Реферат по теме магистерской работы
"Исследование закономерностей формирования погодных параметров на территории города Донецка. Разработка визуальных методов оценки состояния погоды"
Введение
1 Актуальность исследования
1.1. Цель работы и научная новизна
1.2. Задачи работы
1.3. Планируемые практические результаты
2. Разработка устройства
3. Заключение
4. Литература
Введение
К концу XX столетия мировое метеорологическое сообщество достигло выдающихся успехов в краткосрочном и среднесрочном прогнозировании погоды. К таким успехам можно отнести:
- научные достижения в понимании глобальных атмосферных процессов и динамики атмосферы, в математическом описании поступающей от Солнца радиации, переноса, отражения, поглощения коротковолнового и длинноволнового излучения, процессов конденсации и испарения, таяния/замерзания осадков, механизмов перемешивания воздушных масс, включая конвекцию и турбулентность, процессов взаимодействия с сушей и океаном;
- разработку в ряде стран глобальных, региональных и мезомасштабных гидродинамических численных моделей общей циркуляции атмосферы, позволяющих прогнозировать поля метеорологических элементов на 5-7 суток с приемлемой для многих потребителей точностью;
- создание в крупных метеорологических центрах, оснащенных мощной вычислительной техникой уникальных технологий, позволяющих внедрить эти модели в оперативную практику;
- создание и организацию непрерывного функционирования глобальных международных систем наблюдений, телесвязи и обработки данных, позволяющих осуществлять наблюдение за погодой, передачу данных наблюдений в метеорологические центры и распространение продукции в прогностические центры Национальных метеорологических служб.
1. Актуальность
Погода имеет очень важное значение в человеческой жизни. С развитием цивилизации важность прогноза погоды для человечества только продолжает увеличиваться. Практически каждый человек принимает относящиеся к погоде решения ежедневно, иногда незначительные, иногда огромной важности.
Несмотря на значительные усилия метеорологов в области прогноза погоды, информация о состоянии погоды все еще бывает недостаточной и недостоверной. [1]На протяжении большей части истории, прогнозирование на определенном участке зависело исключительно от наблюдений, которые могут быть сделаны на этом участке. Наблюдения неба, ветра и температурных условий, а также знание местной истории – лишь ограниченные возможности. Погодные знания также накапливаются при попытках кодифицировать очевидную закономерность в поведении атмосферы.
С развитием телеграфа в середине 1800-х годов, синоптики смогли получать наблюдения из многих отдаленных мест в течение нескольких часов после сбора таких данных. Эти данные впоследствии могут быть организованы в так называемые синоптические карты погоды, что означает отображение данных о погоде, происходящей в то же самое время на местности. Это были предшественники синоптических карт погоды, производимых сегодня. Физических основ атмосферных движений еще не было, однако было понятно, что прогноз будет зависеть от различных эмпирических правил. Наиболее фундаментальные правила, разработанные в этот период – погодные системы и осадки в районах низкого давления.
Прогнозирование погоды пережило революцию в 1920-х годах в работах группы норвежских ученых во главе с Бьеркнесом Вильгельмом. Бьеркнес ввел полярный фронт теории, объясняющей крупномасштабные движения воздушных масс. Его группа ввела эмпирические основы описания системы атмосферной циркуляции, циклоны и антициклоны, формирования осадков. [2]
Очень большое число происходящих в мире явлений, в том числе и атмосферных, описывается с помощью временных рядов. Текущее состояние погоды обычно фиксируется через равные промежутки времени, образуя, таким образом, набор взаимосвязанных рядов метеовеличин. Именно поэтому попытка анализа и прогноза имеющихся метеорологических данных является вполне естественной. Исследование начинается с рассмотрения имеющейся информации о погоде, получения данных с метеостанции и их систематизации. Далее применяется один или несколько методов анализа имеющихся временных рядов наблюдаемых метеовеличин. [3]. Далее необходимо классифицироваь все данные и рассортировать для удобной работы. Затем представить в виде, удобном для чтения различными устройствами, используя различные методы.
В качестве примера устройства предложено использовать Arduino. Arduino — аппаратная вычислительная платформа, основными компонентами которой являются простая плата ввода/вывода и среда разработки на языке Processing/Wiring. Arduino может использоваться как для создания автономных интерактивных объектов, так и подключаться к программному обеспечению, выполняемому на компьютере (например, Adobe Flash, Processing, Max/MSP, Pure Data,SuperCollider).
Плата Arduino состоит из микроконтроллера Atmel AVR (ATmega328P и ATmega168 в новых версиях и ATmega8 в старых), а также элементов обвязки для программирования и интеграции с другими схемами. На многих платах присутствует линейный стабилизатор напряжения +5В или +3,3В. Тактирование осуществляется на частоте 16 или 8 МГц кварцевым резонатором (в некоторых версиях керамическим резонатором[4]). В микроконтроллер предварительно прошивается загрузчик BootLoader, поэтому внешний программатор не нужен.
