志愿气象观测站搭建过程记录

浅冰Column · 发表于 2024-8-5 15:14

本帖最后由浅冰Column 于 2024-10-11 20:55 编辑

本人很早就想有一个自己的气象观测站，最近又了解到志愿气象观测站这一站种，更是蠢蠢欲动（划掉）
项目名为”冰点点“，取冰点0℃之意
本项目8月1号开始构思，8月3号立项，原定明年一月份开始搭建，但8月4日好友得知后大力投资，令本人感动无比，随即于今天，也就是8月5号正式开始搭建

浅冰Column · 发表于 2024-10-1 00:07

我部已于昨日23时45分在阵风阵雨下完成最后调试工作并撤出，自动站已于10月1日0时0分投运，所有数据记录正常。

浅冰Column · 发表于 2024-8-5 15:52

本帖最后由浅冰Column 于 2024-8-26 11:28 编辑

自动站配置单（要素中，背景色置绿表示达到国标，置黄表示接近国标）

（24/08/25：注：立柱高度改为3m，雨量计分辨率改为0.1mm）
（24/08/10：略改方案，重新传图）

附参考国标：GB/T 33703-2017《自动气象站观测规范》，来自中国气象局官网

浅冰Column · 发表于 2024-8-6 12:04

福州市气象局回复了我关于志愿站申请的咨询

浅冰Column · 发表于 2024-8-6 18:08

本帖最后由浅冰Column 于 2024-8-12 11:07 编辑

基于 Python 的气象要素数据获取程序，通过 Modbus-RTU 协议在 RS-485 上与传感器通信。
异步采集和保存传感器的风速、风向、温度、湿度、气压和降水量数据，并于每分钟、每小时产生时段数据。
记录日志，各传感器配置可独立自定义，程序模块化。
（24/08/12：更新程序）

