基于LABVIEW與WXT520氣象觀測儀的氣象觀測系統設計

齊 亮， 倪 巍， 姜 濤， 丁圓強， 管萬春， 張大海

（齊魯工業大學（山東省科學院） 山東省科學院海洋儀器儀表研究所， 山東 青島 266001）

引言

近年來，隨著我國工業化的快速發展，大氣污染問題日益嚴峻。國家對此也十分重視，不斷加大對大氣環境的監測和保護力度。對大氣環境進行綜合監測治理，需要對天氣和氣候過程進行更加精細化的觀測和預報[1]，這就對氣象觀測提出了更高的要求。一般來說，氣象觀測分為地面氣象觀測、高空氣象觀測和氣象衛星探測。在地面氣象觀測中，氣象站的位置、氣象儀器的準確度、以及觀測和記錄方法直接影響觀測的結果，從而影響對當前氣象狀態和趨勢的分析。針對此，本文設計了一種基于LABVIEW與SQL server編程，并利用維薩拉公司的WXT520氣象觀測儀實現的一種固定/移動式氣象觀測系統。可以將氣象數據實時解析成數據表格和曲線圖，還可以自動完成氣象數據采集發送和處理，實現無人值守。

WXT520氣象觀測儀是一款性能優良，且集成度高、易于攜帶的氣象測量儀器，可實時測量風速、風向、氣壓、溫度和相對濕度，非常適宜于碼頭、氣象站、建筑物、戶外活動場所等需要對當前氣象進行實時檢測的場所[2]。其集成度較高的優點，使其可以替代多個常規氣象儀器，用戶攜帶設備大大減少；而其低功耗的優點，使用移動電源甚至9 V干電池即可進行較長時間的工作，降低了對電源要求；這兩個優點極大的提高了其便攜性，使其適用范圍更廣。

1 總體設計

WXT520氣象觀測儀測量模式有兩種，一種是查詢輸出模式，WXT520氣象觀測儀接收到指令后，返回指令索要的數據；另一種是連續輸出模式，WXT520氣象觀測儀以設定的時間間隔，連續向串口輸出所有的氣象數據。據此，本系統設計了兩種對應的模式：軟件定時向儀器發送采集命令的無人值守模式，可用于長期無人值守氣象觀測站；連續數據采集處理模式，可用于短時間氣象考察研究作業。兩種模式的數據均可顯示在用戶界面的圖表和曲線圖上，方便用戶直觀的分析氣象變化。數據以EXCEL報表和數據庫的方式保存。系統結構如圖1所示。

圖1 系統結構示意圖

2 硬件連接

WXT520氣象觀測儀可通過 RS232、RS485、RS422和SDI-12四種方式與上位機進行通信，本文采用RS232通信方式。根據表1，將RS232的TxD、RxD、數據接地針腳和 Vin+（工作）、Vin+（接地）針腳接線引出。首先將數據針腳接線焊接到DB9串口母頭上，并使用串口轉USB轉接線，連接至服務器電腦；其次將電源針腳接線連接至5～32 V電源供電。

表1 WXT520串行接口和電源針腳定義

3 軟件設計思路

本文設計的終端軟件是利用NI公司的Labview2014開發環境設計的，LabVIEW是一種圖形化的編程語言，又稱為G語言，包含GPIB、VXI、PXI、RS-232、RS-485 和網絡通信等諸多功能，其強大的數據采集和處理顯示功能，使其在工業測控領域得到廣泛的應用[3]。

本文設計的終端軟件，由串口模塊、數據處理顯示模塊、采集指令模塊和用戶界面控件四個主要部分組成。具備定時/實時采集數據、數據接受處理并顯示、數據保存SQL數據庫等功能。采用多線程并行運行的設計方法，提高了程序的運行效率，也避免了程序在進行大量數據處理時，用戶交互界面遲鈍卡死。采用模塊化編程，各功能模塊相對獨立，功能單一，提高了代碼的可讀性，也有利于代碼的重用。本軟件與SQLserver數據庫的交互，是利用LABSQL工具包實現的，LABSQL通過Microsoft ADO以及SQL語言完成對數據庫的訪問，將復雜的底層ADO和SQL語句封裝成功能函數[4]，從而降低了對SQLserver數據庫的操作復雜性，顯著提高了編程效率。

4 軟件工作流程

1）軟件啟動后，彈出設置對話框，輸入數據庫信息，點擊保存，軟件根目錄將會生成一個包含配置參數的.ini的配置文件，重啟即可完成軟件初始化。

2）在軟件用戶界面可選擇無人值守或連續工作模式，如果選擇無人值守模式，則需同時設置采集間隔；在選定工作模式之后，配置串口參數，然后點擊“打開串口”按鈕，軟件開始工作。軟件用戶界面如圖2所示。

圖2 軟件用戶界面

3）以無人值守模式為例，利用LABVIEW的“執行過程控制Express VI和函數”里的已用時間函數，將用戶設置的采集間隔換算成秒，作為已用時間函數的目標時間，也就是一次循環過程所經歷的時間；將已用時間函數的自動重置設為“true”，實現完成一次循環過程后，自動開始下一次循環過程；將已用時間函數的結束輸出端連接到向WXT520氣象觀測儀發送采集命令的條件結構的條件選擇器上，當已用時間函數運行時間與采集間隔一致后，函數“結束”輸出端的值將由“false”變為“true”，條件結構執行真分支子程序，通過串口向WXT520氣象觀測儀發送采集命令。WXT520氣象觀測儀在接收到此命令后，通過串口返回氣象數據。終端軟件接收到數據后，會對數據進行校驗，如果長度和格式正確，則會對數據進行處理，以數據表格和曲線圖的方式予以顯示，并存入SQLserver數據庫中。溫度數據處理程序如圖3所示，無人值守模式工作流程如圖4所示。

圖3 溫度數據處理程序框圖

圖4 無人值守模式工作流程圖

5 結論

經過大量的實際氣象觀測使用，本氣象觀測系統能有效減少觀測人員的工作量，避免了人工遴選數據容易出錯的問題，并且終端軟件能將數據以曲線圖的方式予以顯示，有利于觀測人員判斷氣象變化趨勢，分析總結氣象規律，方便氣象觀測和預報。本系統的無人值守工作模式，能在無人干預的情況下，自主完成數據采集處理保存，有效地降低了氣象觀測的人力物力成本。