header.gif
LabVIEW document
Автоматизированная метеостанция
автор проекта - Есиков Андрей
научный руководитель к.ф.-м.н. Есиков Д.А

Работа выполнялась в 2009/10 учебном году учеником 8-го класса школы Есиковым Андреем.

1. Постановка задачи

Школа "Интеллектуал" была выбрана в качестве одной из экспериментальных площадок для внедрения в школьную программу материала по изучению Земли и ее ресурсов с применением современных методов и космических технологий:

  • дистанционного исследования поверхности планеты с космических аппаратов,
  • спутниковой навигации (ГЛОНАСС и GPS),
  • получения энергии на основе возобновляемых и экологически чистых источников.

В рамках этого проекта в школе велись работы по созданию учебного комплекса для проведения метеорологических измерений, использующего как данные собственной наземной станции, так и информацию, передаваемую метеорологическими спутниками серии NOAA [1]. Первым этапом этой работы стали разработка и создание действующего макета метеостанции, который можно было бы интегрировать в информационную систему.

2. Используемое оборудование и программное обеспечение

Основу системы составляет сервер сбора данных на платформе Windows 2000 и специализированные измерительные модули (рис.1), описание одного из которых и является предметом настоящего проекта. Создание действующего макета модуля метеостанции ставилось целью исследовательского проекта школьника.

Сбор данных и управление модулями осуществлялся платами интерфейсов (USB или RS-232C) от компании NI либо собственной разработки в среде LabVIEW. Собранная и обработанная информация сохранялась в базе данных MS Access на одном из серверов школы. Доступ клинтов к базе обеспечивал веб-сервер с поддержкой ASP на платформе Windows Server 2003.

Рис.1 Элементы автоматизированного комплекса.

3. Описание решения

Прототип метеостанции был собран на монтажной плате и использовал бюджетную USB плату сбора данных USB-6008, которая управляла 8-ми канальным аналоговым коммутатором и оцифровывала сигналы с датчиков (Рис.2). Часть измерительных каналов (давление и освещенность), включающих собственно датчики и усилители, располагалось в базовом блоке. Остальные (датчики температуры, влажности, загрязнения воздуха) конструктивно были выполнены в виде блока, вынесенного на улицу. Дополнительные входы аналогового коммутатора использовались для контроля питания измерительных каналов. Отдельная цифровая линии резервировалась для управления газовым детектором.

Рис.2 Блок-схема модуля метеостанции.

Такая конструкция позволяла достаточно просто увеличить число каналов системы при появлении в будущем датчиков направления и скорости ветра, уровня осадков и т.д. В качестве датчиков мы использовали интегральные полупроводниковые датчики от компаний Analog Device, Honeywell и Freescale. Часть датчиков располагалась на значительном удалении от базового блока (до 10-20 м), их сигнал после усиления преобразовывался в ток и передавался по обыкновенной витой паре, что, в конечном счете, повышало помехозащищенность измерительных трактов.

В базовом блоке совершалось обратное преобразование ток-напряжение, и сигнал попадал в один из каналов коммутатора. Все усилители и преобразователи измерительных каналов использовали прецизионные компоненты, что облегчало дальнейшую калибровку датчиков. Типичная схема измерительного тракта для внешних датчиков изображена на рис.3. В качестве газового детектора использовался полупроводниковый датчик MQ-138, регистрирующий малые концентрации CO, бензола, метана и пр. примесей в воздухе. Мы не калибровали этот датчик, и он показывал просто общий уровень загрязнения.

Рис.3 Канал измерения загрязнения воздуха.

Программа, управляющая работой системы, была написана на LabVIEW 7.1 и представляла собой шаблон, позволяющий быстро нарастить число каналов. Измерение и обработка проводилась стандартным образом, для управления процессом и отображения информации использовался унифицированный интерфейс. Такая архитектура программы предполагала большое количество независимых настроек для каждого из каналов, которые хранились в конфигурационном файле. Параметрами системы, задаваемыми при запуске, были период измерений, либо период записи информации в базу данных. Фаза обработки начиналась с того, что определялись параметры канала; его адрес устанавливался на адресной шине, управляющей коммутатором; измерялось и усреднялось напряжение сигнала в этом канале; полученный результат калибровался и форматировался. Только после этого информация отображалась на панели индикации и при необходимости записывалась в базу данных.

Организация базы данных, подключаемой через ODBC, позволяла хранить данные в универсальном формате от нескольких источников (метеостанций) одновременно. Для практических целей запись информации в сетевую базу данных производилась один раз в 5-10 минут.

В режиме отладки программы могла работать и в отсутствие физического интерфейса, в т.н. режиме "симуляции", когда данные в каждом из каналов генерировались программно, без участия периферии. Из режима измерений в режим симуляции программа переходила автоматически при возникновении ошибок ввода/вывода. Аналогично, если при записи данных в базу возникали какие-либо ошибки, режим записи отключался.

На рис.4 показан пользовательский интерфейс программы, состоящий из 6 (3x2) стандартных ячеек (изображена только одна ячейка), расположенных на трех вкладках (a, b, c). Каждая ячейка соответствовала определенному измерительному каналу. На панели индикации (a) отображалось текущее значение измеренного параметра и график его изменения во времени. Вкладка (b) определяла параметры канала, в том числе, название, адрес, единицы измерения, формат представления информации и т.д. Здесь же устанавливался и способ калибровки (линейная, квадратичная и т.п.), на основе зависимостей, построенных методом наименьших квадратов по введенным табличным данным. Поле на последней вкладке (c) определяло имя, под которым этот параметр сохранялся в базе. Одна из ячеек резервировалась под общие настройки программы (период измерений, режим записи и адрес базы данных, включение режима симуляции) и индикаторы напряжения питания.

Рис.4 Интерфейс пользователя программы. (a) панель индикации измеряемого параметра (параметры), (b) – параметры измерения и отображения (измерение), (c) – настройки базы данных (сохранение), (d) – настройки программы, общие для всех каналов. Показана одна из стандартных ячеек на экране компьютера, соответствующая каналу измерения атмосферного давления.

Вся электронная часть станции была собрана без пайки на одной макетной плате (рис, 5), программа была откомпилирована и запускалась на ноутбуке, подключенном к локальной сети. Измерительные каналы были предварительно откалиброваны на основе паспортных данных датчиков.

Рис.5 Макет метеостанции на момент выполнения проекта

4. Внедрение и его перспективы

На уровне макета станция показала полную рабоспособность. В окончательном виде стационарная система будет размещена в одном из кабинетов информатики школы. Для нее уже подготовлена вся сетевая инфраструктура - в локальной школьной сети развернуты и работают все необходимые серверы и компьютеры. Аппаратная часть системы будет размещена в стандартных 19" шкафах. В настоящее время ведутся работы по переносу отдельных компонентов системы с макетных на печатные платы. В дальнейшем предполагается разработать и подключить к метеостанции датчики направления и скорости ветра, датчик атмосферных осадков. Кроме того измерительную часть метеостанции планируется использовать в качестве коллективного многоканального регистратора данных при проведении удаленных экспериментов.

5. Список литературы

  1. NOAA KLM User's Guide - http://www2.ncdc.noaa.gov/docs/klm/html/c4/sec4-2.htm.
  2. Автоматизированная метеостанция. Проектная работа ученика 8 класса А.Есикова ГОУ школа-интернат "Интеллектуал", Москва, 2009.


footer
Дизайн и Оформление - Copyright © ESD Multimedia, 2008-2013

76008