氣壓傳感器智能檢定系統(tǒng)研究和實(shí)現(xiàn)

雷 瑩*，陸 揚(yáng)，李 迪，董立亭

（1.貴州省大氣探測(cè)技術(shù)與保障中心，貴州 貴陽(yáng) 550002；2.貴州省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心，貴州 貴陽(yáng) 550002）

近幾年通過(guò)山洪項(xiàng)目建設(shè)，各地市級(jí)已全配備移動(dòng)式現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)器和配套設(shè)備，使得地市氣象計(jì)量檢定能力建設(shè)具備了一定的硬件基礎(chǔ)[1-2]。2017 年中國(guó)氣象局下發(fā)了《國(guó)家地面天氣站布局方案》（中氣函[2017]134 號(hào)），對(duì)各省市國(guó)家天氣站建設(shè)布局提出了具體要求，并指出國(guó)家天氣站傳感器計(jì)量工作參照國(guó)家級(jí)臺(tái)站執(zhí)行，致使提升地市計(jì)量檢定能力迫在眉睫[3]。

本研究通過(guò)現(xiàn)有的自動(dòng)氣象站氣壓傳感器計(jì)量檢定業(yè)務(wù)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，完成對(duì)氣壓傳感器檢定的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，對(duì)氣壓傳感器的通訊參數(shù)可以進(jìn)行設(shè)置，可錄入計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器、被檢儀器信息、檢定地點(diǎn)及人員等信息，設(shè)置壓力控制器到達(dá)設(shè)置的壓力點(diǎn)，可自動(dòng)生成原始記錄文件，并本地存儲(chǔ)，系統(tǒng)留有與數(shù)據(jù)庫(kù)通信的接口，可實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)交互，原始記錄可上傳至數(shù)據(jù)庫(kù)，解決了現(xiàn)有氣壓傳感器計(jì)量業(yè)務(wù)需求并提高了工作效率。

1 氣壓傳感器智能檢定系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)中心端采用B/S 架構(gòu)，采集系統(tǒng)采用C/S 架構(gòu)，服務(wù)器端建立WEB 應(yīng)用服務(wù)，采用MySQL 數(shù)據(jù)庫(kù)軟件建立存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式滿足《氣象計(jì)量信息數(shù)據(jù)格式》的要求，具體流程，見(jiàn)圖1。

圖1 氣壓傳感器檢定數(shù)據(jù)處理流程圖

系統(tǒng)基于Java 語(yǔ)言進(jìn)行編程開(kāi)發(fā)，功能模塊包括氣壓檢定數(shù)據(jù)采集功能模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)氣壓傳感器檢定的原始數(shù)據(jù)采集，通訊參數(shù)可以進(jìn)行設(shè)置，可錄入計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器、被檢儀器、檢定地點(diǎn)及人員等信息，可設(shè)置壓力控制器到達(dá)設(shè)置的壓力點(diǎn)，自動(dòng)生成原始記錄文件，并本地存儲(chǔ)，系統(tǒng)留有與數(shù)據(jù)庫(kù)通信的接口，可實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)交互，原始記錄可上傳至數(shù)據(jù)庫(kù)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖，見(jiàn)圖2。

圖2 氣壓傳感器智能檢定系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架圖

1.2 軟件功能模塊

本系統(tǒng)基于Java 語(yǔ)言進(jìn)行編程開(kāi)發(fā)，設(shè)計(jì)出了氣壓傳感器智能檢定系統(tǒng)，本節(jié)將對(duì)各功能模塊進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1.2.1 網(wǎng)絡(luò)配置模塊

使用該系統(tǒng)需要提前對(duì)采集電腦進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配置，通過(guò)網(wǎng)線串口模式連接氣壓采集器及采集電腦，配置相關(guān)氣壓采集IP 信息。

1.2.2 計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器及被檢儀器信息錄入模塊

計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置的基本信息，包括標(biāo)準(zhǔn)裝置的名稱、測(cè)量范圍、不確定度或準(zhǔn)確度等級(jí)或最大允許誤差、計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)考核證書(shū)編號(hào)及儀器的有效期支持在線更新，也可手動(dòng)錄入。

在被檢儀器信息錄入模塊中，需要錄入被檢儀器的檢定依據(jù)、環(huán)境條件、檢定地點(diǎn)、檢定人員、核驗(yàn)員、批準(zhǔn)人等基本信息。圖3 所示為計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器及被檢儀器信息錄入。