程序代码

代码内关于单位矢量平均法计算平均风速的部分，我在教程区新开了一帖《使用单位矢量平均法计算平均风向（公式、代码）》，供各位参考。
其他详见代码内注释。

import os
import json
import signal
import logging
import asyncio
from logging.handlers import TimedRotatingFileHandler
from datetime import datetime, timedelta
from pymodbus.client import AsyncModbusSerialClient as ModbusClient
from pymodbus.exceptions import ModbusException, ConnectionException
from dataclasses import dataclass, asdict
import math
# Modbus 连接配置
PORTS = {
"wind": {
"port": "/dev/ttyUSB0",
"baudrate": 4800,
"stopbits": 1,
"bytesize": 8,
"timeout": 3,
},
"wind_dir": {
"port": "/dev/ttyUSB1",
"baudrate": 4800,
"stopbits": 2,
"bytesize": 7,
"timeout": 3,
},
"thp": {
"port": "/dev/ttyUSB2",
"baudrate": 9600,
"stopbits": 1,
"bytesize": 8,
"timeout": 3,
},
"rain": {
"port": "/dev/ttyUSB3",
"baudrate": 4800,
"stopbits": 1,
"bytesize": 8,
"timeout": 3,
},
}
LOG_FILE = "sensors.log"
MINUTE_DATA_DIR = "/data/minute"
HOUR_DATA_DIR = "/data/hour"
# 日志配置，使用按日切割的文件处理器记录日志
logging.basicConfig(
handlers=[TimedRotatingFileHandler(LOG_FILE, when="D")],
level=logging.DEBUG,
format="[%(asctime)s][%(name)s][%(levelname)s] %(message)s",
)
# SIGINT 退出信号捕获配置
def handle_sigint(signal_number, frame):
for task in asyncio.all_tasks():
task.cancel()
loop = asyncio.get_event_loop()
loop.stop()
# 数据类，用于存储传感器数据
@dataclass
class SensorData:
wind_speed_avg: float
wind_direction_avg: float
max_wind_speed: float
max_wind_speed_direction: float
temperature: float
humidity: float
pressure: float
rainfall: float
# Modbus 客户端交互类
class ModbusClientHandler:
def __init__(self, port, baudrate, stopbits, bytesize, timeout):
self.port = port
self.baudrate = baudrate
self.stopbits = stopbits
self.bytesize = bytesize
self.timeout = timeout
self.client = None
# 异步上下文管理器，用于连接和断开 Modbus 客户端
async def __aenter__(self):
self.client = await ModbusClient(
port=self.port,
baudrate=self.baudrate,
stopbits=self.stopbits,
bytesize=self.bytesize,
timeout=self.timeout,
method="rtu",
)
if not self.client.protocol:
raise ConnectionException(f"无法连接到 {self.port}")
return self
async def __aexit__(self, exc_type, exc, tb):
if self.client:
await self.client.close()
# 通用读寄存器方法
async def read_registers(self, address, count, slave=1):
response = await self.client.read_holding_registers(address, count, slave)
if response.isError():
logging.error(f"Modbus 错误: {response}")
return ["/"] * count
return response.registers
# 获取风速和风级数据
async def get_wind_speed_scale(self):
data = await self.read_registers(address=0x00, count=0x02)
return {"wind_speed": data[0] * 0.1, "wind_scale": data[1]}
# 获取风向数据
async def get_wind_direction(self):
data = await self.read_registers(address=0x00, count=0x02)
return {"wind_direction": data[0]}
# 获取温度、湿度、气压数据
async def get_temperature_humidity_pressure(self):
data = await self.read_registers(address=0x00, count=0x03)
return {
"temperature": data[0] * 0.1,
"humidity": data[1] * 0.1,
"pressure": data[2] * 0.1,
}
# 获取降雨量数据
async def get_rainfall(self):
data = await self.read_registers(address=0x00, count=0x01)
return {"rainfall": data[0] * 0.1}
# 单位矢量平均法计算平均风向
def calculate_average_wind_direction(wind_directions):
# 转为弧度制
wind_directions_rad = [math.radians(d) for d in wind_directions]
# 计算平均值
X_avg = sum(math.sin(d) for d in wind_directions_rad) / len(wind_directions)
Y_avg = sum(math.cos(d) for d in wind_directions_rad) / len(wind_directions)
# 计算风向平均值的弧度
average_wind_direction_rad = math.atan2(X_avg, Y_avg)
# 转回角度制
average_wind_direction_deg = math.degrees(average_wind_direction_rad)
# 出界修正
if average_wind_direction_deg < 0:
average_wind_direction_deg += 360
return average_wind_direction_deg
# 获取并处理分钟实况数据
async def collect_minute_data(clients):
wind_speed_data, wind_direction_data = [], []
temperature_data, humidity_data, pressure_data, rainfall_data = [], [], [], []
for c in range(60):
wind = await clients["wind"].get_wind_speed_scale() # 每秒采样一次风速和风级数据
wind_speed_data.append(wind["wind_speed"])
wind_dir = await clients["wind_dir"].get_wind_direction() # 每秒采样一次风向数据
wind_direction_data.append(wind_dir["wind_direction"])
if c % 10 == 0: # 每6秒采样一次温度、湿度、气压数据
thp = await clients["thp"].get_temperature_humidity_pressure()
temperature_data.append(thp["temperature"])
humidity_data.append(thp["humidity"])
pressure_data.append(thp["pressure"])
if c == 0: # 每分钟采样一次降雨量数据
rainfall = await clients["rain"].get_rainfall()
rainfall_data.append(rainfall["rainfall"])
await asyncio.sleep(1)
# 计算各种平均值和最大值
wind_speed_avg = sum(wind_speed_data) / len(wind_speed_data)
wind_direction_avg = calculate_average_wind_direction(wind_direction_data)
max_wind_speed = max(wind_speed_data)
max_wind_speed_direction = wind_direction_data[wind_speed_data.index(max_wind_speed)]
# 返回分钟数据
return SensorData(
wind_speed_avg=wind_speed_avg,
wind_direction_avg=wind_direction_avg,
max_wind_speed=max_wind_speed,
max_wind_speed_direction=max_wind_speed_direction,
temperature=sum(temperature_data) / len(temperature_data),
humidity=sum(humidity_data) / len(humidity_data),
pressure=sum(pressure_data) / len(pressure_data),
rainfall=sum(rainfall_data) / len(rainfall_data),
)
# 获取并保存分钟实况数据到本地
async def save_minute_data(clients):
while True:
data = await collect_minute_data(clients) # 获取分钟数据
now = datetime.now()
file_name = now.strftime("%Y-%m-%d %H:%M") # 生成文件名
directory = MINUTE_DATA_DIR
if not os.path.exists(directory):
os.makedirs(directory) # 如果目录不存在，则创建目录
try:
# 将数据保存为JSON格式文件
with open(os.path.join(directory, file_name), "w") as file:
json.dump(asdict(data), file, indent=4)
except Exception as e:
logging.error(f"文件错误: {e}")
await asyncio.sleep(60) # 每分钟获取并保存一次
# 根据时段内分钟实况数据产生小时数据
async def collect_hourly_data():
now = datetime.now()
hour_start = now.replace(minute=0, second=0, microsecond=0) # 获取当前小时的起始时间
file_names = [
(hour_start + timedelta(minutes=i)).strftime("%Y-%m-%d %H:%M") for i in range(60)
] # 生成当前小时内所有分钟文件的名称
directory = MINUTE_DATA_DIR
data_points = []
for file_name in file_names:
file_path = os.path.join(directory, file_name)
if os.path.exists(file_path):
try:
with open(file_path, "r") as file:
data_points.append(json.load(file)) # 读取并加载分钟数据
except Exception as e:
logging.error(f"文件错误: {e}")
if len(data_points) < 60:
return None # 如果数据点不足60个，则跳过本次（不产生小时数据）
# 计算各种数据的平均值和最大值
wind_speed = [d["wind_speed_avg"] for d in data_points]
wind_direction = [d["wind_direction_avg"] for d in data_points]
max_wind_speed = max([d["max_wind_speed"] for d in data_points])
max_wind_speed_direction = data_points[[d["max_wind_speed"] for d in data_points].index(max_wind_speed)][
"max_wind_speed_direction"
]
# 返回小时数据
return {
"wind_speed_avg_2min": (sum(wind_speed[-2:]) / 2 if len(wind_speed) >= 2 else "/"),
"wind_speed_avg_10min": (sum(wind_speed[-10:]) / 10 if len(wind_speed) >= 10 else "/"),
"wind_direction_avg_2min": (
calculate_average_wind_direction(wind_direction[-2:]) if len(wind_direction) >= 2 else "/"
),
"wind_direction_avg_10min": (
calculate_average_wind_direction(wind_direction[-10:]) if len(wind_direction) >= 10 else "/"
),
"max_wind_speed": max_wind_speed,
"max_wind_speed_direction": max_wind_speed_direction,
"temperature_avg": sum([d["temperature"] for d in data_points]) / len(data_points),
"humidity_avg": sum([d["humidity"] for d in data_points]) / len(data_points),
"pressure_avg": sum([d["pressure"] for d in data_points]) / len(data_points),
"rainfall_avg": sum([d["rainfall"] for d in data_points]) / len(data_points),
}
# 获取并保存小时数据到本地
async def save_hourly_data():
while True:
await asyncio.sleep(3600) # 每小时获取并保存一次
data = await collect_hourly_data()
if data is None:
logging.warning("数据点不足，跳过本次小时数据生成。")
continue
now = datetime.now()
file_name = now.strftime("%Y-%m-%d %H") # 生成小时文件名
directory = HOUR_DATA_DIR
if not os.path.exists(directory):
os.makedirs(directory) # 如果目录不存在，则创建目录
try:
# 将小时数据保存为JSON格式文件
with open(os.path.join(directory, file_name), "w") as file:
json.dump(data, file, indent=4)
except Exception as e:
logging.error(f"文件错误: {e}")
# 主函数
async def main():
# 注册 SIGINT 退出信号处理器
signal.signal(signal.SIGINT, handle_sigint)
# 采用异步上下文管理器
async with asyncio.TaskGroup() as tg:
clients = {key: await tg.start(ModbusClientHandler(**port)) for key, port in PORTS.items()}
# 创建并启动任务
minute_task = asyncio.create_task(save_minute_data(clients))
hourly_task = asyncio.create_task(save_hourly_data())
# 等待所有任务完成
try:
await asyncio.gather(minute_task, hourly_task)
except asyncio.CancelledError:
logging.info("正在退出")
if __name__ == "__main__":
try:
asyncio.run(main()) # 运行主程序
except (ConnectionException, ModbusException) as e:
logging.error(f"Modbus 错误: {e}")

