氣壓傳感器智能檢定系統研究和實現

雷 瑩*，陸 揚，李 迪，董立亭

（1.貴州省大氣探測技術與保障中心，貴州 貴陽 550002；2.貴州省氣象災害防御技術中心，貴州 貴陽 550002）

近幾年通過山洪項目建設，各地市級已全配備移動式現場校準的相關標準器和配套設備，使得地市氣象計量檢定能力建設具備了一定的硬件基礎[1-2]。2017 年中國氣象局下發了《國家地面天氣站布局方案》（中氣函[2017]134 號），對各省市國家天氣站建設布局提出了具體要求，并指出國家天氣站傳感器計量工作參照國家級臺站執行，致使提升地市計量檢定能力迫在眉睫[3]。

本研究通過現有的自動氣象站氣壓傳感器計量檢定業務所采集的數據進行分析，完成對氣壓傳感器檢定的原始數據進行采集，對氣壓傳感器的通訊參數可以進行設置，可錄入計量標準器、被檢儀器信息、檢定地點及人員等信息，設置壓力控制器到達設置的壓力點，可自動生成原始記錄文件，并本地存儲，系統留有與數據庫通信的接口，可實現與數據庫數據交互，原始記錄可上傳至數據庫，解決了現有氣壓傳感器計量業務需求并提高了工作效率。

1 氣壓傳感器智能檢定系統設計

1.1 系統總體結構

系統中心端采用B/S 架構，采集系統采用C/S 架構，服務器端建立WEB 應用服務，采用MySQL 數據庫軟件建立存儲數據庫，數據存儲格式滿足《氣象計量信息數據格式》的要求，具體流程，見圖1。

圖1 氣壓傳感器檢定數據處理流程圖

系統基于Java 語言進行編程開發，功能模塊包括氣壓檢定數據采集功能模塊，能夠實現氣壓傳感器檢定的原始數據采集，通訊參數可以進行設置，可錄入計量標準器、被檢儀器、檢定地點及人員等信息，可設置壓力控制器到達設置的壓力點，自動生成原始記錄文件，并本地存儲，系統留有與數據庫通信的接口，可實現與數據庫數據交互，原始記錄可上傳至數據庫。系統設計框圖，見圖2。

圖2 氣壓傳感器智能檢定系統設計框架圖

1.2 軟件功能模塊

本系統基于Java 語言進行編程開發，設計出了氣壓傳感器智能檢定系統，本節將對各功能模塊進行詳細介紹。

1.2.1 網絡配置模塊

使用該系統需要提前對采集電腦進行網絡配置，通過網線串口模式連接氣壓采集器及采集電腦，配置相關氣壓采集IP 信息。

1.2.2 計量標準器及被檢儀器信息錄入模塊

計量標準裝置的基本信息，包括標準裝置的名稱、測量范圍、不確定度或準確度等級或最大允許誤差、計量標準考核證書編號及儀器的有效期支持在線更新，也可手動錄入。

在被檢儀器信息錄入模塊中，需要錄入被檢儀器的檢定依據、環境條件、檢定地點、檢定人員、核驗員、批準人等基本信息。圖3 所示為計量標準器及被檢儀器信息錄入。

圖3 計量標準器及被檢儀器信息錄

1.2.3 數據存儲模塊

本系統提供了兩種類型的數據存儲方式：一種是和中心端數據庫相連情況下的互聯網存儲模式；另一種是單機情況下的本地存儲模式。選擇互聯網模式時，采集系統將自動將相關數據存儲到中心端服務器，生成相關核查記錄Excel，提供操作人員相關查詢，并存儲相應數據在系統本地。選擇本地存儲模式時，系統存儲相關數據到本地文件，同時生成相關記錄Excel 表格。

1.2.4 傳感器通信參數設置及編號錄入模塊

該功能模塊支持被檢傳感器的串口相關信息的錄入，包括停止位、波特率、校驗位、數據位及流控制信息，進行檢定前需錄入串口傳感器編號、選擇當前串口對應傳感器的型號、生成廠家、送檢單位信息，最多支持8 組氣壓傳感器連接。

1.2.5 指令交互模塊

在指令交互功能模塊中，如圖4 所示，當點擊“打開串口”按鈕，下方標準器采集點的顯示框將從紅色變成綠色，操作執行后如圖5 所示。在指令交互模塊可進行指令交互，點擊發送數據命令，數據顯示框將顯示相關采集器的氣壓數據。

