）光合有效輻射傳感器。光合有效輻射傳感器技術原理為：PAR測定采用多層疊加濾光和光敏半導技術，即采用硅光電二極管，利用光生伏特效應將光能轉化為電能，在光照照射下能在P區和N區之間形成光生電動勢，把PN結連接起來，電路中就有電流流過，電流大小與光照強度成相關性。

（4）土壤水分傳感器。土壤水分傳感器基于駐波率測量原理，測量精度高，相應速度快；土質影響較小，應用地區廣泛；

（5）風速傳感器。風速傳感器的感應元件是三風杯組成，由三個不銹鋼風杯和杯架組成。轉換器為多齒轉杯和狹縫光耦。當風杯受水平風力作用而旋轉時，通過活軸轉杯在狹縫光耦中的轉動，輸出頻率的信號。

（6）風向傳感器。風速傳感器的變換器為碼盤和光電組件。當風標隨風向變化而轉動時，通過軸帶動碼盤在光電組件縫隙中轉動。產生的光電信號對應當時風向的格雷碼輸出。

（7）雨量傳感器。承水口收集的雨水，經過上筒（漏斗）過濾網，注入計量翻斗。翻斗翻動次數用磁鋼掃描干式舌簧管通斷送出脈沖信號計數，每記錄一個脈沖信號，便代表0.2、0.5、1毫米降水，實現降水遙測的目的。

2.氣象站主機結構及模塊簡介。氣象站整個硬件系統包括8個模塊：電源模塊、單片機、存儲卡、無線MODEM、系統時鐘電路、A/D轉換電路、LCD顯示器、鍵盤。

3.氣象站數據采集流程。本系統是一個從氣象數據采集、傳輸到顯示的完整體系。電源的供電采用太陽能供電方式。氣象站一般由傳感器、變換器、數據處理裝置、資料發送裝置和電源等部分組成，其構成框圖如圖所示。

本系統的設計是為氣象數據的獲取，由氣象儀器測得氣象數據，然后由氣象傳感器將信號傳送到采集器，采集器的供電由12v太陽能提供，由于采集器供電量很小，因此用太陽能供電完全可以滿足需要。采集器將從傳感器獲得的電壓信號轉化成數字或脈沖信號，輸出到9針COM口，再傳輸到MCU端口，然后將數據轉存到SD卡，并生成報文文件格式，再經中心處理軟件通過查詢，使用戶最終得到氣象信息。

二、氣象信息處理軟件

自動氣象站信息處理是對采集來的數據處理成直觀的顯示氣象信息，按采集來的氣象要素，分類顯示查詢結果。該系統采用ViusalBasic軟件開發。

1.軟件設計

（1） 軟件主要功能：①列表查詢；②曲線查詢；③統計查詢；④實時顯示。

（2） 軟件運行環境。氣象信息處理軟件可在Windows98/2000/Xp上運行。

（3） 氣象信息顯示。氣象傳感器和采集器采集來的數據只是一組字符或者數字，而對用戶而言需要的是氣象信息的直觀結果。氣象信息處理軟件就是通過查詢顯示的方式和圖形界面的形式呈現給用戶所需要的氣象信息。

2.氣象信息的主界面。程序的主界面是一個標準的Windows窗體，具有菜單欄、工具欄與狀，態欄等部件。為實用與方便操作，主界面采用單文檔界面形式，在單文檔窗體上切分了若干塊，分別用于溫度、濕度、光合有效輻射、風速、風向、雨量以及土壤含水量等氣象要素顯示方式。

3.數據查詢。短信收發系統的操作，主要包括本地設置、數據處理、信息設置和管理等菜單。在本地設置菜單中主要包括密碼設置以及系統時間設置和修改氣象站號等信息菜單欄。

綜上所述，本文設計開發的軟件經過測試，能夠完成對氣象站數據的春初、查詢、顯示等功能，達到了基本要求。

三、結論與討論

課題實施三年來，軟件不斷開發升級，確保數據采集的穩定性和準確性。在三大平原各大超高產試驗區安裝的氣象站，實現了小麥、玉米和水稻作物生產過程中的數字化表達，并可對生產過程進行設計、監測、控制、管理和可視化表達。雖然存在數據查詢速度較慢、軟件功能不夠完善等問題，程序還待優化等問題，但系統達到了最初的設計目標，完成了終端軟硬件設計，實現了氣象信息遠程傳輸，為自動氣象站的數據傳輸提供了新的方案。

參考文獻：

[1]胡玉峰主編. 2004.自動氣象站原理與測量方法[M].北京：氣象出版社.

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