圖3 計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器及被檢儀器信息錄

1.2.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

本系統(tǒng)提供了兩種類型的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式：一種是和中心端數(shù)據(jù)庫(kù)相連情況下的互聯(lián)網(wǎng)存儲(chǔ)模式；另一種是單機(jī)情況下的本地存儲(chǔ)模式。選擇互聯(lián)網(wǎng)模式時(shí)，采集系統(tǒng)將自動(dòng)將相關(guān)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到中心端服務(wù)器，生成相關(guān)核查記錄Excel，提供操作人員相關(guān)查詢，并存儲(chǔ)相應(yīng)數(shù)據(jù)在系統(tǒng)本地。選擇本地存儲(chǔ)模式時(shí)，系統(tǒng)存儲(chǔ)相關(guān)數(shù)據(jù)到本地文件，同時(shí)生成相關(guān)記錄Excel 表格。

1.2.4 傳感器通信參數(shù)設(shè)置及編號(hào)錄入模塊

該功能模塊支持被檢傳感器的串口相關(guān)信息的錄入，包括停止位、波特率、校驗(yàn)位、數(shù)據(jù)位及流控制信息，進(jìn)行檢定前需錄入串口傳感器編號(hào)、選擇當(dāng)前串口對(duì)應(yīng)傳感器的型號(hào)、生成廠家、送檢單位信息，最多支持8 組氣壓傳感器連接。

1.2.5 指令交互模塊

在指令交互功能模塊中，如圖4 所示，當(dāng)點(diǎn)擊“打開(kāi)串口”按鈕，下方標(biāo)準(zhǔn)器采集點(diǎn)的顯示框?qū)募t色變成綠色，操作執(zhí)行后如圖5 所示。在指令交互模塊可進(jìn)行指令交互，點(diǎn)擊發(fā)送數(shù)據(jù)命令，數(shù)據(jù)顯示框?qū)@示相關(guān)采集器的氣壓數(shù)據(jù)。

圖4 指令交互操作

圖5 數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)提取

1.2.6 檢定數(shù)據(jù)采集模塊

在氣壓檢定數(shù)據(jù)采集功能模塊中，點(diǎn)擊不同的采集點(diǎn)按鈕，其中正行程采集點(diǎn)依次為500 hPa、600 hPa、700 hPa、800 hPa、900 hPa、1 000 hPa、1 100 hPa，反行程采集點(diǎn)依次為1 100 hPa、1 000 hPa、900 hPa、800 hPa、700 hPa、600 hPa、500 hPa。依次執(zhí)行氣壓采集命令后，系統(tǒng)將自動(dòng)把檢定的所有記錄都完整上傳至中心端系統(tǒng)。系統(tǒng)默認(rèn)已最新時(shí)次數(shù)據(jù)為最終依據(jù)，如數(shù)據(jù)出現(xiàn)相關(guān)問(wèn)題，請(qǐng)關(guān)閉窗口，重新打開(kāi)，重新點(diǎn)擊讀取相關(guān)時(shí)次。

1.2.7 檢定數(shù)據(jù)保存模塊

當(dāng)結(jié)束檢定工作時(shí)，點(diǎn)擊關(guān)閉按鈕，選擇保存已填寫(xiě)相關(guān)信息，采集系統(tǒng)將自動(dòng)保存相關(guān)填寫(xiě)信息并再次打開(kāi)提供相關(guān)修改。選擇的存儲(chǔ)模式無(wú)論是本地模式或互聯(lián)網(wǎng)模式，系統(tǒng)都會(huì)存儲(chǔ)會(huì)生成相關(guān)記錄，系統(tǒng)操作過(guò)程中切勿打開(kāi)相關(guān)Excel 文檔，當(dāng)采集完成后將相關(guān)文檔復(fù)制到相關(guān)目錄，刪除里面所有文檔，減少系統(tǒng)讀取次數(shù)。如圖6 所示為某一被檢傳感器（編號(hào)Z110200846940144101201703130346039）的檢定記錄。

圖6 檢定記錄

2 氣壓傳感器智能檢定系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)測(cè)試是氣壓傳感器智能檢定系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的重要部分，將通過(guò)科學(xué)的方法盡可能多的發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中的缺陷，主要測(cè)試系統(tǒng)功能是否與需求說(shuō)明書(shū)規(guī)定的功能性需求相符，系統(tǒng)功能是否實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)是否捕獲異常數(shù)據(jù)并正確輸出數(shù)據(jù)，進(jìn)而保證系統(tǒng)在計(jì)量檢定業(yè)務(wù)中穩(wěn)定運(yùn)行。