复制代码

Dispure · 发表于 2024-8-6 19:15

浅冰Column 发表于 2024-8-6 18:08
基于 Python 的气象要素数据获取程序，通过 Modbus-RTU 协议在 RS-485 上与传感器通信。
采用异步来采集和 ...

急急急急急, 速速补代码

浅冰Column · 发表于 2024-8-10 20:52

陆陆续续到货了，再过两天到齐了就开始组装

天高云淡 · 发表于 2024-8-10 21:02

点个赞！

FutureTechnolog · 发表于 2024-8-11 02:42

最贵的居然是钢管么哈哈哈，第一次听说，期待更新

浅冰Column · 发表于 2024-8-11 16:49

本帖最后由浅冰Column 于 2024-8-12 11:08 编辑

测试供电

先爆改一个 12v 电源作为测试时的供电

浅冰Column · 发表于 2024-8-11 17:06

本帖最后由浅冰Column 于 2024-8-11 17:40 编辑

测试风向传感器

将风向传感器的电源正负接入刚刚爆改的测试供电
传感器的 RS485 正负接入 RS485 转 USB 转换器，转换器接入电脑
（因为懒而采用了质量极低的接线手法）

接线示意图

风向传感器测试代码

from pymodbus.client import ModbusSerialClient as ModbusClient
import time
# 初始化客户端
client = ModbusClient(port="com4", baudrate=4800, timeout=3, stopbits=1, bytesize=8)
# 读取风向
def read_wind_direction(client):
# 查询传感器
result = client.read_holding_registers(address=0x00, count=0x02, slave=1)
# 原数缩小 1/10 得到数据
wind_direction = result.registers[0] * 0.1
# 四舍五入至小数点后一位
return round(wind_direction, 1)
def main():
# 连接传感器
client.connect()
try:
while True:
# 每 0.1 秒获取一次数据
wind_direction = read_wind_direction(client)
print(f"风向: {wind_direction}°")
time.sleep(0.1)
finally:
# 无论如何，最后关闭客户端
client.close()
if __name__ == "__main__":
main()

复制代码

完成之后，传感器上电，运行测试代码

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[交流学习] 志愿气象观测站搭建过程记录

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