一種大氣剖面溫濕壓參數(shù)采集系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及海上大氣波導(dǎo)監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種大氣剖面參數(shù)采集系統(tǒng)， 用于測量低空海面同一經(jīng)煒度不同高度處的大氣溫度、濕度、氣壓。
【背景技術(shù)】
[0002] 海上大氣波導(dǎo)監(jiān)測與應(yīng)用是提升海洋安全保護(hù)能力的重要保障之一。直接探測、 間接探測和遙感探測是大氣波導(dǎo)測量的三種方法。微波折射率儀是一種直接測量大氣折射 率的設(shè)備。自1968年Bean和Dutton提出大氣折射指數(shù)與水氣壓、氣溫和氣壓的關(guān)系后， 大氣折射指數(shù)也可通過測量氣象參數(shù)來間接得到。間接探測主要有低空系留氣球探測、氣 象梯度塔探測、下投式探空儀和氣球探空儀。遙感探測主要有GPS探測、海雜波反演、激光 雷達(dá)探測等。
[0003] 我國海域面積遼闊，目前近岸蒸發(fā)波導(dǎo)業(yè)務(wù)化應(yīng)用監(jiān)測手段只有鐵塔觀測站，大 氣波導(dǎo)監(jiān)測手段單一，海上少量應(yīng)用了大氣波導(dǎo)梯度觀測系統(tǒng)，缺乏大氣波導(dǎo)（包括蒸發(fā) 波導(dǎo)、表面波導(dǎo)、抬升波導(dǎo)）快速和機(jī)動(dòng)獲取手段；大氣波導(dǎo)監(jiān)測能力也較薄弱，表現(xiàn)在站 點(diǎn)稀少，信息的傳輸共享和信息匯集能力不足，急需設(shè)計(jì)出一款能實(shí)時(shí)獲取海域上方同一 經(jīng)煒度的梯度氣象參數(shù)系統(tǒng)。從而更準(zhǔn)確有效地預(yù)測大氣波導(dǎo)發(fā)生時(shí)間及區(qū)域。
[0004] 本發(fā)明申請人早期發(fā)表的文章"基于Zigbee技術(shù)的大氣溫濕數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) 與實(shí)現(xiàn)"建立了一個(gè)由若干節(jié)點(diǎn)組成的星型無線傳感網(wǎng)絡(luò)。各終端器利用溫濕度傳感器 DHT11采集溫度、濕度數(shù)據(jù)，并通過網(wǎng)絡(luò)匯聚到協(xié)調(diào)器。實(shí)現(xiàn)了基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的溫度、濕 度參數(shù)采集及通信。該文章公布的技術(shù)方案只是從理論上提出了一種技術(shù)思路，具體的技 術(shù)手段沒有明確或存在缺陷，離工程應(yīng)用還存在很長的一段距離。譬如，該方案中各節(jié)點(diǎn)直 接與協(xié)調(diào)器組網(wǎng)通信，通信距離短，測量高度受限；在不同的大氣溫濕壓變化范圍，同一傳 感器的測量結(jié)果波動(dòng)性很大，如何克服波動(dòng)尚待解決；采集節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器之間組網(wǎng)通信，采 集節(jié)點(diǎn)依次拴接在系留氣球的垂繩上，氣球攜帶采集單元數(shù)目多，要求采集單元輕便，在大 氣氣象采集這一領(lǐng)域中，需要使用360度全方位通信天線，且需要實(shí)現(xiàn)低功耗要求，需要每 個(gè)采集單元實(shí)現(xiàn)小型化要求等等。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種大氣剖面參數(shù)采集系 統(tǒng)，其目的在于，通過對多個(gè)節(jié)點(diǎn)分組并以組為單位與協(xié)調(diào)器組網(wǎng)通信，延展了測量高度； 通過傳感器精度設(shè)計(jì)，克服了由于大氣溫濕壓變化引起的測量波動(dòng)；實(shí)時(shí)性好，穩(wěn)定性高， 信息匯集能力強(qiáng)，有利于更準(zhǔn)確有效地預(yù)測大氣波導(dǎo)發(fā)生時(shí)間及區(qū)域。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種大氣剖面參數(shù)采集系統(tǒng)，包括系留氣球、協(xié)調(diào) 器、接收終端和至少一組采集單元；
[0007] 系留氣球的系留繩上按高度依次拴接有至少一組采集單元；采集單元包括一個(gè)路 由器和按高度依次拴接的多個(gè)采集節(jié)點(diǎn)，采集節(jié)點(diǎn)用于采集其所在高度的大氣剖面溫度、 濕度和氣壓三種氣象參數(shù)，路由器用于收集其所在單元的所有采集節(jié)點(diǎn)采集的氣象參數(shù)； 協(xié)調(diào)器與各采集單元的路由器無線組網(wǎng)，協(xié)調(diào)器用于接收各路由器收集的氣象參數(shù)，并轉(zhuǎn) 發(fā)給接收終端；
[0008] 所述采集節(jié)點(diǎn)包括微控制模塊和與其集成于一塊板子上的的溫度傳感器、濕度傳 感器、氣壓傳感器和天線通信模塊；在大氣溫度變化范圍為一l〇°C~+50Γ條件下，所述溫 度傳感器的采集精度為±0. 2°C;在濕度變化范圍為0~100%條件下，所述濕度傳感器的 采集精度為±3% ;在大氣壓強(qiáng)變化范圍為990hpa~llOOhpa條件下，所述氣壓傳感器的 采集精度為±1.5hpa。
