海氣邊界層系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和處理的采集器開發(fā),計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)論文

海氣邊界層系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和處理的采集器開發(fā),計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)論文海氣邊界層是海洋與大氣之間進(jìn)行能量、動(dòng)量和物質(zhì)交換的樞紐和橋梁,對局部地區(qū)乃至全球的海洋氣候有著宏大的影響,是中長期數(shù)值天氣預(yù)報(bào)和氣候變化預(yù)測的理論基礎(chǔ)。因而,海氣界面能量和物質(zhì)交換以及海洋大氣邊界層構(gòu)造已經(jīng)成為近十幾年來海洋和氣象學(xué)家非常關(guān)注的問題,同時(shí)也是大氣科學(xué)和物理海洋學(xué)研究的難點(diǎn)。海氣邊界層的觀測手段主要集中在氣象觀測塔、海洋測量船、無線電探空儀、天氣雷達(dá)等。30多年來國際上進(jìn)行了大量科學(xué)試驗(yàn),如大西洋季風(fēng)實(shí)驗(yàn)(ATEX),海洋濕度交換試驗(yàn)(HEXOS)、熱帶海洋和全球大氣試驗(yàn)(TOGA)。正在進(jìn)行的全球能量與水循環(huán)試驗(yàn)(GEWEX)、氣候變化和可預(yù)報(bào)性計(jì)劃(CLIVAR)等都把海-氣通量觀測研究作為其主要內(nèi)容。我們國家在海氣互相作用方面也開展了科學(xué)調(diào)查和現(xiàn)場觀測試驗(yàn)。如2002年在我們國家廣東沿海開展中國登陸臺(tái)風(fēng)外場科學(xué)試驗(yàn)CLATEX(ChinaLandfallingTyphoonExperiment),初次進(jìn)行登陸臺(tái)風(fēng)的邊界層觀測試驗(yàn)。2018~2018年臺(tái)風(fēng)登陸前后異常變化及機(jī)理研究項(xiàng)目中施行了臺(tái)風(fēng)登陸經(jīng)過外場科學(xué)試驗(yàn),進(jìn)行登陸臺(tái)風(fēng)界面通量交換、海洋氣象要素變化、大氣邊界層構(gòu)造等方面的探測。在開展的我們國家近海海洋綜合調(diào)查與評價(jià)大型科學(xué)調(diào)查研究中,海洋氣象和海氣界面通量觀測是非常重要的一個(gè)方面。2018年9月開場,國家海洋技術(shù)中心在南海海域和東海海域安裝了幾套岸基海氣邊界層監(jiān)測系統(tǒng),為用戶提供了大量難得珍貴的原始觀測資料。但是其數(shù)據(jù)采集器采用C8051作為主控制器,在數(shù)據(jù)處理、接口通用性和功能擴(kuò)展等性能上也有明顯缺乏。因而,本文基于IntelXScaleIXP422設(shè)計(jì)開發(fā)出一種可用于海氣邊界層系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和處理的采集器。采集器充分利用Linux嵌入式系統(tǒng)的多任務(wù)、低功耗、實(shí)時(shí)性高等性能,及其豐富的接口資源,實(shí)現(xiàn)對于梯度風(fēng)速、風(fēng)向,梯度溫濕度,氣壓,海表層水溫等觀測要素的數(shù)據(jù)采集和處理。2、海氣邊界層系統(tǒng)構(gòu)造海氣邊界層系統(tǒng)能夠連續(xù)、自動(dòng)獲取鐵塔所在區(qū)域大氣邊界層近地面層(距離海面40m左右)溫濕和風(fēng)廓線數(shù)據(jù),海表水溫和水位數(shù)據(jù),氣壓數(shù)據(jù)。每一層傳感器和數(shù)據(jù)變送器能夠自成系統(tǒng),獨(dú)立運(yùn)行。如此圖1所示,風(fēng)速、風(fēng)向傳感器、溫度、濕度傳感器和數(shù)據(jù)變送器安裝在觀測鐵塔上。每一層安裝一套風(fēng)速風(fēng)向傳感器、溫濕度傳感器和數(shù)據(jù)變送器。數(shù)據(jù)變送器的主要功能是采集風(fēng)速風(fēng)向和溫濕度信號,并把數(shù)據(jù)通過RS485總線發(fā)送到數(shù)據(jù)采集器中。水溫傳感器安裝在溫鹽井中,水位傳感器安裝在驗(yàn)潮井中。為了保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行,數(shù)據(jù)采集器和數(shù)據(jù)變送器以及水位和水溫傳感器之間通信也是采用帶隔離功能的RS485通信模塊,因而需要分離電源對數(shù)據(jù)采集器和數(shù)據(jù)變送器進(jìn)行供電。通常情況下,水溫和水位傳感器和數(shù)據(jù)變送器使用同一電源。