摘要：介紹了虛擬儀器技術(shù)在氣象監(jiān)測系統(tǒng)中的應用，利用虛擬儀器技術(shù)，實現(xiàn)了系統(tǒng)數(shù)據(jù)的自動采集、處理、顯示和存儲功能。對溫度、相對濕度、風向、風速、雨量以及氣壓等氣象要素進行實時采集，并能夠顯示相關(guān)氣象要素隨時間變化的趨勢和以往存儲的歷史數(shù)據(jù)，為氣象的研究和預報工作提供了有效的數(shù)據(jù)分析資料。實驗表明，該系統(tǒng)具有良好的性能，在氣象監(jiān)測中具有推廣應用的現(xiàn)實前景。
關(guān)鍵詞：虛擬儀器；氣象監(jiān)測；自動采集；顯示；存儲
自動氣象站體積比較龐大，而且使用時地點和空間會受到地點、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，就可以利用虛擬儀器替代自動氣象站的數(shù)據(jù)采集器和數(shù)據(jù)預處理器。
虛擬儀器技術(shù)是利用計算機的硬件資源(CPU、存儲器、顯示器、鍵盤、鼠標)、標準數(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，使之成為一套相當于使用者自己專門設計的傳統(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，也是目前應用最廣，發(fā)展最快，功能最強的圖形化軟件開發(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，擴展性強，開發(fā)時間少，集成功能完美。
在此介紹一種氣象監(jiān)測系統(tǒng)的設計方法，以美國NI公司的LabVIEW8．5為平臺，利用氣象數(shù)據(jù)采集器，實現(xiàn)虛擬氣象監(jiān)測系統(tǒng)設計。該系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲等功能，根據(jù)以往存儲的歷史數(shù)據(jù)，可以有針對性地對天氣情況進行顯示和分析。
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。傳感器用來感應氣象要素，數(shù)據(jù)采集器可以對溫度、相對濕度、風向、風速、雨量以及氣壓等氣象要素進行采集，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)進行運算處理。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)中心進行數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲。最后，氣象中心根據(jù)以往存儲的歷史數(shù)據(jù)，還可以進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。在此設計氣象監(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個模塊構(gòu)成。整個系統(tǒng)原理圖如圖1所示。
2 系統(tǒng)設計
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)采集到計算機里，并對其進行合理的組織，就需要構(gòu)建一個數(shù)據(jù)采集模塊。它包括傳感器和變換器、信號調(diào)理設備、數(shù)據(jù)采集卡、驅(qū)動程序、硬件配置管理軟件和計算機等。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。在設計自動化測量系統(tǒng)前，必須要對待測對象和測量需求作詳細分析，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，該傳感器能同時測量6個氣象要數(shù)，精確可靠，具有USB接口。信號調(diào)理設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)化成采集設備易于讀取的信號。如果實際中的信號符合數(shù)據(jù)采集卡等采集設備的要求，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個可編程輸入范圍(±0．2 v～±10 V)；數(shù)字觸發(fā)；2個計數(shù)器／定時器。USB-6210引腳如圖3所示。NI USB-6210是為移動應用或空間上有限制的應用的專門設計，其即插即用的安裝最大程度地降低了配置和設置時間，同時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 軟件設計
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、學術(shù)界和研究實驗室所接受，且被公認為是標準的數(shù)據(jù)采集和控制軟件。使用這種語言編程時，基本上不需要編寫程序代碼，而是“繪制”程序流程圖。在一個硬件的情況下，可以通過改變軟件來實現(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、靈活的可擴展性是現(xiàn)有手段很難完成的。該系統(tǒng)在實時天氣顯示部分，主要是完成數(shù)據(jù)顯示和數(shù)據(jù)存儲兩部分工作。
2．2．1 實時天氣顯示部分設計
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、風向、風速、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。實時獲取并顯示系統(tǒng)采集氣象要素的日期和時間。通過LabVIEW平臺，利用圖形化編程，不需要面對復雜、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進行，測量結(jié)果在虛擬儀器前面板上顯示。氣象監(jiān)測系統(tǒng)的實時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對象在框圖程序都會出現(xiàn)一個對應的端子?？驁D程序編輯窗口所需的各種功能函數(shù)包括各種數(shù)學運算函數(shù)、信號分析函數(shù)、儀器驅(qū)動函數(shù)等均以圖標的形式由功能模板提供。設計者只需從功能模板中取出對應圖標，放置在程序框圖編輯窗口中，再用“連線”工具將其連接，以實現(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)可以實時更新從數(shù)據(jù)采集設備得到的氣象數(shù)據(jù)，并分為溫度、降雨量、氣壓、相對濕度、風速、風向六種因素實時顯示采集到的最新天氣數(shù)據(jù)。實時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計
歷史天氣分析部分是一個獨立的程序Weatherhistory．vi，可以根據(jù)以往存儲的歷史數(shù)據(jù)來分析歷史天氣情況。根據(jù)降雨量的情況，可以將每天不同時段的天氣信息存儲到計算機中，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)存儲部分選擇了數(shù)據(jù)記錄文件類型進行氣象元素的存儲，這種類型的一個主要好處是可以有選擇的存儲，有效地保留了各種有用的組合信息。同時該系統(tǒng)具有文件存儲功能，可以對輸入數(shù)據(jù)進行保存，也可以對分析后的結(jié)果進行保存。
3 結(jié)語
本氣象監(jiān)測系統(tǒng)是以LabVIEW8．5為開發(fā)平臺，配合NI USB-6210氣象數(shù)據(jù)采集器，實現(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，具有造價低，操作方便等優(yōu)點。隨著計算機技術(shù)和現(xiàn)代儀器技術(shù)的不斷發(fā)展，以LabVIEW為開發(fā)工具的虛擬儀器設計必將在氣象監(jiān)測方面得到越來越多的應用。