新型自动站原理及系统结构

DZZ5新型自动气象站2012年12月19日一总体概述1.1

总体概述

根据2009～2010年考核试验结果，中国气象局对新型自动气象站进行产品定型；考核站型比较完整，定型产品只对其中的一部分进行了定型；定型部件包括：主采集器系统+常规六要素，地温分采集器系统+10层地温传感器，辐射分采集器。按照气象行业的标准，华云公司的新型自动气象站产品的型号命名为DZZ5。原型号CAWS3000型自动气象站，包括：主采集器、分采系统（温湿、气候、辐射、地温、土壤水分），观测要素几乎包含地面观测的全部要素。1.2新型站的优点及对比功能强，综合处理能力强数据处理速度快，数据处理功能强，数据存储量大，采用文件系统存储记录数据，增加了数据质量控制信息。支持多串口、多种通讯方式、支持WebServer访问功能等等。扩充方便通过外部总线技术，可以实现采集系统的随意扩展及裁减。常规六要素可以实现独立标定风速、风向、温度、湿度、雨量、气压可以实现脱离采集器系统，对传感器独立进行标定。1.3

实际应用CAWS3000（DZZ5）自动气象站可以应用于国气象局的下一代国家级基准站、基本站等。一、双套站试验项目:六要素+蒸发+地温，布设双套站，互为备份。二、山洪泥石流监测中多要素站:主要包括：四要素～六要素站。三、区域站改造:主要包括：四要素～六要素站+能见度等。四、业务台站的升级改造1.4

新型站的优点及对比1.5功耗及存储要求主采集器功耗不大于2W，分采集器功耗不大于0.5W，温湿智能测量传感器功耗不大于0.25W。主采集器内部存储容量：存储1小时的采样瞬时值、7天的瞬时气象（分钟）值、1月的正点气象要素值，以及相应的导出量和统计量等。采集数据的外存储器（卡）：以文件方式进行存储，能够存储至少6个月全要素分钟数据，全部数据以FAT的文件方式存入，终端计算机通过通用读卡器可方便读取。1.6

供电要求自动气象站的供电电源为12V蓄电池。由辅助电源对蓄电池浮充电，一般优选市电作为辅助电源；无市电的地方，辅助电源为太阳能电池板。蓄电池的容量必须保证自动气象站能在脱离辅助电源的条件下连续工作7天。并在蓄电池电压低到不足以维持符合质量要求的观测工作前两天发出报警信息。使用市电做辅助电源的，市电电压允许波动范围为220V±30%，并提供市电断电及时报警功能。1.7嵌入式系统在新型自动气象站中应用了两项较新的技术，即：嵌入式系统技术和外部现场总线技术。嵌入式系统是以高性能CPU数据处理器为核心处理器嵌入操作系统，配置相关的外围组件，构成单板电脑系统。外围部件配置包括：Flash存储器、RAM存储器、CF卡（或SD卡）存储器、以太网络接口电路以及TCP/IP通讯协议、USB通讯端口、多个RS232/RS485串口、CAN总线。新型自动气象站系统结构设计嵌入式采集系统基本结构图1.8外部总线外部总线用来连接各个数据处理控制、数据处理单元，并完成数据传输、通讯处理功能。外部总线的功能就是实现多个数据处理控制、数据处理单元之间的数据通讯；外部总线的电气结构要求简单，而且数据传输要稳定可靠。目前使用最多的是RS485方式和CAN总线方式。CAN通讯方式RS485通讯方式二系统结构CAWS3000（DZZ5）型自动气象站由主采集器加气候分采集器、辐射分采集器、地温分采集器和土壤水分分采集器构成系统。

采集器之间采用CAN总线进行数据通讯。

主采集器系统与终端计算机采用长线进行串口数据通讯。

整个系统供电由交流电转+12VDC作为主电源，配蓄电池作为后备电源。

三、采集系统CAN总线通讯连接供电系统结构2.1

主采集器结构采用ARM9架构32位微处理器，运行Linux操作系统，并加载文件系统。

为整个系统的核心控制单元。承担系统时序流程控制、接收各分采集器的测量数据，对测量数据进行各种计算、存储、传输处理。在主采集器内部的常规气象要素数据采集单元，可以完成对风速、风向、空气温度、相对湿度、降水（0.1mm的翻斗式雨量）、气压、蒸发、总辐射以及能见度气象要素的观测数据采集。雨量风速风向蒸发气压地温现场调试用串口供电气温湿度主采集器系统CAWS3000主采集器长线驱动器CAN总线网路计算机终端计算机现场调试计算机长线电缆长线电缆+12VDC主采集器电路接线图3.1、主采集器结构数据采集单元的最小基本结构数据采集单元的最小基本结构新型自动气象站主采集器与终端计算机连接方式新型自动气象站主采集器与终端计算机连接图2.2