采集器將數(shù)據(jù)采集以后,進(jìn)行處理,以文本格式保存在CF卡中。每5min通過北斗通信機(jī)將前1min的原始數(shù)據(jù)發(fā)送出去。數(shù)據(jù)顯示和采集器參數(shù)配置能夠通過觸摸屏來實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)場有穩(wěn)定220V溝通電源的條件下能夠選擇性的配置一臺(tái)PC作為值班機(jī),值班機(jī)和觸摸屏的功能一樣,通過值班機(jī)可以以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示和采集器參數(shù)配置。3、采集器軟硬件設(shè)計(jì)3.1控制器介紹采集器主要負(fù)責(zé)采集海氣邊界層監(jiān)測系統(tǒng)各個(gè)監(jiān)測要素的數(shù)據(jù),對數(shù)據(jù)進(jìn)行保存,確保系統(tǒng)能夠及時(shí)、準(zhǔn)確地采集到各個(gè)監(jiān)測要素的數(shù)據(jù)。因而采集器至少需要下面功能:1)數(shù)據(jù)采集;2)數(shù)據(jù)管理和存儲(chǔ);3)參數(shù)設(shè)置和校時(shí);4)事件記錄;5)數(shù)據(jù)上行及下行傳輸;6)本地狀態(tài)等指示通信功能;7)終端本地及主站遠(yuǎn)程維護(hù)。通過比擬和分析,采集器使用IXP422作為主控制器,此款芯片是一種多功能的處理器,集成了很多必要的接口,具有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)安全功能,十分合適用于工業(yè)控制,而且功耗相對較低,無需考慮添加額外的散熱設(shè)備,進(jìn)而可減小產(chǎn)品的體積、降低產(chǎn)品成本、提高產(chǎn)品的可靠性。采集器硬件構(gòu)造和接口如此圖2所示。3.2開發(fā)環(huán)境Linux是模塊化設(shè)計(jì)的操作系統(tǒng)。用戶能夠方便地對其進(jìn)行配置,去除系統(tǒng)不需要的模塊以減少開銷。Linux在進(jìn)程管理、內(nèi)存管理方面功能強(qiáng)大,能夠知足大多數(shù)應(yīng)用的復(fù)雜要求。強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)支持功能。Linux誕生于Internet并具有Unix的特性,這保證它支持所有標(biāo)準(zhǔn)Internet協(xié)議,并且能夠利用Linux的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧將其開發(fā)成為嵌入式TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧。具有很高的適應(yīng)性和可靠性。和其他運(yùn)行于PC上的系統(tǒng)相比,由于Linux繼承了Unix的優(yōu)點(diǎn),在適應(yīng)性和穩(wěn)定性方面性能是非常突出的。嵌入式Linux的可移植性。將Linux移植到新的微處理器體系比擬容易,一般將其移植到一種新型的目的板,華而不實(shí)包含獨(dú)特的外設(shè)。大部分內(nèi)核代碼都是一樣的,由于它們和微處理器無關(guān),所以,移植的工作多集中在一些存儲(chǔ)器管理以及中斷處理程序上,一旦完成,它們將非常穩(wěn)定。采用穿插編譯方式進(jìn)行嵌入式采集器的開發(fā)。為了確保在宿主機(jī)中編譯完成的可執(zhí)行文件能夠在采集器的系統(tǒng)運(yùn)行,必須確保宿主機(jī)中有源代碼編譯所需要的庫文件。采用在虛擬機(jī)中安裝Redhat9.0嵌入式操作系統(tǒng),在這里操作系統(tǒng)中安裝穿插編譯器xscale_be_gcc。在虛擬機(jī)中將編寫的代碼編譯鏈接,生成可執(zhí)行文件,通過網(wǎng)口或串口將可執(zhí)行文件下載到采集器中運(yùn)行調(diào)試。3.3軟件設(shè)計(jì)為了充分發(fā)揮嵌入式系統(tǒng)的多任務(wù)處理能力,采集器應(yīng)用軟件開發(fā)采用多線程設(shè)計(jì)。分為數(shù)據(jù)采集和處理線程,數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)線程,北斗通信線程。3.3.1數(shù)據(jù)采集和處理線程數(shù)據(jù)采集和處理線程主要是對鐵塔數(shù)據(jù),和其他的氣壓數(shù)據(jù)、水位,水溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行采集,進(jìn)行處理,求出最大值,最小值,極大值,極小值等數(shù)據(jù)。