ЗАСОБИ УПРАВЛІННЯ МЕТЕОРОЛОГІЧНОЮ СТАНЦІЄЮ (дипломна)
КупитиДипломна робота (ВИПУСКНА РОБОТА БАКАЛАВРА)
з комп’ютерної та програмної інженерії на тему:
“РОЗРОБКА КОМПЛЕСУ ТЕХНІЧНИХ ТА ПРОГРАМНИХ ЗАСОБІВ УПРАВЛІННЯ МЕТЕОРОЛОГІЧНОЮ СТАНЦІЄЮ”
включає:
- лист завдання;
- індивідуальний план виконання випускної роботи;
- пояснювальну записку;
- три плакати;
- доповідь;
- презентацію в Power Point в двох варіантах.
ЗМІСТ пояснювальної записки
ВСТУП 7
1. АНАЛІЗ ПРЕДМЕТНОЇ ГАЛУЗІ ОБ’ЄКТУ ДОСЛІДЖЕННЯ 11
1.1 Поняття погоди, клімату, метеорологічної величини і явища 11
1.2 Прогнозуючі системи в метеорології: стан проблеми 12
1.3 Проблема радіації навколишнього середовища 14
1.4 Метеорологічні спостереження 16
1.4.1 Вимірювання температури повітря і ґрунту 17
1.4.2 Вимірювання вологості повітря 21
1.4.3 Вимірювання атмосферного тиску 27
1.4.4 Вимірювання вітру 31
1.4.5 Вимірювання опадів 35
1.4.6 Вимірювання радіоактивності 37
1.5 Основні вимоги до метеорологічних спостережень 39
1.6 Організація функціонування метеостанції та їх класифікація 40
1.7 Сучасні метеостанції 44
1.7.1 Метеостанція М-49 44
1.7.2 Метеокомплекс Coastal Environmental Systems C-5 SAM 46
2. МОДЕЛІ ТА МЕТОДИ ВИРІШЕННЯ ЗАДАЧІ ДОСЛІДЖЕННЯ 49
2.1 Моделі прогнозу погоди 49
2.1.1 Модель WRF 49
2.1.2 Модель MM5 51
2.1.3 Модель ETA 53
3. ПРАКТИЧНА РЕАЛІЗАЦІЯ 57
3.1 Проектування метеостанції 57
3.2 Датчики, що застосовуються в метеостанції 57
3.2.1 Терморезистор 2k2 59
3.2.2 Мікросхема-термодатчик К1019ЕМ1, К1019ЕМ1А 61
3.2.3 Цифровий термодатчик Dallas 18B20 62
3.2.4 Вимірювання вологості повітря HIH 3610 67
3.2.5 Вимірювання тиску MPX2200AP 69
3.3 Аналого-цифровий перетворювач для зняття показань з датчиків 72
3.4 Аналіз живлення метеодатчиків 78
3.5 Проектування принципової схеми метеостанції 79
ВИСНОВКИ 82
СПИСОК ВИКОРИСТАННИХ ДЖЕРЕЛ 83
Додаток А. Лістинг програми 85
РЕФЕРАТ / ABSTRACT
Пояснювальна записка до випускної роботи: 110 с., 38 рис., 8 табл.,
21 джерело.
Метою даної роботи є розробка метеорологічного комплексу для вимірювання температури, вологості, швидкості вітру, тиску, радіації, та їх обробки автоматичним способом за допомогою програмного комплексу. Виходячи з цього було проведено: аналіз методів збору метеопараметрів; аналіз сучасних методів та моделей прогнозу погоди; розроблено модель системи управління метеостанцією, проведено опис моделі; проведено апаратну реалізацію комплексу управління метеорологічною станцією; розроблено математичне, алгоритмічне та програмне забезпечення для мікроконтролера; розроблено конструктив.
Ключові слова: удосконалення, розробка моделі системи управління метеостанцією, апаратна реалізація комплексу управління метеорологічною станцією.
The aim of this work is to develop a set of meteorological measuring temperature, humidity, wind speed, pressure, radiation, and their processing by automatic means of software. Were held: analysis methods for collecting meteorological parameters; analysis methods and advanced weather forecasting models; meteorological management model system was developed; description of the model was conducted; it was also conducted hardware implementation of complex control weather station; mathematical, algorithmic and software for microcontrollers was developed, constructive was designed.
Keywords: improvement, development meteorological management model system, hardware implementation of complex management meteorological station.
ВСТУП
Бурхливий розвиток обчислювальної техніки в останні десятиліття дозволило широко застосовувати комп’ютерні системи (КС) та методи прогнозування погоди метеорологічними службами, які займаються теоретичними дослідженнями Світового океану, атмосфери і клімату.
Хоча перші спроби використовувати системи та моделі для прогнозування погоди були зроблені в 20-х роках XX століття, тільки з винаходом комп’ютера та комп’ютерного моделювання стало можливим здійснювати його в режимі реального часу.
