基于LabVIEW 的气象数据监测系统的设计

谢 檬，张安莉，李 强

（西安交通大学城市学院，陕西西安 710018）

气象数据的采集是人类社会文明快速发展不可或缺的一部分，尤其在农业方面显得尤为重要[1-5]。气象数据是人们日常生活工作中的重要参数，广泛应用于生活中[4-7]。因此，科学地监测气象数据，是人类生活不可或缺的工作[6-12]。现阶段，自动气象站体积比较庞大，使用时受地点、空间影响较大，而在线监测技术是推动气象数据采集的快速发展、实现随时随地监测的关键技术[13-19]。文中所设计的虚拟气象数据监测系统针对常见的气象参数[20-22]（温度、湿度和气压等信号）进行实时采集，上位机采用LabVIEW搭建监测平台，可以完成实时显示、控制、报警、数据查询、数据存储和实时数据误差分析等功能。

1 总体方案设计

气象数据监测系统结构框图如图1 所示，分为下位机数据采集模块和上位机数据处理模块。

图1 监测系统结构框图

下位机数据采集模块采用DTH11 传感器采集温度和湿度数据，BMP150 传感器采集气压数据。将采集到的温度、湿度和气压数据经过调理电路送入MSP430 单片机，经过处理，在上位机构成的虚拟面板上对所采集到的气象数据进行实时显示、控制、误差分析。

2 软件程序设计

2.1 监测系统主程序

图2 所示为监测系统的主程序流程图，打开监控系统，首先进行初始化设置。设置参数范围，即单片机串口号、定时器驱动信号等硬件程序。接着按下开始按键，即开始进行数据采集。当采集的数据没有超过设定值的上下限时，系统循环往复正常进行实时监测。当采集的数据超出给定的上下限时，系统开启报警电路。

图2 主程序流程图

2.2 上位机子程序

上位机子程序设计主要接收来自下位机的温湿度和气压传感器采集的数据，将温湿度和气压数据送到数据处理子程序进行数据处理。将处理后的数据与上限和下限进行比较，并发送到报警子程序。最后，将结果送到数据存储子程序，会自动生成报表形式的历史数据，便于历史数据的查询，流程图如图3 所示。

图3 上位机子程序流程图

3 监测系统子面板设计

监测系统分为3 个子面板：数据显示子面板、数据查询子面板和数据误差分析子面板。

3.1 数据显示子面板

监测系统的数据显示子面板如图4 所示，主要包括初始化设定模块、报警模块和气象数据显示模块。系统实时采集3 个参数：温度、湿度和气压数据，3 个波形图分别是温度变化曲线、湿度变化曲线和气压变化曲线。控制按钮是监测系统用来停止采集数据的按钮。

图4 数据显示子面板

1）初始化设定模块

初始化设定模块在数据采集子面板的左上侧，包括串口选择和记录时间间隔。

①串口选择

串口选择要按照实际连接的串口进行选择，波特率固定在9 600 bps，根据插入电脑的U 口提示进行设置，然后点击打开串口即可运行，该系统选用的是COM4。

②记录时间间隔

系统记录间隔统一设定为1，以秒（s）为单位。

2）报警模块

根据系统设计的超限报警装置，一旦被测数据超过设定的上下限，系统的报警指示灯就会点亮。报警量程在数据显示子面板上可以修改。

3）气象数据显示模块

气象数据显示模块分为波形显示记录、数字和量表显示3 种显示方式，在数据显示子面板的右侧，包括温度、湿度和气压数据。

①温度数据

实时监测出的温度数据显示到波形图上，横坐标为时间，单位是s，纵坐标为温度，单位是℃。温度变化范围为-20～+60 ℃。

②湿度数据

实时监测出的湿度数据显示到波形图上，横坐标为时间，单位是s，纵坐标为湿度，单位是%RH。湿度变化范围为0～95%RH。

③气压数据

实时监测出的气压数据显示在波形图上，横坐标为时间，单位是s，纵坐标为气压，单位是kPa。气压变化范围为30～110 kPa。

3.2 数据查询子面板

监测系统的数据查询子面板如图5 所示，通过选择需要查询的起始时间，查询温度、湿度和气压的历史数据。查询子面板显示所查询的历史时间、气压、温度和湿度的实时数据，采用字符串的形式，且气压数据保留小数点后两位，温湿度数据保留小数点后一位。气象数据采集完成后，所有历史数据采用TXT 格式存储在文件夹，方便用户随时调用。存储文件夹容量为60 000 组。

