譚晗凌，鄒慶彪，黃飛龍，周嘉健

（廣東省氣象探測(cè)數(shù)據(jù)中心，廣東 廣州 510080）

自動(dòng)氣象站裝備大量的傳感器用于氣象要素的觀測(cè)，為生產(chǎn)工作、防災(zāi)減災(zāi)提供了重要的支撐作用。目前，據(jù)廣東省氣象局站網(wǎng)信息管理系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，廣東省已經(jīng)部署了3 000多套自動(dòng)氣象站，而鉑電阻溫度計(jì)是自動(dòng)站中數(shù)量最多的傳感器，未來隨著我國進(jìn)一步推進(jìn)氣象現(xiàn)代化建設(shè)，對(duì)傳感器進(jìn)行計(jì)量檢定的任務(wù)愈發(fā)繁重。

廣東省氣象計(jì)量檢定所現(xiàn)有溫度檢定采用WLR-1D型制冷恒溫溫度槽，檢定數(shù)據(jù)都要由檢定員人工記錄后再轉(zhuǎn)存至業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫［1］。每次記錄數(shù)據(jù)量高達(dá)上百條，耗費(fèi)巨大的人力還容易錄入錯(cuò)誤數(shù)據(jù)［2］。為提高計(jì)量檢定效率、自動(dòng)化程度和信息化程度，本研究設(shè)計(jì)了一套基于“云+端”理念的溫度傳感器檢定系統(tǒng)，該系統(tǒng)能對(duì)溫度傳感器進(jìn)行批量化檢定和實(shí)現(xiàn)無人值守的檢定過程，還能對(duì)檢定數(shù)據(jù)進(jìn)行集約化管理和展示，實(shí)現(xiàn)檢定證書的自動(dòng)生成和打印。目前，該系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于廣東省氣象計(jì)量檢定所。

1 傳感器信號(hào)采集及檢定原理

自動(dòng)站使用鉑電阻溫度傳感器進(jìn)行氣溫和土壤溫度的測(cè)量，鉑電阻具有穩(wěn)定性好、測(cè)量精度高的特性。

在-50～0℃溫度范圍內(nèi)，電阻阻值Rt與溫度t的關(guān)系如式（1）

在0～80℃溫度范圍內(nèi)，電阻阻值Rt與溫度t的關(guān)系如式（2）

其中，Rt為t℃時(shí)的電阻阻值（Ω）；R0＝100Ω，為標(biāo)稱電阻阻值；A、B、C為溫度系數(shù)，分別為3.908 3×10-3℃-1、-5.775×10-7℃-2、-4.183×10-12℃-4。溫度-阻值公式中的默認(rèn)參數(shù)如表1所示。

表1 設(shè)置溫度命令發(fā)送格式

由于溫度傳感器中鉑電阻的電阻值不易直接測(cè)量，因此，該系統(tǒng)使用恒流源對(duì)鉑電阻電路進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，通過高精度的AD采樣電路對(duì)電阻兩端的電壓進(jìn)行采集，通過電壓-電流（U-I）關(guān)系，即可得到阻值［3］。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

目前，廣東省自動(dòng)氣象站采用的溫度傳感器為Pt100鉑電阻傳感器，針對(duì)該傳感器的特性，為滿足“JJG（氣象）002-2015《自動(dòng)氣象站鉑電阻溫度傳感器》檢定規(guī)程”的要求，檢定系統(tǒng)采用的架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框架示意圖

將被檢溫度傳感器、標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)置于恒溫槽內(nèi)，其中標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)測(cè)得溫度作為標(biāo)準(zhǔn)溫度。恒溫槽通過RS232串口與嵌入式采集控制模塊相連，實(shí)現(xiàn)采集控制模塊對(duì)恒溫槽工作狀態(tài)、溫度設(shè)置的控制。嵌入式采集控制模塊通過WIFI通信與云端的控制服務(wù)器相連，實(shí)現(xiàn)控制命令的傳遞和檢定數(shù)據(jù)的傳輸和入庫，跟傳統(tǒng)的PC上位機(jī)控制相比大大節(jié)省了空間，減少了故障率，提高了集成度。用戶通過云端服務(wù)器提供的Html5移動(dòng)客戶端向服務(wù)器發(fā)送指令，服務(wù)器收到指令后做出相應(yīng)的動(dòng)作，包括向嵌入式采集控制模塊傳遞相應(yīng)的指令、調(diào)用數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)展示、檢定證打印等。