На концептуальном уровне все платы программируются через RS-232 (последовательное соединение), но реализация этого способа отличается от версии к версии. Плата Serial Arduino содержит простую инвертирующую схему для конвертирования уровней сигналов RS-232 в уровни ТТЛ, и наоборот. Текущие рассылаемые платы, например, Diecimila, программируются через USB, что осуществляется благодаря микросхеме конвертера USB-to-Serial FTDI FT232R. В версии платформы Arduino Uno в качестве конвертера используется микроконтроллер Atmega8 в SMD-корпусе. Данное решение позволяет программировать конвертер так, чтобы платформа сразу определялась как мышь, джойстик или иное устройство по усмотрению разработчика со всеми необходимыми дополнительными сигналами управления. В некоторых вариантах, таких как Arduino Mini или неофициальной Boarduino, для программирования требуется подключение отдельной платы USB-to-Serial или кабеля. [4]
1.1. Цель работы и научная новизна
Целью работы является анализ и выбор методов обработки метеорологических данных. Разработка способа получения данных на устройство ввода вывода. Разработка устройства для вывода информации и обратной связи средствами Arduino.
1.2. Задачи работы
Для достижения поставленной цели в процессе исследований необходимо:
Обзор проблемы анализа методов мониторинга метеопараметров.
Анализ влияния отдельных параметров на состояние здоровья человека*
Составление баз данных выборочных параметров и их оптимизация.
Сборка устройства и разработка программного кода для платформы.
Разработка системы, удовлетворяющей удобству использования.
1.3. Планируемые практические результаты
Дальнейшее направление нашей научной работы связано с использованием платформы Arduino и изучением синтаксиса, а также приемов работы с данными и их приемом\передачей.
2. Разработка устройства
Для реализации задачи необходим определенный набор компонентов и программного обеспечения. Во первых сама плата Arduino Uno на основе ATmega328 (Используется конвертер USB-UART на базе ATmega16U2 [4]) (Рис. 1) .
Рисунок 1. Плата Arduino Uno
Характеристики данной платы [5]:
|
Microcontroller |
ATmega328 |
|
Operating Voltage |
5V |
|
Input Voltage (recommended) |
7-12V |
|
Input Voltage (limits) |
6-20V |
|
Digital I/O Pins |
14 (of which 6 provide PWM output) |
|
Analog Input Pins |
6 |
|
DC Current per I/O Pin |
40 mA |
|
DC Current for 3.3V Pin |
50 mA |
|
Flash Memory |
32 KB (ATmega328) of which 0.5 KB used by bootloader |
|
SRAM |
2 KB (ATmega328) |
|
EEPROM |
1 KB (ATmega328) |
|
Clock Speed |
16 MHz |
Arduino Ethernet – это плата микроконтроллера на базе ATmega328 (Рис. 2). Она имеет 14 цифровых входных/выходных выводов, 6 аналоговых входов, кварцевый генератор на 16 МГц, подключение RJ45, разъем питания, соединитель ICSP, и кнопку «Reset». Arduino Ethernet отличается от других плат тем, что на нем нет встроенной микросхемы драйвера USB/serial, зато имеется интерфейс Wiznet Ethernet. Это тот же интерфейс, что находится на Ethernet-плате расширения.
Встроенный кард-ридер microSD, который можно использовать для хранения файлов и работы с ними по сети, доступен с использованием библиотеки SD Library. Вывод 10 зарезервирован для интерфейса Wiznet, SS для SD-карты выведен на 4 ножку.
6-контактный последовательный разъем программирования совместим с USB/Serial –адаптером а также с FTDI USB-кабелями или основными переходными платами USB/Serial FTDI-типа Sparkfun и Adafruit. Его отличает поддержка автоматического сброса, позволяющая загружать скетчи, не нажимая кнопку Reset на плате. При подключении к USB/Serial –адаптеру Arduino Ethernet питается от адаптера.
С его помощью можно создать скетч, который будет способен:
• получать динамический IP-адрес по DHCP;
• устанавливать время по протоколу NTP;
• резолвить имена через DNS;
• проходить авторизацию через RADIUS;
• выполнять функции несложного Web-сервера или выступать в качестве Web-клиента, формируя запросы и осуществляя парсинг ответов.[6]
Рисунок 2. Arduino Ethernet
LCD экрана на две строки (Рис. 3) должно вполне хватить для поставленной задачи вывода данных на экран, полученных из базы данных.
Рисунок 3. LCD keypad shield
Также на этом модуле имеются клавиши навигации, которые можно использовать для выполнения функций или пролистывания по параметрам.
Модуль основан на микросхеме MCP23S17/MCP23017, для которой необходимо выбрать младшие три бита адреса на шине SPI/I2C. Биты выбираются с помощью перемычек на разъеме Address притягиванием битов 0, 1, 2 к "земле" (Gnd) или +5В (5V).
Адрес каждой микросхемы должен быть уникальным, и на одной шине можно разместить до 8 микросхем.