如此圖3所示,鐵塔數(shù)據(jù)采集流程圖,每次數(shù)據(jù)采集開場前發(fā)送同步命令$000/r/n,使得數(shù)據(jù)變送器去除已保存的數(shù)據(jù)并重新開場數(shù)據(jù)采集。發(fā)送當(dāng)下層數(shù)的采集命令,由于采集命令$+地址+□+1+CRLF7個(gè)字節(jié)和響應(yīng)命令$+地址+□+1+□+AA.A□BBB□CC.C□DDD+校驗(yàn)碼+CRLF30個(gè)字節(jié)。波特率為9600bps,總共響應(yīng)時(shí)間為3711/9600=0.043s。程序中設(shè)計(jì)等待時(shí)間為0.05s。得到原始數(shù)據(jù)需要判定當(dāng)下氣象秒的下標(biāo)能否為0,也就是判定當(dāng)下能否為00s,假如是00s,則需要求出上分鐘的平均值,保存為這分鐘的原始數(shù)據(jù),并將每秒采集的數(shù)據(jù)初始化。假如不是00s則直接將將當(dāng)下的每秒數(shù)據(jù)保存就能夠了。假如是00s,則需要求出上分鐘的平均值,保存為這分鐘的原始數(shù)據(jù),并將每秒采集的數(shù)據(jù)初始化,然后再保存00s的數(shù)據(jù)。最后再判定當(dāng)下層能否為最高層,不是最高層,則層數(shù)加1,繼續(xù)下一層的數(shù)據(jù)采集,直到最高層。對于氣壓和水溫鹽度數(shù)據(jù)的采集,由于氣壓和水溫鹽度傳感器都是采用主動(dòng)發(fā)送的格式,每秒主動(dòng)發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)。采集器需要每秒從串口緩沖區(qū)中讀一次數(shù)據(jù)能夠了。對于水位數(shù)據(jù)的采集,需要發(fā)送采集命令進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。3.3.2數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)線程數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā),包括每分鐘將原始數(shù)據(jù)以文本文件格式保存到CF卡中,保存目錄/var/hda。本文設(shè)置能夠保存一年的原始數(shù)據(jù)。天天建立一個(gè)文件,以當(dāng)下日期YYYYMMDD,比方20200101作為文件名。在處理超過1年的原始數(shù)據(jù)時(shí),有2種方式,第1種方式是將去年這天的文件直接刪除,重新建立新的文件,但是這種方式方法會(huì)產(chǎn)生碎片。第2種方式是檢查是不是有這個(gè)文件,假如有這個(gè)文件,將文件更名并將其內(nèi)部數(shù)據(jù)清空,然后將最新的原始數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到文件中,此方式不會(huì)產(chǎn)生碎片,在這里采用第2種方式。由于給上位機(jī)和觸摸屏發(fā)送原始數(shù)據(jù)也是每分鐘一次,所以在每次保存完數(shù)據(jù)后直接將原始數(shù)據(jù)打包,通過串口發(fā)送觸摸屏,以socket接口發(fā)送到上位機(jī)。3.3.3北斗通信線程采集器每5min給北斗通信機(jī)發(fā)送一次數(shù)據(jù),將上1min的原始數(shù)據(jù)根據(jù)北斗通信格式發(fā)送出去。通信數(shù)據(jù)采用十六進(jìn)制數(shù)據(jù)方式編碼。數(shù)據(jù)以單字節(jié)的形式傳送,2bit整型數(shù)據(jù),高字節(jié)在前,低字節(jié)在后。4、結(jié)論充分利用Linux嵌入式系統(tǒng)的高性能、低功耗,豐富的接口資源等優(yōu)點(diǎn),開發(fā)出一種可用于海氣邊界層監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集器?？刹捎蒙衔粰C(jī)和觸摸屏實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的顯示、監(jiān)控,以及對采集器和前端傳感器的一些參數(shù)配置。上位機(jī)和觸控屏數(shù)據(jù)顯示如此圖4和圖5所示。海氣邊界層數(shù)為6層,每層包括氣壓、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向,另外有當(dāng)?shù)氐臍鈮?、水位和水溫觀測要素。經(jīng)過測試,采集器性能可靠穩(wěn)定,由它構(gòu)成的系統(tǒng)性能優(yōu)越?？蔀楹膺吔鐚拥睦碚撗芯刻峁┈F(xiàn)場觀測原始數(shù)據(jù),另外采集器設(shè)計(jì)小巧輕便,功耗低,并且可實(shí)現(xiàn)無人值守。以下為參考文獻(xiàn)：[1]李云波,張永剛,唐海川,等.海氣通算