自動(dòng)氣象站體積比較龐大，而且使用時(shí)地點(diǎn)和空間會(huì)受到地點(diǎn)、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(diǎn)，就可以利用虛擬儀器替代自動(dòng)氣象站的數(shù)據(jù)采集器和數(shù)據(jù)預(yù)處理器。

　　虛擬儀器技術(shù)就是利用高性能的模塊化硬件，結(jié)合高效靈活的軟件來(lái)完成各種測(cè)試、測(cè)量和自動(dòng)化的應(yīng)用。自1986年問世以來(lái)，世界各國(guó)的工程師和科學(xué)家們都已將NI LabVIEW圖形化開發(fā)工具用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期的各個(gè)環(huán)節(jié)，從而改善了產(chǎn)品質(zhì)量、縮短了產(chǎn)品投放市場(chǎng)的時(shí)間，并提高了產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)效率。使用集成化的虛擬儀器環(huán)境與現(xiàn)實(shí)世界的信號(hào)相連，分析數(shù)據(jù)以獲取實(shí)用信息，共享信息成果，有助于在較大范圍內(nèi)提高生產(chǎn)效率。虛擬儀器提供的各種工具能滿足我們?nèi)魏雾?xiàng)目需要。

　　氣象站由傳感器、數(shù)據(jù)記錄儀、電源系統(tǒng)、野外防護(hù)箱和不銹鋼支架等部分構(gòu)成。風(fēng)速、風(fēng)向、雨量、蒸發(fā)量等傳感器為JL-03簡(jiǎn)易田間氣象站專用傳感器，具有高高可靠性的特點(diǎn)。數(shù)據(jù)記錄儀具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)定時(shí)存儲(chǔ)、參數(shù)設(shè)定、友好的軟件人機(jī)界面和標(biāo)準(zhǔn)通信功能。

　　在此介紹一種氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，以美國(guó)NI公司的LabVIEW8．5為平臺(tái)，利用氣象數(shù)據(jù)采集器，實(shí)現(xiàn)虛擬氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能，根據(jù)以往存儲(chǔ)的歷史數(shù)據(jù)，可以有針對(duì)性地對(duì)天氣情況進(jìn)行顯示和分析。

　　1 系統(tǒng)工作原理

　　氣象監(jiān)測(cè)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(lái)感應(yīng)氣象要素，數(shù)據(jù)采集器可以對(duì)溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)向、風(fēng)速、雨量以及氣壓等氣象要素進(jìn)行采集，數(shù)據(jù)處理終端可以對(duì)數(shù)據(jù)采集器獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)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(jìn)行數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。，氣象中心根據(jù)以往存儲(chǔ)的歷史數(shù)據(jù)，還可以進(jìn)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(shè)計(jì)氣象監(jiān)測(cè)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(gè)模塊構(gòu)成。整個(gè)系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

　　2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　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(jì)算機(jī)里，并對(duì)其進(jìn)行合理的組織，就需要構(gòu)建一個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊。它包括傳感器和變換器、信號(hào)調(diào)理設(shè)備、數(shù)據(jù)采集卡、驅(qū)動(dòng)程序、硬件配置管理軟件和計(jì)算機(jī)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(hào)，然后由數(shù)據(jù)采集卡采集。數(shù)據(jù)采集模塊是用來(lái)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(hào)。在設(shè)計(jì)自動(dòng)化測(cè)量系統(tǒng)前，必須要對(duì)待測(cè)對(duì)象和測(cè)量需求作詳細(xì)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(shí)測(cè)量6個(gè)氣象要數(shù)，可靠，具有USB接口。如果實(shí)際中的信號(hào)符合數(shù)據(jù)采集卡等采集設(shè)備的要求，則信號(hào)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(guó)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。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(gè)可編程輸入范圍(±0．2 v～±10 V)；數(shù)字觸發(fā)；2個(gè)計(jì)數(shù)器／定時(shí)器。USB-6210引腳如圖3所示。該模塊還具有新的NI信號(hào)數(shù)據(jù)流技術(shù)，實(shí)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(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)開發(fā)采用的是NI公司的虛擬儀器專用編程語(yǔ)言LabVIEW，它是一種圖形化的編程語(yǔ)言和開發(fā)環(huán)境，已廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室所接受，且被公認(rèn)為是標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和控制軟件。使用這種語(yǔ)言編程時(shí)，基本上不需要編寫程序代碼，而是“繪制”程序流程圖。在一個(gè)硬件的情況下，可以通過改變軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)不同儀器儀表的功能，非常方便。該系統(tǒng)在實(shí)時(shí)天氣顯示部分，主要是完成數(shù)據(jù)顯示和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)兩部分工作。

　　2．2．1 實(shí)時(shí)天氣顯示部分設(shè)計(jì)

　　數(shù)據(jù)顯示部分比較簡(jiǎn)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(duì)濕度、風(fēng)向、風(fēng)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(lái)。實(shí)時(shí)獲取并顯示系統(tǒng)采集氣象要素的日期和時(shí)間。通過LabVIEW平臺(tái)，利用圖形化編程，不需要面對(duì)復(fù)雜、冗長(zhǎng)的文本代碼，并且可以得到事半功倍的效果。氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)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(jī)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(gè)對(duì)象在框圖程序都會(huì)出現(xiàn)一個(gè)對(duì)應(yīng)的端子。框圖程序編輯窗口所需的各種功能函數(shù)包括各種數(shù)學(xué)運(yùn)算函數(shù)、信號(hào)分析函數(shù)、儀器驅(qū)動(dòng)函數(shù)等均以圖標(biāo)的形式由功能模板提供。實(shí)時(shí)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(shè)計(jì)

　　歷史天氣分析部分是一個(gè)獨(dú)立的程序Weatherhistory．vi，可以根據(jù)以往存儲(chǔ)的歷史數(shù)據(jù)來(lái)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(shí)段的天氣信息存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)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(chǔ)部分選擇了數(shù)據(jù)記錄文件類型進(jìn)行氣象元素的存儲(chǔ)，這種類型的一個(gè)主要好處是可以有選擇的存儲(chǔ)，有效地保留了各種有用的組合信息。同時(shí)該系統(tǒng)具有文件存儲(chǔ)功能，可以對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，也可以對(duì)分析后的結(jié)果進(jìn)行保存。

　　3 結(jié)語(yǔ)

　　本氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是以LabVIEW8．5為開發(fā)平臺(tái)，配合NI USB-6210氣象數(shù)據(jù)采集器，實(shí)現(xiàn)了虛擬氣象站的基本功能。構(gòu)成的氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)成功用于地面氣象觀測(cè)中，具有造價(jià)低，操作方便等優(yōu)點(diǎn)。隨著計(jì)算機(jī)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(shè)計(jì)必將在氣象監(jiān)測(cè)方面得到越來(lái)越多的應(yīng)用。