一种大气剖面温湿压参数采集系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及海上大气波导监测技术领域，具体涉及一种大气剖面参数采集系统， 用于测量低空海面同一经炜度不同高度处的大气温度、湿度、气压。
【背景技术】
[0002] 海上大气波导监测与应用是提升海洋安全保护能力的重要保障之一。直接探测、 间接探测和遥感探测是大气波导测量的三种方法。微波折射率仪是一种直接测量大气折射 率的设备。自1968年Bean和Dutton提出大气折射指数与水气压、气温和气压的关系后， 大气折射指数也可通过测量气象参数来间接得到。间接探测主要有低空系留气球探测、气 象梯度塔探测、下投式探空仪和气球探空仪。遥感探测主要有GPS探测、海杂波反演、激光 雷达探测等。
[0003] 我国海域面积辽阔，目前近岸蒸发波导业务化应用监测手段只有铁塔观测站，大 气波导监测手段单一，海上少量应用了大气波导梯度观测系统，缺乏大气波导（包括蒸发 波导、表面波导、抬升波导）快速和机动获取手段；大气波导监测能力也较薄弱，表现在站 点稀少，信息的传输共享和信息汇集能力不足，急需设计出一款能实时获取海域上方同一 经炜度的梯度气象参数系统。从而更准确有效地预测大气波导发生时间及区域。
[0004] 本发明申请人早期发表的文章"基于Zigbee技术的大气温湿数据采集系统设计 与实现"建立了一个由若干节点组成的星型无线传感网络。各终端器利用温湿度传感器 DHT11采集温度、湿度数据，并通过网络汇聚到协调器。实现了基于ZigBee网络的温度、湿 度参数采集及通信。该文章公布的技术方案只是从理论上提出了一种技术思路，具体的技 术手段没有明确或存在缺陷，离工程应用还存在很长的一段距离。譬如，该方案中各节点直 接与协调器组网通信，通信距离短，测量高度受限；在不同的大气温湿压变化范围，同一传 感器的测量结果波动性很大，如何克服波动尚待解决；采集节点与协调器之间组网通信，采 集节点依次拴接在系留气球的垂绳上，气球携带采集单元数目多，要求采集单元轻便，在大 气气象采集这一领域中，需要使用360度全方位通信天线，且需要实现低功耗要求，需要每 个采集单元实现小型化要求等等。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种大气剖面参数采集系 统，其目的在于，通过对多个节点分组并以组为单位与协调器组网通信，延展了测量高度； 通过传感器精度设计，克服了由于大气温湿压变化引起的测量波动；实时性好，稳定性高， 信息汇集能力强，有利于更准确有效地预测大气波导发生时间及区域。
[0006] 为实现上述目的，本发明提供了一种大气剖面参数采集系统，包括系留气球、协调 器、接收终端和至少一组采集单元；
[0007] 系留气球的系留绳上按高度依次拴接有至少一组采集单元；采集单元包括一个路 由器和按高度依次拴接的多个采集节点，采集节点用于采集其所在高度的大气剖面温度、 湿度和气压三种气象参数，路由器用于收集其所在单元的所有采集节点采集的气象参数； 协调器与各采集单元的路由器无线组网，协调器用于接收各路由器收集的气象参数，并转 发给接收终端；
[0008] 所述采集节点包括微控制模块和与其集成于一块板子上的的温度传感器、湿度传 感器、气压传感器和天线通信模块；在大气温度变化范围为一l〇°C~+50Γ条件下，所述温 度传感器的采集精度为±0. 2°C;在湿度变化范围为0~100%条件下，所述湿度传感器的 采集精度为±3% ;在大气压强变化范围为990hpa~llOOhpa条件下，所述气压传感器的 采集精度为±1.5hpa。
[0009] 总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明通过系留 气球作为载体，将多组采集单元带入空中测量不同高度的温度、湿度和气压参数；各采集单 元的路由器与协调器组网，将各采集单元的气象参数传送给协调器，形成了剖面的关于三 个气象参数值的梯度分布值，最后统一发送到接收终端，实时性好，采集点位置可根据测量 高度相应拓展，信息汇集能力强。本发明还对气象参数采集精度进行了设计，有利于更准确 有效地预测大气波导发生时间及区域。
【附图说明】
[0010] 图1是本发明系统结构图；
[0011] 图2是本发明天线结构图；
[0012] 图3是本发明实例结果对比曲线图，其中，图3(a)是温度对比曲线图，图3(b)是 湿度对比曲线图，图3(c)是气压对比曲线图；
[0013] 图4是本发明实例结果绝对误差曲线图，其中，图4(a)是温度绝对误差曲线图，图 4(b)是湿度绝对误差曲线图，图4(c)是绝对误差曲线图。
【具体实施方式】
[0014] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并 不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要 彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0015] 请参见图1，本发明大气剖面参数采集系统，包括系留气球、协调器、接收终端和至 少一组采集单元。
[0016] 系留气球作为载体，用于将多组采集单元带入空中。采集单元依次拴接于系留绳 上。系留气球升入空中时，其系留绳垂放，拴接于系留绳上的采集单元被带入空中不同高度 处。
[0017] 采集单元作为气象参数采集的具体执行主体，其包括微控制模块和与其有线连接 的温度传感器、湿度传感器、气压传感器和无线通信模块。微控制模块主要协调节点内部各 模块工作，温度传感器、湿度传感器、气压传感器分别采集所在高度的大气剖面温度、湿度 和气压。无线通信模块一端有线连接微控制模块，另一端无线连接同在一个采集单元的路 由器。微控制模块启动三个传感器工作，接收其采集的气象参数，并通过无线通信模块发送 给路由器。
[0018] 大气波导形成的重要因素是湿度子海面饱和状态向上迅速递减造成的。本发明申 请者经过大量试验和研究，发现当传感器相对湿度精度微变，会造成波导高度的偏差增加 一倍；气海温差值大于零时，即使很小的气海温差变化就会使大气波导高度发生很大变化。 因此，气象参数在温湿度采集方面需要适合大气变化范围的精度要求。本发明申请者对此 进行了大量试验和论证，在我国沿海地区的大气温度变化范围为一 10°c~+50 °C、湿度变 化范围为0~100%、大气压强变化范围为990hpa~llOOhpa条件下，采集节点精度指标 为：
[0019] 表1气象参数采集精度指标
[0020]
[0021] 实际应用时，以表1作为各传感器的选型性能指标，以保证数据测量的有效性。
[0022] 协调器与各采集单元的路由器无线组网，协调器接收各路由器收集的气象参数， 并转发给接收终端。协调器与各采集单元的路由器可采用Wi-Fi、WirelessUSB、蓝牙、红外 线数据通信和ZigBee中的任意一种组网，优选ZigBee。选择ZigBee无线通信技术是因为 探空热气球携带的气象参数采集模块数量有限，也即要求一次尽可能多的携带气象参数采 集模块，有线传输方式需要大量布线，一是增加重量，二是布线复杂，采用有线传输方式不 可取，所以本系统设计中选择无线传输的方式。通信距离如果太长，会产生高功耗等问题。 由于各气象参数采集模块之间可形成无线通信网络，那么网络中就可以通过添加具有路由 功能的模块来实现数据的接力传输，这样功耗也相对较低，使探空气球携带的剖面大气参 数采集系统工作比较长的时间，采集更多的数据，便于分析局部海域大气环境状况。ZigBee 协议是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据