網絡環境下氣象數據自動查詢系統設計

朱雪峰，高美美，侯 康

(陜西省榆林市氣象局，陜西 榆林 719000)

網絡環境下氣象數據自動查詢系統設計

朱雪峰，高美美，侯 康

(陜西省榆林市氣象局，陜西 榆林 719000)

針對傳統的氣象數據查詢方法存在查詢過程復雜、準確率低等問題，提出一種網絡環境下氣象數據自動查詢系統設計方法;首先設置在網絡環境下，設計氣象數據查詢系統的硬件部分和軟件部分，其中，系統的硬件由上位機和下位機組成；軟件設計包括氣象數據查詢系統氣壓查詢軟件設計、濕度數據查詢系統氣壓查詢軟件設計、氣象數據查詢系統氣壓查詢軟件設計和氣象數據查詢系統風向風速查詢軟件設計，在此基礎之上，最終實現氣象數據的自動查詢;仿真實驗結果證明，所提方法可以方便、快捷、準確地查詢氣象數據信息。

網絡環境；氣象數據；數據查詢系統；系統設計

0 引言

近年來，氣象與人們的關系越發密切，空氣質量、氣候條件等個環境因素，對人類的身體健康有著重要的影響[1]。災害性的天氣，也給人類生命財產安全帶來了極大的危害損失[2]。傳統的查詢系統一直存在查詢誤差大，而且費時費力的問題。為了及時、準確的查詢氣象數據，為氣象預測做好基礎[3]，提出了一種基于數據自動查詢的網絡環境下氣象數據查詢系統設計方法。氣象查詢系統分為上位機與下位機，上位機采用CAN芯片與下位機的各個氣象查詢節點接洽，下位機都是獨立的自動查詢氣象數據的查詢點，主要對溫度、濕度、氣壓、風速風向四大氣象要素進行查詢。

所提方法中所使用的觸發器是Visala公司生產的DML觸發器對氣壓的數據進行查詢、熱式風速風向是高動態性能測風觸發器查詢風向風速相關數據。觸發器的作用有很多，只要為在某種觸發下進行數據查詢，在數據表生成之前，強制轉換數據，當觸發器發生錯誤操作時，該動作能夠被自動撤銷，也可以根據情況的不同對異動指令繼續替換，這使得觸發器在應用中，系統穩定性較高。溫濕度動態觸發器的輸出的模擬量過大，需要通過電壓/頻率轉換芯片LM331進行轉換，轉換成S3C2440A單片機可處理的數字量。將查詢到的4大氣象要數的數據輸入到S3C2440A單片機中進行處理。該系統解決氣象數據查詢誤差大的問題，引起許多氣象專家的重視，由于氣象數據查詢對氣象預測有著重要的影響，因此成為了業內人士研究的熱點，同時也取得了一定的成果[4-6]。

現有的氣象數據查詢系統有：文獻[7]提出了基于ARM(Advanced RISC Machines)嵌入式處理器的網絡環境下氣象數據查詢系統的設計方法。結合軟、硬件技術，達成氣象數據查詢，展示出ARM嵌入式處理器在網絡環境下氣象數據查詢系統中的應用優勢。同步使用ARM嵌入式處理器和CF(Compact Flash)卡存儲技術、USB2.0(Universal Serial Bus2.0)技術。該系統的氣象數據查詢速度較快。但此系統氣象數據查詢器的通信方式單一、儲存方式固定、軟件設計復雜等缺點。文獻[8]提出了一種基于嵌入式的網絡環境下氣象數據查詢系統的設計方法，搭建氣象查詢系統的總系統，采用微處理器的USB接口芯片(AT43USB370)自動查詢氣象數據，修改了嵌入式部分系統的代碼，達到微處理器USB接口芯片(AT43USB370)的要求，且對氣象數據隊列的優先級進行設置，將IT公司給出的4種氣象數據查詢編程輸入到氣象數據查詢系統中，并建立一套簡單的文件夾。該系統發揮了USB芯片(AT43USB370)智能、節省資源的優點，但該系統并不是一個經濟實用的氣象數據查詢方法。文獻[9]提出了一種基于MSP430單片機的網絡環境下氣象數據查詢系統的設計方法。采用MSP430系列單片機核心器件組成主從式的多處理器系統，整個系統分為4個模塊，即管理模塊、模擬量模塊、數字量模塊和通信模塊，在利用MSP430F449元器件對氣象數據實時查詢提取，以MMC卡儲存氣象數據，再通過RS-485、RS-232等通信接口進行氣象數據的傳輸。該方法保證了氣象數據查詢的效率和可靠性，但該方法就有一定的區域性，無法大面積推展使用。