Даний процес пов’язаний з обробкою величезного набору даних і виконанням складних обчислень і може бути повноцінно здійснений тільки на потужних суперкомп’ютерах.
До теперішнього часу запропоновано ряд моделей та систем прогнозу погоди і загальної циркуляції атмосфери і чисельних алгоритмів для їх вирішення.
Разом з тим необхідно відзначити, що рівняння гідротермодинаміки атмосферних процесів настільки складні, що до цих пір є необхідність розробки більш якісних алгоритмів, здатних з високою точністю описати широкий спектр завдань динамічної метеорології і прогнозу погоди.
Побудова якісних алгоритмів розв’язання таких завдань тісно пов’язане з проблемою апроксимації рівнянь і стійкості отриманих різницевих схем, які взагалі є основними проблемами при конструкції нових чисельних алгоритмів.
Для отримання достовірного прогнозу погоди, у міжнародних кліматичних центрах збирається інформація про поточну погоду на планеті. Вона отримується з тисяч метеостанцій, метеопостів, зондів, радіобуїв по всій планеті: наземних, літальних, плаваючих, які покривають планету досить густою сіткою.
Для того, щоб модель справила розрахунок прогнозу погоди їй необхідно зібрати якомога більше даних про поточну погоду. Чим густіше на території розміщені метеостанції, тим точніше буде розрахований прогноз погоди. В Україні мережа метеостанцій досить мала. Для порівняння: в Європі максимальна відстань між станціями близько 25км, у нас – 80-100 км [1]. Тому, як би ми не хотіли, а точність прогнозу погоди в Україні не буде високою до тих пір, поки в країні не з’явиться розвинена мережа метеостанцій.
Основу чисельних методів прогнозу погоди займають гідродинамічні моделі атмосфери, складання котрих включає такі етапи:
– визначення і опис фізичних процесів;
– вибір диференціальних рівнянь, які описують дані процеси;
– оптимізація параметрів середовища в напрямку винайдення найбільш значущих факторів впливу на моделювання прогнозу;
– чисельне рішення рівнянь і розрахунок метеорологічних величин для фіксованих точок простору та моментів часу [2].
З наукової точки зору, передбачення погоди – одна з найскладніших завдань фізики атмосфери.
Удосконалення комп’ютерного обладнання дозволяє реалізовувати математичні підходи і методи дослідження атмосфери. Кожен з них дозволяє в тій чи іншій мірі прогнозувати метеоявища.
Сьогодні ми живемо в пору інформаційної революції. Метеоінформацію отримують з космосу з супутників. Майже вся планета покрита мережею метеостанцій.
Вся ця інформація зводиться воєдино в метеоцентри, озброєних потужними комп’ютерами.
Будь-якому користувачеві світової комп’ютерної мережі Інтернет доступно миттєве отримання відомостей про погоду в будь-якому великому місті планети.
Точність прогнозів на наступний день складає 94 відсотки, на три дні вперед 85 відсотків.
Точне прогнозування погоди – одна з древніх проблем, вона так само стара, як саме людство.
І сьогодні, в століття атомної енергії, електроніки і кібернетики, освоєння космосу пророчо звучать слова, сказані М. В. Ломоносовим близько 300 років тому: “Людині нічого не залишалося б вимагати від бога, якби він навчився правильно передбачати погоду”.
Мета дослідження: розробити метеорологічний комплекс для вимірювання температури, вологості, швидкості вітру, тиску, радіації, та їх обробки автоматичним способом за допомогою програмного комплексу. Для реалізації поставленої мети були сформульовані такі завдання:
– проаналізувати технічну літературу з проблеми вимірювання метеорологічних величин.
– спроектувати апаратний комплекс для вимірювання метеорологічних величин.
– створити комплекс програмного забезпечення для обробки отриманих даних.
Об’єктом дослідження: процес вимірювання метеорологічних величин та радіації із застосуванням нових інформаційних технологій.
Задачі дослідження Для досягнення поставленої мети в роботі слід вирішити наступні завдання:
1. Створити модель комплексу управління метеорологічною станцією.
2. Описати існуючі системи прогнозу погоди.
3. Провести апаратну реалізацію.
4. Розробити ПЗ для мікроконтролера.
5. Розробити конструктив (друковану плату).
Процес створення та опису моделей управління метеорологічною станцією складається з апаратної реалізації та розробки ПЗ для мікроконтролера.
Апаратна реалізація складається з:
1. Розробки архітектури на основі накладених обмежень.
2. Вибір та обґрунтування елементної бази.
3. Схемотехнічне рішення (розробка принципової схеми пристрою на основі архітектури).
4. Моделювання схеми.
5. Розробка друкованої плати.
Розробка ПЗ для мікроконтролера включає:
1. Розробку ініціалізації контролера і периферії.
2. Розробку взаємодії з ПК по порту USB.
3. Розробку модуля управління метеорологічною станцією.