氣象數據採集系統

氣象數據採集系統就是指自動氣象站，通常是由一個以微型計算機為核心的特定數據採集器作為中心，將各種輸出信號的氣象要素感測器以有線或者無線的方式連線到數據採集器上，由數據採集器進行數據採集和轉換處理以及氣象信息的傳輸。

基本介紹

• 中文名：氣象數據採集系統
• 外文名：The meteorological data acquisition system
• 類別：控制科學與工程
• 自動氣象站：保證了氣象數據在時間上的完整性
• 系統組成：前端模擬採集電路
• 硬體系統構成： 中央處理單元等

國內外研究現狀

隨著多種電測氣象感測器的定型，各種自動氣象站、氣候站、氣象數據採集處理系統、電子氣象儀等得到了發展。國產自動氣象觀測系統已形成了有線、無線和電話網傳輸的主要模式；能夠自動儲存一個月以上正點數據的自動氣候站也己研製成功；衛星數據中繼傳輸的研究工作已經取得了進展。目前，我國可以在絕大多數氣象台站普及自動氣象觀測系統，同時在條件艱苦、人類難於生存的地區布放無人自動氣象站或氣候站，並實現衛星數據傳輸。自動氣象觀測技術在國內已基本成熟。

但在自動氣象站關鍵技術—氣象數據採集系統的研究方面，我國的研究工作遠遠落後於外國已開發國家。數據採集系統作為自動氣象站的核心，其主要功能是數據採樣、數據處理、數據存儲及數據傳輸，它的測量精度、穩定性、可靠性和靈活性直接決定著整機性能。隨著科技的進步，數據採集系統的數據採集部分朝著強實時、多參數、高精度方向發展;數據存儲部分朝著大容量、微型化、攜帶型方向發展;數據傳輸技術朝著多通訊方式(有線、無線)、遠距離數據傳輸方向發展。

國外的氣象採集系統早在七、八十年代己投入生產，九十年代都己實現產品的更新換代。美國Handar公司、Campbell Scientific公司、芬蘭Vailasa公司、澳大利亞Data Electronics公司出品的數據採集系統都具有十分優異的性能：系統具有強大的靈活性和重配置性；系統多採用串列匯流排技術，輸出接口功能多樣化；系統具有軟體配置功能，使系統的實時性和微機使用效率得到很大改善；系統具有大存貯容量；系統多配置常用的參數運算程式以及採用線性和多項式逼近等方式進行線性訂正或工程量轉換，從而簡化程式的編制：系統具有較強的自校功能、自診斷功能。

從上世紀四十年代中期至今，伴隨著計算機、電子信息技術的迅速發展，人類在科技上有了長足的進步，許多國家在氣象領域早己實現了現代化的改造。以美國和加拿大為例，從70年代末、80年代初開始建立非聯邦自動氣象站(AWS)和自動氣象站網以來，其數量發展迅速(已擁有831個固定站和150多個非固定站)，資料套用廣泛(農業、公眾服務等)。在數據採集方面，業己實現了氣象數據的實時化和網路化傳輸，為國民經濟的發展和各個業務部門的決策提供了十分有用和廣泛的幫助。

目前國內己有天津氣象儀器廠、江蘇無線電技術研究所、中國氣象局氣科院等幾家單位開始研製自動氣象觀測系統，且有部分系統投入試運行。但是作為一個模組化設計、可靈活組態的數據採集系統還未見產品。在國內現有的自動氣象觀測系統中，大部分都使用國外的數據採集系統，例如：北京華創公司產的CAWS600系列自動氣象站和長春氣象儀器研究所產的氣象觀測系統都使用澳大利亞Data Electronics公司產DataTaker系列採集器；北京維天信公司的XYZ06型地面遙測氣象儀使用芬蘭Vaisala公司MILOS520數據採集器。也有一些觀測系統使用自製的數據採集器，但這些採集系統功能相對單一，缺乏靈活性和重配置性，只能滿足特定場合的數據採集要求。

方案設計

氣象數據採集與處理系統就是指自動氣象站，通常是由一個以微型計算機為核心的特定數據採集器作為中心，將各種輸出信號的氣象要素感測器以有線或者無線的方式連線到數據採集器上，由數據採集器進行數據採集和轉換處理以及氣象信息的傳輸。自動氣象站一般也可分為硬體和軟體兩部分構成，硬體部分包含計算機、數據通信接口、氣象要素感測器、氣象數據採集接口模組、電源轉換模組等，軟體部分包括數據採集與處理軟體和數據網路傳輸軟體等。
自動氣象站有以下特點：

(1)可套用於人工氣象站，用來獲取普通觀測時間以外的氣象數據，保證了氣象數據在時間上的完整性；
(2)可套用於人工氣象站無法進入的監測區域，保證了氣象數據在地域上的完整性；
(3)利用計算機及嵌入式技術進行氣象數據的採集、處理和存儲，保證了氣象數據的高效性和可靠性；
(4)利用智慧型電子通信技術進行氣象數據的傳輸，保證了氣象數據的實時性。

氣象數據採集與處理系統遵循RTOS(實時作業系統)的設計思想和原則，要求高可靠性，高時效性和可維護性。

系統總體說明

本數據採集系統主要由前端模擬採集電路、主控制電路、數據傳輸接口電路和數據存儲電路以及其他輔助電路組成。

前端模擬採集電路由採集通道電路、可控增益電路和A/D轉換電路組成。它完成對輸入信號進行的通道選擇、放大、增益控制、A/D變換等功能。A/D轉換的數據通過SPI接口送到中央處理單元。然後把數據存儲到CF存儲卡中。

主控制電路由ARM微處理器及其外圍電路組成，是控制器的核心部分，包括一片Atemel公司的AT91 M55800器件。它完成了整個系統的控制和數據傳輸、處理任務。
數據傳輸接口電路由RS-232串口通信，USB2.0通信和l OM乙太網通信接口構成。它們分別由主控制電路的ARM微處理器來控制，實現數據的傳輸。

數據存儲電路由CF卡來實現氣象數據的存儲，CF卡採用支持工DE的接口方式，大小採用64M。可以實現對大批量數據的存儲。
其它輔助電路包括JTAG調試電路，FLASH程式存儲電路，SRAM數據存儲電路等構成。

系統功能及總體結構

系統功能

該數據採集系統運用於氣象數據採集站上的數據採集。主要實現對前端感測器的連線。通過主控制電路控制來選通所接感測器的通道，然後對信號進行前端的調理，輸入到16位的A/D轉換器。A/D轉換的結果通過SPI口送到主控制單元。主控制單元把數據送CF卡進行存儲或者通過三種通信接口傳輸到上位控制PC機上。

用戶需求

1.實現8通道的數據採集
2. A/D採樣精度達到16位
3.實現大容量的數據存儲
4.實現多種數據通信方式
5.實現上層軟體靈活配置。

2.2.3系統總體結構

1、硬體系統構成
中央處理單元、數據採集單元、數據存儲單元和數據傳輸單元

2、硬體系統框圖
整個系統包括：前端模擬數據採集電路(包括信號輸入通道、增益控制、A/D轉換)、主控制電路(由ARM微處理器組成)、數據傳輸接口電路(USB2.0接口，RS-2犯接口、l OM乙太網接口)和數據存儲電路(主要由支持工DE接口的CF存儲卡組成)。系統原理框圖如圖所示。