摘要：介紹了虛擬儀器技術(shù)在氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用，利用虛擬儀器技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、處理、顯示和存儲(chǔ)功能。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)行實(shí)時(shí)采集，并能夠顯示相關(guān)氣象要素隨時(shí)間變化的趨勢(shì)和以往存儲(chǔ)的歷史數(shù)據(jù)，為氣象的研究和預(yù)報(bào)工作提供了有效的數(shù)據(jù)分析資料。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)具有良好的性能，在氣象監(jiān)測(cè)中具有推廣應(yīng)用的現(xiàn)實(shí)前景。
關(guān)鍵詞：虛擬儀器；氣象監(jiān)測(cè)；自動(dòng)采集；顯示；存儲(chǔ)

    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(wèn)上的影響。如果借助虛擬儀器技術(shù)中易開(kāi)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)是利用計(jì)算機(jī)的硬件資源(CPU、存儲(chǔ)器、顯示器、鍵盤(pán)、鼠標(biāo))、標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電路(GPIB、RS 232接口總線、新型的VXI接口總線、信號(hào)調(diào)理和轉(zhuǎn)換電路、圖像采集電路、現(xiàn)場(chǎng)總線等)，經(jīng)過(guò)有針對(duì)性的開(kāi)發(fā)測(cè)試，使之成為一套相當(dāng)于使用者自己專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)儀器。LabVIEW(laboratory virtual instrumentengineering workbench)是NI(national instruments)美國(guó)國(guó)家儀器公司的創(chuàng)新軟件產(chǎn)品，也是目前應(yīng)用最廣，發(fā)展最快，功能最強(qiáng)的圖形化軟件開(kāi)發(fā)集成環(huán)境。簡(jiǎn)單地說(shuō)，虛擬儀器技術(shù)就是用戶(hù)自定義的基于PC技術(shù)的測(cè)試和測(cè)量解決方案。相對(duì)于傳統(tǒng)儀器，它有4大優(yōu)勢(shì)，即性能高，擴(kuò)展性強(qiáng)，開(kāi)發(fā)時(shí)間少，集成功能完美。
    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)。最后，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(guò)各種類(lèi)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(lèi)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)，精確可靠，具有USB接口。信號(hào)調(diào)理設(shè)備對(duì)傳感器和變換器送來(lái)的信號(hào)采取放大、濾波、隔離等措施，將它們轉(zhuǎn)化成采集設(shè)備易于讀取的信號(hào)。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(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。NI USB-6210是為移動(dòng)應(yīng)用或空間上有限制的應(yīng)用的專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)，其即插即用的安裝最大程度地降低了配置和設(shè)置時(shí)間，同時(shí)它能直接與螺絲端子相連，從而削減了成本，并簡(jiǎn)化了信號(hào)的連接。USB總線的供電使用戶(hù)不再需要攜帶多余的外部電源。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(lèi)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(kāi)發(fā)采用的是NI公司的虛擬儀器專(zhuān)用編程語(yǔ)言LabVIEW，它是一種圖形化的編程語(yǔ)言和開(kāi)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(xiě)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(guò)改變軟件來(lái)實(shí)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(cè)系統(tǒng)的需要，開(kāi)放式的開(kāi)發(fā)環(huán)境、靈活的可擴(kuò)展性是現(xiàn)有手段很難完成的。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(guò)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(guò)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。數(shù)據(jù)采集卡完成數(shù)據(jù)采集功能，數(shù)據(jù)的運(yùn)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(tái)進(jìn)行，測(cè)量結(jié)果在虛擬儀器前面板上顯示。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(jiàn)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?？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(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。設(shè)計(jì)者只需從功能模板中取出對(duì)應(yīng)圖標(biāo)，放置在程序框圖編輯窗口中，再用“連線”工具將其連接，以實(shí)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(shí)時(shí)更新從數(shù)據(jù)采集設(shè)備得到的氣象數(shù)據(jù)，并分為溫度、降雨量、氣壓、相對(duì)濕度、風(fēng)速、風(fēng)向六種因素實(shí)時(shí)顯示采集到的最新天氣數(shù)據(jù)。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(lèi)型進(jìn)行氣象元素的存儲(chǔ)，這種類(lèi)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(kāi)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(kāi)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。