針對上述產生的問題，提出一種基于數據自動查詢的網絡環境下氣象數據查詢系統設計方法。仿真實驗證明，所提方法能夠方便、快捷、準確地查詢氣象數據信息。

1 網絡環境下氣象數據查詢系統設計

1.1 網絡環境下氣象數據查詢系統硬件設計

網絡環境下氣象數據查詢系統的硬件部分利用CAN芯片對氣象數據進行自動查詢，氣象數據查詢系統由上位機和下位機組成，上位機采用傳統的計算機，在傳統的計算機上開發相應的氣象數據查詢軟件較為方便，傳統計算機使用CAN芯片與下位機各個氣象查詢節點接洽，接收下位機各個節點查詢的氣象數據，每個查詢結點都是獨立、自動的氣象數據查詢結點。系統功能構架如圖1所示。

圖1 氣象查詢系統功能構架圖

下位機的查詢結點以三星公司生產的S3C2440A單片機為主控制器，S3C2440A型號單片機是三星公司推出的一款32位的混合信號處理器，具有超低功耗的優點，下位機的工作電壓范圍為1.8～3.6 V，在不同模式的工作電流有細小差別，一般在0.1～400 μA范圍內，因此可用電池供電。S3C2440A單片機有6×8個I/O端口，可以在線對S3C2440A單片機進行編程。該單片機內設有112的電壓/頻率轉換芯片LM331，可以將查詢的氣象數據制動保存及自動掃描的特點。氣象數據查詢主要對溫度、濕度、氣壓、風速風向四大要素進行查詢。

所使用的觸發器是Visala公司生產的DML觸發器對氣壓的數據進行查詢、熱式風速風向是高動態性能測風觸發器查詢風向風速相關數據。溫濕度動態觸發器的輸出的模擬量過大，需要通過電壓/頻率轉換芯片LM331進行轉換，轉換成S3C2440A單片機可處理的數字量，查詢到的氣壓數據是以RS485傳輸，所以集成DML觸發器與S3C2440A單片機之間要有RS485數據接口，熱式風速風向的輸出是數字量，S3C2440A單片機可直接進行處理。查詢節點將擴展LCD顯示電路，將查詢氣象數據的時間以及要素值直接顯示出來。DML觸發器、熱式風速風向觸發器將查詢到的氣象數據傳輸到S3C2440A單片機中進行處理，再由通信的數據接口傳輸到上機位的傳統計算機內。

圖2 查詢點流程圖

1.2 網絡環境下氣象數據查詢系統軟件設計

1.2.1 氣象數據查詢系統溫度查詢軟件設計

氣象數據在同一區域內不同的查詢點溫度存在差異，只在一個點查詢的溫度數據是不準確的，因此，為了更加準確、全面、真實地反應溫度數據，需要在不同的溫度數據查詢點進行溫度數據查詢。各個溫度查詢點將查詢到的溫度數據傳輸到下位機上，再利用多信息融合技術對查詢的溫度數據進行處理，處理后的溫度數據信息上傳到上位機，該軟件主要完成Pt100溫度計算。溫度數據傳輸的過程中有一定的冗余，為了提高溫度測量的準確性、可靠性，在信息融合時將冗余數據恰當地融合到溫度數據中，假設第m個溫度查詢點查詢的溫度值是tm，第n個溫度查詢點查詢的溫度值是tn，tm～tn間的偏差用相融距離測度dmn來反映：

(1)

式中,σm是tm的溫度數據的均方差；erf為溫度數據誤差函數。若dmn值越小，則說明它們查詢的溫度值越接近。由dmn得到數據融合度矩陣為：

(2)

設定dmn的溫度數據的有界線值β=0.1，而后利用規則rmn，得到多個溫度查詢點的氣象數據相融矩陣R3：

(3)

(4)

即用氣象數據定量化表示矩陣D3上各個氣象元素間的關系。如果rmn=0，則表示m，n兩個溫度查詢點的數據相融性較差，認為這兩個溫度數據已不可相融合；如果rmn=1，則表示m，n兩個溫度查詢點的數據相融性較好，認為這兩個溫度數據可以相融合。若一個溫度查詢點的數據只跟少數溫度查詢點的數據相融性好，則該溫度查詢點查詢的數據視為無效。

在多個溫度查詢點查詢到的數據中，若有L個溫度查詢點查詢的數據有效，利用這L個溫度數據求得查詢溫度的準確值。最佳融合數據S得到的測量結果比算術平均值測量結果更接近被測量真實值。

(5)

式中,S為最佳融合數據，So是L個溫度查詢點的數據值的均值，Sk是第k個溫度查詢點的數據值；Qo是L個溫度傳查詢點的溫度數據值的標準偏差；Qk是第k個溫度查詢點的溫度數據值的標準偏差。

