基于LabVIEW的气象监测系统

摘要：介绍了虚拟仪器技术在气象监测系统中的应用，利用虚拟仪器技术，实现了系统数据的自动采集、处理、显示和存储功能。对温度、相对湿度、风向、风速、雨量以及气压等气象要素进行实时采集，并能够显示相关气象要素随时间变化的趋势和以往存储的历史数据，为气象的研究和预报工作提供了有效的数据分析资料。实验表明，该系统具有良好的性能，在气象监测中具有推广应用的现实前景。
关键词：虚拟仪器；气象监测；自动采集；显示；存储

    自动气象站体积比较庞大，而且使用时地点和空间会受到地点、空问上的影响。如果借助虚拟仪器技术中易开发、小体积和方便使用等优点，就可以利用虚拟仪器替代自动气象站的数据采集器和数据预处理器。
    虚拟仪器技术是利用计算机的硬件资源(CPU、存储器、显示器、键盘、鼠标)、标准数字电路(GPIB、RS 232接口总线、新型的VXI接口总线、信号调理和转换电路、图像采集电路、现场总线等)，经过有针对性的开发测试，使之成为一套相当于使用者自己专门设计的传统仪器。LabVIEW(laboratory virtual instrumentengineering workbench)是NI(national instruments)美国国家仪器公司的创新软件产品，也是目前应用最广，发展最快，功能最强的图形化软件开发集成环境。简单地说，虚拟仪器技术就是用户自定义的基于PC技术的测试和测量解决方案。相对于传统仪器，它有4大优势，即性能高，扩展性强，开发时间少，集成功能完美。
    在此介绍一种气象监测系统的设计方法，以美国NI公司的LabVIEW8．5为平台，利用气象数据采集器，实现虚拟气象监测系统设计。该系统具有数据显示、数据存储等功能，根据以往存储的历史数据，可以有针对性地对天气情况进行显示和分析。

1 系统工作原理
    气象监测系统由传感器、数据采集器、数据处理终端等组成。传感器用来感应气象要素，数据采集器可以对温度、相对湿度、风向、风速、雨量以及气压等气象要素进行采集，数据处理终端可以对数据采集器获取的数据进行运算处理。系统首先采集气象数据，之后将数据送回到气象数据中心进行数据显示、数据存储。最后，气象中心根据以往存储的历史数据，还可以进行历史天气情况的显示和分析。采用模块化、层次化编程思想，每一模块完成某一特定功能。在此设计气象监测系统由数据采集、数据处理、数据显示、数据保存4个模块构成。整个系统原理图如图1所示。

2 系统设计
2．1 数据采集模块
2．1．1 数据采集模块结构
    要将数据采集到计算机里，并对其进行合理的组织，就需要构建一个数据采集模块。它包括传感器和变换器、信号调理设备、数据采集卡、驱动程序、硬件配置管理软件和计算机等。气象参数物理量通过各种类型的传感器输出成电压、电流、频率等信号，然后由数据采集卡采集。数据采集模块是用来获取数据采集卡所获得的数据。该模块结构如图2所示。
    传感器和变换器种类繁多，它们直接与各种物理量打交道，并将这些物理量转化为DAQ系统可以采集的电信号。在设计自动化测量系统前，必须要对待测对象和测量需求作详细分析，正确选择合适的传感器和变换器。系统采用的传感器是WXT520，该传感器能同时测量6个气象要数，精确可靠，具有USB接口。信号调理设备对传感器和变换器送来的信号采取放大、滤波、隔离等措施，将它们转化成采集设备易于读取的信号。如果实际中的信号符合数据采集卡等采集设备的要求，则信号调理模块可以省略。
2．1．2 数据采集卡
    本系统采用的数据采集卡是美国NI公司的NIUSB-6210，它是一款USB总线供电M系列多功能DAQ模块，在高采样率下也能保持高精度。该模块提供了16路模拟输入；250 kS／s单通道采样率；4路数字输入线；4路数字输出线；每通道有4个可编程输入范围(±0．2 v～±10 V)；数字触发；2个计数器／定时器。USB-6210引脚如图3所示。NI USB-6210是为移动应用或空间上有限制的应用的专门设计，其即插即用的安装最大程度地降低了配置和设置时间，同时它能直接与螺丝端子相连，从而削减了成本，并简化了信号的连接。USB总线的供电使用户不再需要携带多余的外部电源。该模块还具有新的NI信号数据流技术，实现了USB总线上类似DMA的双向高速数据流操作。

2．2 软件设计
    系统开发采用的是NI公司的虚拟仪器专用编程语言LabVIEW，它是一种图形化的编程语言和开发环境，已广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，且被公认为是标准的数据采集和控制软件。使用这种语言编程时，基本上不需要编写程序代码，而是“绘制”程序流程图。在一个硬件的情况下，可以通过改变软件来实现不同仪器仪表的功能，非常方便。其数据分析功能、图形显示能力能够满足气象监测系统的需要，开放式的开发环境、灵活的可扩展性是现有手段很难完成的。该系统在实时天气显示部分，主要是完成数据显示和数据存储两部分工作。
2．2．1 实时天气显示部分设计
    数据显示部分比较简单。该系统能够从数据采集模块中获取采集到的温度、相对湿度、风向、风速、雨量以及气压等气象数据，并通过LabVIEW的前面板显示出来。实时获取并显示系统采集气象要素的日期和时间。通过LabVIEW平台，利用图形化编程，不需要面对复杂、冗长的文本代码，并且可以得到事半功倍的效果。数据采集卡完成数据采集功能，数据的运算分析和处理以及采集卡的控制都是虚拟仪器软件在后台进行，测量结果在虚拟仪器前面板上显示。气象监测系统的实时天气显示部分主界面如图4所示。

    LabVIEW采用一种全新的图形化编程方法，不仅人机界面使用“所见即所得”的可视化技术建立，而且程序代码也是图形化的，在前面板放置的每一个对象在框图程序都会出现一个对应的端子。框图程序编辑窗口所需的各种功能函数包括各种数学运算函数、信号分析函数、仪器驱动函数等均以图标的形式由功能模板提供。设计者只需从功能模板中取出对应图标，放置在程序框图编辑窗口中，再用“连线”工具将其连接，以实现相百之间的数据传输，即构成了完整的框图程序。系统可以实时更新从数据采集设备得到的气象数据，并分为温度、降雨量、气压、相对湿度、风速、风向六种因素实时显示采集到的最新天气数据。实时天气显示部分程序框图如图5所示。

2．2．2 历史天气分析部分设计
    历史天气分析部分是一个独立的程序Weatherhistory．vi，可以根据以往存储的历史数据来分析历史天气情况。根据降雨量的情况，可以将每天不同时段的天气信息存储到计算机中，作为参考和历史数据分析的数据资源。历史天气分析部分界面和程序框图如图6和图7所示。
    数据存储部分选择了数据记录文件类型进行气象元素的存储，这种类型的一个主要好处是可以有选择的存储，有效地保留了各种有用的组合信息。同时该系统具有文件存储功能，可以对输入数据进行保存，也可以对分析后的结果进行保存。

3 结语
    本气象监测系统是以LabVIEW8．5为开发平台，配合NI USB-6210气象数据采集器，实现了虚拟气象站的基本功能。构成的气象监测系统成功用于地面气象观测中，具有造价低，操作方便等优点。随着计算机技术和现代仪器技术的不断发展，以LabVIEW为开发工具的虚拟仪器设计必将在气象监测方面得到越来越多的应用。