3 系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

3.1 溫度標(biāo)準(zhǔn)器及溫度槽的選型

溫度標(biāo)準(zhǔn)器采用RCY-1A型校準(zhǔn)式鉑電阻標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)，其測(cè)溫范圍為-60～100℃，基本誤差為-0.05～0.05℃，最小分辨率為0.01℃。

溫度槽選用百川唯立的WLR-1D型制冷恒溫溫度槽，使用的是宇電的AIJ-4.1高精度溫度控制儀，其溫度波動(dòng)度優(yōu)于±0.01℃，溫度均勻度優(yōu)于0.01℃，工作溫度范圍為-60～90℃，能夠滿足檢定要求。

3.2 嵌入式采集控制模塊設(shè)計(jì)

此模塊為該系統(tǒng)的核心部分，主要負(fù)責(zé)被檢溫度傳感器和標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)的采樣以及對(duì)溫度槽的溫度設(shè)置以及通過WIFI模塊與云端服務(wù)器進(jìn)行通信，主要由MCU、TTL轉(zhuǎn)RS232通信單元、AD采樣單元、電源管理單元4部分組成，其中MCU控制單元采用樂鑫公司生產(chǎn)的ESP32芯片，具體架構(gòu)如圖2所示。

圖2 嵌入式采集控制模塊架構(gòu)示意圖

通過ADG1607多路選擇器，嵌入式采集控制模塊能同時(shí)對(duì)不同的鉑電阻進(jìn)行采樣。每一路中采用的采樣電路如圖3所示，其中R100采用的是精度為萬分之一的100Ω精密電阻，通過AD7792自帶的恒流源驅(qū)動(dòng)鉑電阻電路，簡化電路的同時(shí)也大幅度減小了PCB的面積。合適大小的恒流源能夠有效減少Pt100鉑電阻的子恒電阻發(fā)熱提高測(cè)量的準(zhǔn)確性，因此恒流源選擇為1 mA輸出，此時(shí)鉑電阻功耗約100μW，產(chǎn)生的熱量可以忽略不計(jì)。通過AD7792采樣高精度標(biāo)準(zhǔn)電阻和鉑電阻的差分電壓值Vr100（V）和Vpt（V）再計(jì)算出溫度，具體計(jì)算程序?yàn)?/p>

圖3 四線制Pt100鉑電阻溫度傳感器的采樣電路

tmp＝10.0*100 000L*（（signed int）（Vpt-Vr100）／（390.8*Vr100））；

T＝（tmp＞＝0？0.5：（-0.5））+tmp+（（float）PCalError［（int）fabs（tmp）／10］）／10.0；

溫度槽的高精度溫度控制儀AIJ-4.1遵循MODBUS通訊協(xié)議，通用性強(qiáng)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)和溫度槽的通信協(xié)議，MCU通過TTL轉(zhuǎn)RS232通信單元獲取RCY-1A標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)的實(shí)時(shí)溫度和設(shè)置WLR-1D溫度槽的環(huán)境溫度。具體的設(shè)置命令格式幀如表1所示。本機(jī)地址范圍0～100，本系統(tǒng)采用01。設(shè)置溫度的功能碼為“01H”，參數(shù)地址、參數(shù)數(shù)目和字節(jié)數(shù)為固定值，參數(shù)值是需要設(shè)置的溫度值，命令末尾加上CRC校驗(yàn)結(jié)束。嵌入式系統(tǒng)采用Arduino編程。

3.3 云端服務(wù)器及數(shù)據(jù)庫方案設(shè)計(jì)

云端服務(wù)器系統(tǒng)采用B／S架構(gòu)開發(fā)，包括基于C＃開發(fā)的控制和監(jiān)控模塊、基于PHP搭建的服務(wù)端以及基于MySql搭建的數(shù)據(jù)庫。

用戶在App上填寫完此次檢定參數(shù)并點(diǎn)擊開始檢定后，服務(wù)端會(huì)向服務(wù)器端發(fā)送請(qǐng)求。服務(wù)器接收到請(qǐng)求后錄入檢定信息，同時(shí)開始溫度檢定并向嵌入式采集控制裝置發(fā)出相應(yīng)的指令［4-5］。完整的溫度傳感器自動(dòng)化檢定流程圖如圖4所示。