圖4 指令交互操作

圖5 數據采集及數據提取

1.2.6 檢定數據采集模塊

在氣壓檢定數據采集功能模塊中，點擊不同的采集點按鈕，其中正行程采集點依次為500 hPa、600 hPa、700 hPa、800 hPa、900 hPa、1 000 hPa、1 100 hPa，反行程采集點依次為1 100 hPa、1 000 hPa、900 hPa、800 hPa、700 hPa、600 hPa、500 hPa。依次執行氣壓采集命令后，系統將自動把檢定的所有記錄都完整上傳至中心端系統。系統默認已最新時次數據為最終依據，如數據出現相關問題，請關閉窗口，重新打開，重新點擊讀取相關時次。

1.2.7 檢定數據保存模塊

當結束檢定工作時，點擊關閉按鈕，選擇保存已填寫相關信息，采集系統將自動保存相關填寫信息并再次打開提供相關修改。選擇的存儲模式無論是本地模式或互聯網模式，系統都會存儲會生成相關記錄，系統操作過程中切勿打開相關Excel 文檔，當采集完成后將相關文檔復制到相關目錄，刪除里面所有文檔，減少系統讀取次數。如圖6 所示為某一被檢傳感器（編號Z110200846940144101201703130346039）的檢定記錄。

圖6 檢定記錄

2 氣壓傳感器智能檢定系統測試

系統測試是氣壓傳感器智能檢定系統開發的重要部分，將通過科學的方法盡可能多的發現系統中的缺陷，主要測試系統功能是否與需求說明書規定的功能性需求相符，系統功能是否實現，系統是否捕獲異常數據并正確輸出數據，進而保證系統在計量檢定業務中穩定運行。

2.1 測試方法及條件

本次測試主要采用黑盒測試方法進行系統功能驗證，保證串口參數的正確性、氣壓數據采集顯示、數據存儲功能及穩定性等。

測試條件主要包含筆記本電腦1 臺、氣壓發生裝置1 臺、數字氣壓計1 臺、氣壓傳感器8 臺及本系統，直接將氣壓傳感器接入氣壓檢定系統進行數據采集及指令交互。

2.2 功能驗證

2.2.1 通信參數配置測試

通過氣壓傳感器智能檢定系統，可以直接對接入的氣壓傳感器進行通信參數配置，配置成功后方可實現指令交互。點擊“打開”功能按鈕，并發送指令“R”，接入的氣壓傳感器將顯現為“已打開”狀態，且當前采集的數據也將直接返回至接收區。

2.2.2 數據采集測試

本次測試中，同時接入8 臺氣壓傳感器，正確配置串口參數后，參照計量檢定規程，在500 hpa、600 hpa、700 hpa、800 hpa、900 hpa、1 000 hpa、1 100 hpa 檢定點依次發送指令“R”，開展數據采集測試端口參數進行正確配置后發送指令“R+回車”，接收各氣壓傳感器實時數據。

2.2.3 數據存儲測試

當結束檢定工作時，點擊關閉按鈕，選擇保存當前輸入的內容，系統將在C:gz_jd_excelqy 目錄下生成相關的Excel 文件存儲相應的數據，存儲方式自動按照各氣壓傳感器編號及年月日進行分類，如圖7 所示為該系統自動生成的Excel 檢定記錄。

圖7 自動生成的excel 檢定記錄

2.3 系統穩定性測試

由于氣壓傳感器輸出信號為數字信號，故只需對數據采集正常與否進行測試即可驗證該系統的穩定性。參照計量檢定規程，在500 hpa、600 hpa、700 hpa、800 hpa、900 hpa、1 000 hpa、1 100 hpa 檢定點開展測試，隨機測試十組，記錄傳感器示值和標準器示值，通過計算誤差值的波動范圍，判定檢定數據是否出現跳變，進一步判定系統是否穩定采集輸出。

經過測試，系統能夠穩定運行，未出現死機情況，檢定數據未出現較大波動，具體測試結果，見表1。

表1 抽樣數據測試表

3 系統應用情況

氣壓傳感器智能檢定系統的研究開發，實現了多個氣壓傳感器檢定數據的同時采集、傳輸功能；也實現了計量標準器、被檢儀器信息、檢定地點及人員等信息的錄入功能。此外，按照自動站氣壓傳感器檢定規程要求，可自動生成滿足計檢定規程要求的Excel 原始記錄文件，并本地存儲，系統留有與數據庫通信的接口，可實現與數據庫數據交互，原始記錄可上傳至數據庫。該系統的研究實現了氣壓傳感器計量檢定流程的自動化，提高了檢定效率，對推動氣象檢定工作實現自動化具有重大的意義。