图5 数据查询子面板

3.3 数据误差分析子面板

监测系统的数据误差分析子面板如图6 所示，将采集到的实测数据与标准数据进行比较，得到其相对误差。

图6 数据误差分析子面板

相对误差γ0的计算见式（1）。

式中，ΔA为测量量与实际量之差；A0为实际量。

4 监测系统功能测试

4.1 正常工作模式

监测系统正常工作模式的温度上限设置为50 ℃、下限设置为0 ℃；湿度上限设置为50%RH、下限设置为10%RH。开始采集室温，得到结果如图7 所示。实时温度为29.7 ℃，实时湿度为46.6%RH，实时气压为95.78 kPa，均在正常范围，故报警电路不报警。

图7 正常工作模式

4.2 温度报警模式

监测系统温度上限设置为25 ℃、下限设置为0 ℃；湿度上限设置为50%RH、下限设置为10%RH。开始采集室温，得到结果如图8 所示。实时温度为29.6 ℃，实时湿度为47.8%RH，实时气压为95.79 kPa，实时温度超过温度上限值，故温度报警指示灯点亮，开启报警电路。

图8 温度报警模式

4.3 湿度报警模式

监测系统温度上限设置为50 ℃、下限设置为0 ℃；湿度上限设置为25%RH、下限设置为10%RH。开始采集室温，得到结果如图9 所示。实时温度为29.2 ℃，实时湿度为48.0%RH，实时气压为95.78 kPa，实时湿度超过湿度上限值，故湿度报警指示灯点亮，开启报警电路。

图9 湿度报警模式

4.4 温湿度报警模式

监测系统温度上限设置为25 ℃、下限设置为0 ℃；湿度上限设置为25%RH、下限设置为10%RH。开始采集室温，得到结果如图10 所示。实时温度为26.1 ℃，实时湿度为44.2%RH，实时气压为96.04 kPa，实时温度超过温度上限值，实时湿度也超过湿度上限值。故温度和湿度报警指示灯同时点亮，开启报警电路。

图10 温湿度报警模式

4.5 实时数据查询模式

监测系统的实时数据查询模式如图11 所示，通过选择数据查询子面板，可以看到历史数据列表，包括时间、气压参数、湿度参数和温度参数。

图11 实时数据查询模式

4.6 数据误差分析模式

监测系统的数据误差分析如图12 所示，实时标准气压为96.0 kPa，实时标准湿度为43.0%RH，实时标准温度为27.0℃。根据式（1），得到实时误差为：气压误差0.1%、湿度误差0.0%、温度误差0.7%。根据实时误差，得到误差分析表，见表1。相对误差反映了测量结果的准确度，系统的相对误差小于1%，满足了设计要求。

表1 误差分析表

图12 数据误差分析模式

5 结束语

文中所设计的虚拟气象数据监测系统硬件的主控芯片选用MSP430 单片机，采集模块采用DTH11传感器采集温度和湿度数据，BMP150 传感器采集气压数据。监测系统上位机采用LabVIEW 搭建监测平台，可以完成实时显示、控制、报警、数据查询、数据存储和实时数据误差分析等功能。系统经过测试，虚拟平台搭建的监测系统可以完成温度范围为-20～+60 ℃，湿度范围为0～95%RH，气压范围为30～110 kPa 的测试以及数据记录，实验误差不超过1%，满足了现阶段工程设计和开发的需要。