2.1 測(cè)試方法及條件

本次測(cè)試主要采用黑盒測(cè)試方法進(jìn)行系統(tǒng)功能驗(yàn)證，保證串口參數(shù)的正確性、氣壓數(shù)據(jù)采集顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能及穩(wěn)定性等。

測(cè)試條件主要包含筆記本電腦1 臺(tái)、氣壓發(fā)生裝置1 臺(tái)、數(shù)字氣壓計(jì)1 臺(tái)、氣壓傳感器8 臺(tái)及本系統(tǒng)，直接將氣壓傳感器接入氣壓檢定系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及指令交互。

2.2 功能驗(yàn)證

2.2.1 通信參數(shù)配置測(cè)試

通過(guò)氣壓傳感器智能檢定系統(tǒng)，可以直接對(duì)接入的氣壓傳感器進(jìn)行通信參數(shù)配置，配置成功后方可實(shí)現(xiàn)指令交互。點(diǎn)擊“打開(kāi)”功能按鈕，并發(fā)送指令“R”，接入的氣壓傳感器將顯現(xiàn)為“已打開(kāi)”狀態(tài)，且當(dāng)前采集的數(shù)據(jù)也將直接返回至接收區(qū)。

2.2.2 數(shù)據(jù)采集測(cè)試

本次測(cè)試中，同時(shí)接入8 臺(tái)氣壓傳感器，正確配置串口參數(shù)后，參照計(jì)量檢定規(guī)程，在500 hpa、600 hpa、700 hpa、800 hpa、900 hpa、1 000 hpa、1 100 hpa 檢定點(diǎn)依次發(fā)送指令“R”，開(kāi)展數(shù)據(jù)采集測(cè)試端口參數(shù)進(jìn)行正確配置后發(fā)送指令“R+回車”，接收各氣壓傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

2.2.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)測(cè)試

當(dāng)結(jié)束檢定工作時(shí)，點(diǎn)擊關(guān)閉按鈕，選擇保存當(dāng)前輸入的內(nèi)容，系統(tǒng)將在C:gz_jd_excelqy 目錄下生成相關(guān)的Excel 文件存儲(chǔ)相應(yīng)的數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)方式自動(dòng)按照各氣壓傳感器編號(hào)及年月日進(jìn)行分類，如圖7 所示為該系統(tǒng)自動(dòng)生成的Excel 檢定記錄。

圖7 自動(dòng)生成的excel 檢定記錄

2.3 系統(tǒng)穩(wěn)定性測(cè)試

由于氣壓傳感器輸出信號(hào)為數(shù)字信號(hào)，故只需對(duì)數(shù)據(jù)采集正常與否進(jìn)行測(cè)試即可驗(yàn)證該系統(tǒng)的穩(wěn)定性。參照計(jì)量檢定規(guī)程，在500 hpa、600 hpa、700 hpa、800 hpa、900 hpa、1 000 hpa、1 100 hpa 檢定點(diǎn)開(kāi)展測(cè)試，隨機(jī)測(cè)試十組，記錄傳感器示值和標(biāo)準(zhǔn)器示值，通過(guò)計(jì)算誤差值的波動(dòng)范圍，判定檢定數(shù)據(jù)是否出現(xiàn)跳變，進(jìn)一步判定系統(tǒng)是否穩(wěn)定采集輸出。

經(jīng)過(guò)測(cè)試，系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行，未出現(xiàn)死機(jī)情況，檢定數(shù)據(jù)未出現(xiàn)較大波動(dòng)，具體測(cè)試結(jié)果，見(jiàn)表1。

表1 抽樣數(shù)據(jù)測(cè)試表

3 系統(tǒng)應(yīng)用情況

氣壓傳感器智能檢定系統(tǒng)的研究開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)氣壓傳感器檢定數(shù)據(jù)的同時(shí)采集、傳輸功能；也實(shí)現(xiàn)了計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器、被檢儀器信息、檢定地點(diǎn)及人員等信息的錄入功能。此外，按照自動(dòng)站氣壓傳感器檢定規(guī)程要求，可自動(dòng)生成滿足計(jì)檢定規(guī)程要求的Excel 原始記錄文件，并本地存儲(chǔ)，系統(tǒng)留有與數(shù)據(jù)庫(kù)通信的接口，可實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)交互，原始記錄可上傳至數(shù)據(jù)庫(kù)。該系統(tǒng)的研究實(shí)現(xiàn)了氣壓傳感器計(jì)量檢定流程的自動(dòng)化，提高了檢定效率，對(duì)推動(dòng)氣象檢定工作實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化具有重大的意義。