Таким образом, возможно, к примеру, подключение к плате Arduino восьми модулей LCD Keypad Shield, или четырех модулей LCD Keypad Shield и двух Expander Shield. Если применять I2C версии модулей, то вся конструкция будет задействовать всего 2 вывода платы Arduino!
При подключении нескольких модулей LCD Keypad Shield сами ЖК-дисплеи могут подключаються, например, с помощью шлейфов от дисковода, и угловых вилок PLS-16R.
При подключении нескольких модулей следует обратить внимание на то, что подсветка потребляет довольно большой ток - порядка 100-150 мА.
Управление подтяжкой шины I2C
Для I2C модификации модуля с помощью перемычек в левой части разъема XS включаются или отключаются резисторы, подтягивающие шину к +5В. Как правило, подтягивающие резисторы должны быть подключены если на шине I2C только одно устройство. Если устройств несколько, то резисторы подключаются только у одного из устройств.
Ниже представлено состояние перемычек при включенных подтягивающих резисторах и при отключенных . Также, для отключения подтягивающих резисторов можно просто снять перемычки.
Выбор номера вывода для управления сигналом CS шины SPI
Для SPI модификации модуля необходимо выбрать вывод микроконтроллера Freeduino/Arduino, используемый в качестве сигнала CS. Обычно используется вывод 10, что соответствует крайнему левому положению перемычки на разъеме CS. Переставляя перемычку на одно из двух других положений, возможен выбор 9 и 8 вывода соответственно.
Настройка контрастности дисплея
Для настройки контрастности дисплея используется подстроечный резистор R3. При неправильно настроенной контрастности на дисплее может быть совсем не видно символов, или видно очень плохо.
Основная концепция заключается в передаче необходимых данных о погоде, исходя из временных рядов и разработке обратной связи с сервером, для сбора статистики(Рис.4)
Рисунок 4. Принцип работы (Анимация, 31 кадр, 7 повторений, 149кб)
Код находится в процессе разработки, но некоторые основные функции, используемые при создании веб-клиентаприводятся ниже:
#include SPI.h
#include Ethernet.h
byte mac[] = {
0xDE, 0xAD, 0xBE, 0xEF, 0xFE, 0xED };
IPAddress ip(192,168,1,177);
IPAddress server(1,1,1,1);
EthernetClient client;
void setup() {
Ethernet.begin(mac, ip);
Serial.begin(9600);
while (!Serial) {
}
delay(1000);
Serial.println("connecting...");
if (client.connect(server, 10002)) {
Serial.println("connected");
}
else {
Serial.println("connection failed");
}
}
void loop()
{
if (client.available()) {
char c = client.read();
Serial.print(c);
}
while (Serial.available() > 0) {
char inChar = Serial.read();
if (client.connected()) {
client.print(inChar);
}
}
if (!client.connected()) {
Serial.println();
Serial.println("disconnecting.");
client.stop();
while(true);
}
}
Заключение
Во время работы были изучены закономерности формирования погодных условий.
В данной статье рассматривается идеология построения прогностической модели погоды, основанной на обработке временных рядов.
Исследование начинается с рассмотрения имеющейся информации о погоде, получения данных с метеостанции и их систематизации. Далее применяется один или несколько методов анализа имеющихся временных рядов наблюдаемых метеовеличин. Это, например, визуальный анализ в виде графиков зависимости переменной от времени, восстановление фазовой траектории, спектральный и статистический анализ.
Далее следует наиболее сложный и творческий этап – формирование структуры модели. На этом этапе выбирается тип уравнений, вид входящих в них функций и их аргументов. Задача определения аргументов функции состоит в том, чтобы определить наименьшую размерность модели, обеспечивающую однозначность прогноза.
Проанализированы различные методы мониторинга и методы создания баз данных метеопараметров. Изучены основы, приемы и руководства по программированию и сборке на платформе Arduino.
Результатом стало полученное устройство вывода информации с обратной связью и все сопутствующие материалы.
При написании данного автореферата магистерская работа еще не завершена. Окончательная готовность работы – декабрь 2013 года.
Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.
Литература
1. Повзло С.А., Аверин Г.В. Донецкий национальный технический университет - «РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ МЕТЕОПАРАМЕТРОВ АТМОСФЕРЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ СРЕДСТВ, РАБОТАЮЩИХ В РЕАЛЬНОМ МАСШТАБЕ ВРЕМЕНИ»[Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://masters.donntu.ru/2006/fvti/povzlo/library/articles/art1.htm
2. Джордж Хаффман, перевод Каховский Д.А. - «Прогнозирование погоды», [Электронный ресурс]. – Режим доступа: ../library/article10.html
3. Погода и климат: Статья. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.primpogoda.ru/articles/prosto_o_pogode/pogoda_i_klimat/
4. Вводная статья об Arduino, [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/Arduino
5. Arduino. Характеристики оборудования. Классификация. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardUno
6. Arduino Ethernet. Обзор модуля. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.arduino.ru/Hardware/ArduinoBoardEthernet