氣象數據溫度查詢系統如圖3所示。

圖3 氣象數據溫度查詢系統

1.2.2 濕度數據查詢系統氣壓查詢軟件設計

由于溫度與濕度都是同一DML觸發器進行數據查詢，因此濕度與溫度查詢方法相同，都查詢到的數據傳輸到下位機融合后傳到上位機。該軟件主要完成HS1101濕度計算。采用C51語言，在keil4編譯器上調試編譯通過。函數Voidcalculate()根據電壓/頻率轉換芯片LM331轉換后的數字量計算出濕度值即：

float=0

(6)

voltage=K×f(℃)

(7)

Voltage=3000

(8)

x=(Voltage/25.8)+272.727

(9)

(10)

利用公式(11)計算出rpt阻值：

(11)

HS1101濕度計算公式：

(12)

其中:rpt表示其性能測試結果。

1.2.3 氣象數據查詢系統氣壓查詢軟件設計

查詢氣壓數據采用集成壓力DML觸發器。在集成DML觸發器的選擇過程中，綜合氣壓數據查詢范圍、氣壓數據查詢精度考慮，將利用Motorola公司的集成DML觸發器進行氣壓數據查詢。

因為DML觸發器輸出的是模擬電壓，所以需要利用電壓/頻率轉換芯片LM331將模擬量換成數字量才能被S3C2440A單片機處理，使用傳統的A/D轉換電路，電路過于復雜，而且會降低輸出結果的精度，也使成本升高。電壓/頻率轉換芯片LM331直接將集成DML觸發器輸出的模擬電壓轉換成脈沖，再通過S3C2440A單片機的引腳進行捕獲。集成DML觸發器將氣壓轉換成模擬電壓從VOUT引腳輸出到電壓/頻率轉換芯片LM331的電壓輸入端，LM331再將此電壓轉換成相應的頻率通過輸出引腳FO輸出到S3C2440A單片機的引腳P3.5。S3C2440A單片機的引腳P3.5作為第二功能使用時是定時/計數器T1的外部脈沖計數的輸入引腳下面說明電壓/頻率轉換芯片LM331輸出頻率與被查詢氣壓數據的數學關系：

DML觸發器將被查詢氣壓數據轉化為電壓輸出Vout。根據集成DML觸發器查詢的氣壓數據，Vout與被測氣壓P的關系為：

Vout=Vcc·(0.01P-0.09)

(13)

其中:Vcc為+5 V。電壓/頻率轉換芯片LM331將轉換為輸出Vout脈沖FO。FO的頻率f與Vout關系為：

f=K·Vout

(14)

其中:K是轉換系數，由電壓/頻率轉換芯片LM331外接的電阻和電容的值決定：

(15)

在本設計中通過設定電阻和電容的值，確定K為2000。由式(14)和式(15)計算得氣壓：

p=0.01f+9(kpa)

(16)

1.2.4 氣象數據查詢系統風向風速查詢軟件設計

查詢風速風向數據系統以模塊化結構形式設計，該系統主要以風向風速數據查詢功能，分為4個部分：1)實況資料的查詢：可查詢統計地面和高空的觀測資料，以地圖或者表格的方式展示，按用戶定義等級用不同顏色顯示，可導出另存為本地文件，可疊加等值線色階圖。

2)氣候資料的查詢：可通過文本名稱、文件內容、關鍵字、文件大小、文件時間、作者等查詢出相關資料，并提供在線閱讀和下載功能。

3)歷史極值的匯總查詢：可按自定義站點、區域、要素、時間、統計方式等查詢出歷史氣象數據，以地圖或者表格的方式展示，按用戶定義等級用不同顏色顯示，可導出另存為本地文件，可疊加等值線色階圖。

4)通用工具：包括數據表格通用控件、統計圖通用控件、色斑圖通用算法、數據導出通用模塊。

查詢風速風向數據通過熱式風速風向DML觸發器進行查詢時，中心溫度比周圍的溫度高，當風吹過熱式風速風向觸發器表面時，會對熱式風速風向觸發器表面不均勻冷卻，使得熱式風速風向觸發器上下游形成溫度階梯。對比熱式風速風向觸發器中心對稱點的溫差，已達到測量風速的目的。熱式風速風向DML觸發器使用多晶硅加熱元作為測溫元件。通過測量中心溫度水平和垂直方向上的對稱溫度差Tx和Ty來得到風速風向信息。其查詢風向風速原理為King氏原理：

(17)

(18)

其中:V12為水平方向風速，V34為垂直方向風速，T為測溫元件上溫度高于環境溫度值，為熱電偶的賽貝爾系數，N為組成熱電偶的串聯熱電偶數，Φ為風向角。

(19)

(20)