圖4 檢定流程示意圖

服務(wù)器將溫度槽配置命令通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給嵌入式模塊，等待溫度槽的工作溫度設(shè)置到初始檢定點(diǎn)，隨后開始以3 s 1次的頻率讀取RCY-1A型標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)的讀數(shù)。當(dāng)檢測(cè)到溫度槽達(dá)到檢定點(diǎn)溫度并且標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)讀數(shù)穩(wěn)定時(shí)，進(jìn)入數(shù)據(jù)采集階段，數(shù)據(jù)采集模塊開始采集標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)和被檢溫度傳感器的測(cè)量值，采樣頻率為每30 s 1次，共讀取4次。數(shù)據(jù)采集完成后，進(jìn)入數(shù)據(jù)處理階段，計(jì)算出4次采樣的平均值保存至數(shù)據(jù)緩存中，再將平均值進(jìn)行誤差檢查，若誤差在允許范圍內(nèi)則此次合格，超出誤差范圍則發(fā)送警告信息告知用戶。隨后將溫度槽的工作溫度設(shè)置為下一個(gè)溫度檢定點(diǎn)，重復(fù)以上操作。當(dāng)所有檢定點(diǎn)都完成后，將緩存數(shù)據(jù)保存至數(shù)據(jù)庫中，并通知用戶檢定結(jié)束［6-7］。

數(shù)據(jù)庫負(fù)責(zé)存儲(chǔ)檢定任務(wù)的信息、傳感器信息及檢定數(shù)據(jù)，按照實(shí)際業(yè)務(wù)需求，數(shù)據(jù)庫表分為為檢定過程表和檢定證記錄表兩個(gè)主要部分。檢定過程表主要存儲(chǔ)檢定過程中的檢定數(shù)據(jù)信息，主要包括設(shè)備編號(hào)、當(dāng)前溫度值、各檢定點(diǎn)平均值、各檢定點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)器讀數(shù)、檢定編號(hào)、檢定日期、檢定時(shí)長等。檢定證記錄表主要存儲(chǔ)檢定完成之后的檢定結(jié)果數(shù)據(jù)，主要包括設(shè)備編號(hào)、檢定證編號(hào)、各檢定點(diǎn)平均值、各檢定點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)器讀數(shù)、檢定證打印日期、已打印標(biāo)記等。

3.4 移動(dòng)客戶端設(shè)計(jì)

為了滿足跨平臺(tái)的要求，同時(shí)免去App的安裝要求，采用基于Htm l5技術(shù)來編寫移動(dòng)客戶端，其具體界面如圖5所示，用戶設(shè)置完參數(shù)點(diǎn)擊開始檢定后，客戶端將檢定參數(shù)傳給服務(wù)器。服務(wù)器再將相應(yīng)階段的設(shè)置命令通過無線發(fā)送給嵌入式模塊，模塊收到命令后完成設(shè)置命令并不斷將采樣數(shù)據(jù)傳回給服務(wù)器直至完成檢定流程。

圖5 移動(dòng)客戶端界面

3.5 檢定證打印系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)會(huì)將檢定的數(shù)據(jù)自動(dòng)存至數(shù)據(jù)庫中，用戶通過web頁面輸入傳感器編號(hào)、檢定日期等即可搜索到相關(guān)的檢定證，系統(tǒng)支持區(qū)域站的單支傳感器打印和地面站成捆13支批量打?。?］。檢定證通過打印機(jī)直接打印出來，便于檢定員系統(tǒng)管理。

本研究設(shè)計(jì)的無線鉑電阻溫度傳感器自動(dòng)檢定系統(tǒng)完成了對(duì)WLR-1D型溫度槽的遠(yuǎn)程控制和對(duì)Pt100鉑電阻的精確測(cè)量，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鉑電阻溫度傳感器檢定從智能控溫、數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)入庫、證書打印的整套流程。該系統(tǒng)投入試運(yùn)行以來，工作穩(wěn)定，數(shù)據(jù)安全可靠，已完成1 300余支傳感器的檢定工作，免去了以往繁瑣的人工錄入數(shù)據(jù)，提高了廣東省氣象計(jì)量檢定所的工作效率，用定制化的嵌入式無線系統(tǒng)替代傳統(tǒng)PC機(jī)的“云+端”架構(gòu)也提升了溫度計(jì)量檢定的集約化程度。