[0009] 總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明通過系留 氣球作為載體，將多組采集單元帶入空中測量不同高度的溫度、濕度和氣壓參數(shù)；各采集單 元的路由器與協(xié)調(diào)器組網(wǎng)，將各采集單元的氣象參數(shù)傳送給協(xié)調(diào)器，形成了剖面的關(guān)于三 個(gè)氣象參數(shù)值的梯度分布值，最后統(tǒng)一發(fā)送到接收終端，實(shí)時(shí)性好，采集點(diǎn)位置可根據(jù)測量 高度相應(yīng)拓展，信息匯集能力強(qiáng)。本發(fā)明還對氣象參數(shù)采集精度進(jìn)行了設(shè)計(jì)，有利于更準(zhǔn)確 有效地預(yù)測大氣波導(dǎo)發(fā)生時(shí)間及區(qū)域。
【附圖說明】
[0010] 圖1是本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；
[0011] 圖2是本發(fā)明天線結(jié)構(gòu)圖；
[0012] 圖3是本發(fā)明實(shí)例結(jié)果對比曲線圖，其中，圖3(a)是溫度對比曲線圖，圖3(b)是 濕度對比曲線圖，圖3(c)是氣壓對比曲線圖；
[0013] 圖4是本發(fā)明實(shí)例結(jié)果絕對誤差曲線圖，其中，圖4(a)是溫度絕對誤差曲線圖，圖 4(b)是濕度絕對誤差曲線圖，圖4(c)是絕對誤差曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0014] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對 本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要 彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0015] 請參見圖1，本發(fā)明大氣剖面參數(shù)采集系統(tǒng)，包括系留氣球、協(xié)調(diào)器、接收終端和至 少一組采集單元。
[0016] 系留氣球作為載體，用于將多組采集單元帶入空中。采集單元依次拴接于系留繩 上。系留氣球升入空中時(shí)，其系留繩垂放，拴接于系留繩上的采集單元被帶入空中不同高度 處。
[0017] 采集單元作為氣象參數(shù)采集的具體執(zhí)行主體，其包括微控制模塊和與其有線連接 的溫度傳感器、濕度傳感器、氣壓傳感器和無線通信模塊。微控制模塊主要協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)內(nèi)部各 模塊工作，溫度傳感器、濕度傳感器、氣壓傳感器分別采集所在高度的大氣剖面溫度、濕度 和氣壓。無線通信模塊一端有線連接微控制模塊，另一端無線連接同在一個(gè)采集單元的路 由器。微控制模塊啟動(dòng)三個(gè)傳感器工作，接收其采集的氣象參數(shù)，并通過無線通信模塊發(fā)送 給路由器。
[0018] 大氣波導(dǎo)形成的重要因素是濕度子海面飽和狀態(tài)向上迅速遞減造成的。本發(fā)明申 請者經(jīng)過大量試驗(yàn)和研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)傳感器相對濕度精度微變，會(huì)造成波導(dǎo)高度的偏差增加 一倍；氣海溫差值大于零時(shí)，即使很小的氣海溫差變化就會(huì)使大氣波導(dǎo)高度發(fā)生很大變化。 因此，氣象參數(shù)在溫濕度采集方面需要適合大氣變化范圍的精度要求。本發(fā)明申請者對此 進(jìn)行了大量試驗(yàn)和論證，在我國沿海地區(qū)的大氣溫度變化范圍為一 10°c~+50 °C、濕度變 化范圍為0~100%、大氣壓強(qiáng)變化范圍為990hpa~llOOhpa條件下，采集節(jié)點(diǎn)精度指標(biāo) 為：
[0019] 表1氣象參數(shù)采集精度指標(biāo)
[0020]
[0021] 實(shí)際應(yīng)用時(shí)，以表1作為各傳感器的選型性能指標(biāo)，以保證數(shù)據(jù)測量的有效性。
[0022] 協(xié)調(diào)器與各采集單元的路由器無線組網(wǎng)，協(xié)調(diào)器接收各路由器收集的氣象參數(shù)， 并轉(zhuǎn)發(fā)給接收終端。協(xié)調(diào)器與各采集單元的路由器可采用Wi-Fi、WirelessUSB、藍(lán)牙、紅外 線數(shù)據(jù)通信和ZigBee中的任意一種組網(wǎng)，優(yōu)選ZigBee。選擇ZigBee無線通信技術(shù)是因?yàn)?探空熱氣球攜帶的氣象參數(shù)采集模塊數(shù)量有限，也即要求一次盡可能多的攜帶氣象參數(shù)采 集模塊，有線傳輸方式需要大量布線，一是增加重量，二是布線復(fù)雜，采用有線傳輸方式不 可取，所以本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中選擇無線傳輸?shù)姆绞健Ｍㄐ啪嚯x如果太長，會(huì)產(chǎn)生高功耗等問題。 由于各氣象參數(shù)采集模塊之間可形成無線通信網(wǎng)絡(luò)，那么網(wǎng)絡(luò)中就可以通過添加具有路由 功能的模塊來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接力傳輸，這樣功耗也相對較低，使探空氣球攜帶的剖面大氣參 數(shù)采集系統(tǒng)工作比較長的時(shí)間，采集更多的數(shù)據(jù)，便于分析局部海域大氣環(huán)境狀況。ZigBee 協(xié)議是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)