熱式風速風向觸發器查詢原理簡單，具有靈敏度高，易于操作的優點，該觸發器在一些比較惡劣的環境無法正常工作，如處于雨雪、沙塵等惡劣環境。

2 仿真實驗結果與分析

為了測試該氣象數據查詢系統的性能，在榆樹市氣象臺進行仿真實驗與分析。以三臺同樣配置的計算機系統進行實驗，該系統使用硬件信息：CPU，Intel E5200，2.50 GHz；主存，2 G；磁盤：Hitachi 300G，SCSI接口；交換機：百兆交換機；軟件：操作系統，Ubuntu Linux Desktop 11.10。

實驗中的數據均來源于實際環境下收集的氣象數據，共有3568124條氣象數據文件，氣象數據文件的大小為498 MB，將收集到的氣象數據分成大小基本相同的15份文件，平均分配到三臺計算機上進行實驗，即每臺計算機收集5個大小約為150 MB的氣象數據文件，運行計算機計算數據查詢結果。

圖4 優化前個計算機收集氣象數據性能

從圖4中可以看出，計算機的收集平均速度為120 KB/s。在后續的實驗中可以看出，S3C2440A單片機在進行數據自動儲存時，對氣象收集系統的性能有較大影響。因此將設立HBase數據庫，保存氣象數據。該HBase數據庫有兩大優點：一方面是氣象數據表的預分割，使影響氣象收集系統性能的數據盡量分散在不同機器；另一方面禁止使用預寫式日志(WAL)，為了更快更準確地保存氣象數據信息。從下面三個圖中可以看到優化后氣象數查詢系統各計算機的性能比較。

圖5 Data1優化前后性能比較

圖6 Data2優化前后性能比較

圖7 Data3優化前后性能比較

通過圖6可以明顯看出，優化后系統性能得到大幅度改善。經過優化的氣象數據查詢系統，氣象數據查詢系統的數據查詢速度得到了明顯的提升，最多能提高到原來氣象數查詢系統查詢數據速度的7倍多，最少也能提升近3倍。各個氣象數據查詢系統的平均查詢數據速度分別是815.24 KB/s、579.24 KB/s、381.24 KB/s，系統各機器的平均速度是590 KB/s，而系統總處理平均速度為1 573 KB/s。400多萬條總大小為390 MB左右的數據只需要6 min左右即可查詢完畢。該系統的氣象數據查詢速度已經達到設計要求。

4 結束語

針對網絡環境下氣象數據查詢系統研究，提出一種基于數據自動查詢的網絡環境下氣象數據查詢系統設計方法。實驗仿真證明，所提氣象數據查詢系統設計方法能夠方便、快捷、準確地查詢氣象數據信息。

[1] 李 寧,馮利平,白 蕤,等.自動氣象站氣象信息實時顯示查詢系統設計與實現[J].農業網絡信息,2015，23(7):30-35.

[2] 何耀龍,施 禹,宣冬舒.自動氣象站建設的供電與網絡環境設計[J].科技創新與應用,2015，34(28):60-60.

[3] 劉俊宏,裴 翀,盧會國,等.溫室大棚氣象環境監測網絡系統設計[J].農學學報,2014,4(5):90-95.

[4] 李 闖,屈 雅.基于C/S結構的氣象服務系統設計與開發[J].電子設計工程,2016,24(8):61-63.

[5] 韓 笑,王 力,王吉濱,等.一種地市級氣象數據庫的設計與應用[J].氣象科技,2015,43(6):1053-1059.

[6] 劉 彬,李曉鵬.基于Silverlight的氣象信息查詢系統設計與應用[J].氣象科技,2016,44(3):369-373.

[7] 谷士鵬,劉 明,支高飛.不同機載測試網絡環境對IEEE1588時鐘同步系統性能的影響分析[J].計算機測量與控制,2016,24(5):25-27.

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[11] 吳玉川,胡德鳳.常用氣象資料查詢系統的設計與實現[J].科技傳播,2016(19).

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[13] 胡繼榮.氣象雷達數據的傳輸方式和算法的基本研究[J].電子設計工程,2016,24(4):125-127.

Design of Automatic Meteorological Data Query System in Network Environment

Zhu Xuefeng,Gao Meimei,Hou Kang

(Yulin Meteorological Bureau of Shaanxi Province,Yulin 719000,China)

In order to solve the problems of complex query process and low accuracy in the traditional meteorological data query method, a design method of meteorological data automatic query system in network environment is presented. The first set in the network environment, the design of meteorological data query hardware and software system, the hardware of the system consists of upper and lower machine software design, including meteorological data query system query software design, air pressure and humidity data query system pressure check software design, meteorological data query system query software design and meteorological pressure the wind data query system software design, on this basis, finally realize automatic meteorological data query. The simulation results show that the proposed method is convenient, fast and accurate to query the meteorological data.

Network environment;meteorological data;data query system;system design

2017-04-14；

2017-04-26。

朱雪峰(1980-)，男，陜西榆林人，工程師，主要從事氣象裝備與信息網絡的管理與維護方向的研究。

1671-4598(2017)08-0261-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.08.067

TP274

A