分采集器根据观测内容及需求设置分采集器。分采集器采用ARM7架构的32位微处理器或单片机系统。把观测类型相对一致的观测要素集中到一起，由某个分采集器完成相关的数据采集。分采集器一般只完成相关的数据测量采集，并传送给主采集器。2.2.1地温观测分采集器应用于与地温观测相关气象要素的数据采集。观测要素包括：地表温度、草地温度、5cm地温、10cm地温、15cm地温、20cm地温、40m地温、80cm地温、160cm地温、320地温。地温分采集器的测量通道包括12个带2mA恒流源的差分测量通道，其中10个用于Pt100地温测量。深层地温浅层地温CAN总线CAN总线现场调试计算机+12VDCCAWS3000-ST地温分采集器地温分采集器电路接线图2.2.2气候观测分采集器主要用于与气候观测相关气象要素的数据采集。观测要素包括：带强制通风的温度传感器、翻斗雨量传感器（0.5mm的翻斗雨量）、称重雨量传感器（3只T200B弦振式的称重雨量）、1.5米风速传感器、红外地温传感器另外还包括3只强制通风扇的转速检测。气候分采集器的测量通道包括3个差分测量通道和8个脉冲频率测量通道。CAN总线现场调试计算机+12VDCCAWS3000-CL气候分采集器

内部结构气候分采集器电路接线图2.2.3辐射观测分采集器应用于与辐射观测相关气象要素的数据采集。观测要素包括：总辐射、净辐射、直接辐射、反射辐射、散射辐射、紫外A辐射、紫外B辐射、地面长波辐射（包括腔体温度）、大气长波辐射（包括腔体温度）、光合有效辐射以及日照。辐射分采集器的测量通道包括12个差分测量通道，用于10个辐射要素和2个Pt100腔体温度测量。CAN总线现场调试计算机+12VDCCAWS3000-RA辐射分采集器辐射分采集器电路接线图2.2.4土壤水分观测分采集器应用于与土壤水分观测相关的气象要素的数据采集。观测要素包括：8层土壤水分，具体层次可选。土壤水分分采集器的测量通道包括12个差分测量通道，其中8个用于8层土壤水分的测量。CAN总线现场调试计算机+12VDCCAWS3000-SM土壤水分分采集器土壤水分分采集器电路接线图2.2.5温湿度水分观测分采集器主要应用于百叶箱空气温度和相对湿度气象要素的数据采集。观测要素包括：空气温度、相对湿度。温度测量湿度测量调试串口CAN端口+12VGnd*+-R*+-RRxTxGndHL+12VGndCAWS3000-TH温湿度分采集器CAN总线+12VDC现场调试计算机温度传感器Pt100湿度传感器湿敏电容三传感器系统3.1

气压测量传感器气压传感器用于测量大气气压。传感器采用硅压组转换方式。采用Vaisala公司的PTB210气压传感器。电源电压：12VDC；精度：±0.15hPa输出信号类型：RSR232串口输出，对应500～1100hPa。3.2

温度测量传感器温度传感器用于空气温度、

草面温度、地表温度、浅层

地温和深层地温观测。传感器采用Pt100铂电阻转换方式。采取加载2mA恒流源激励，四线制测量方式。铂电组值范围：80～120Ω，对应-40℃~80℃。4.2、温度测量传感器3.3

湿度测量传感器用于空气的相对湿度观测。传感器采用聚合物薄膜电容方式。采用维萨拉公司HMP155温湿度传感器。工作电压：12VDC（工作范围7~35VDC）；输出信号类型：0～1V模拟电压输出，对应0%~100%湿度。3.4

风速测量传感器风速传感器采用三杯式回转架，信号变换电路为霍尔开关电路。在水平风力的作用下，风杯组旋转，通过主轴带动磁棒盘旋转，其上的36个磁体形成18个小磁场，风杯组每旋转一圈，在霍尔开关电路中感应出18个脉冲信号，其频率随风速的增大而线性增加。工作电压：5VDC。输出信号类型：0~122Hz方波频率：V2.96+0.49-0.0000017F23.5

风向测量传感器风向传感器采用轴式风向标，通过磁码盘或光码盘转换方式。工作电压：5VDC。风向输出信号类型：7位数字量（格雷码）5VDC输出。3.6

翻斗式雨量测量传感器分为0.1mm和0.5mm翻斗雨量传感器两种，其中0.1mm的翻斗雨量用于普通雨量探测，0.5mm的翻斗雨量用于大雨量探测。承水口径：200mm。传感器采用翻斗计数方式。测量范围：0~4mm/min。输出信号类型：脉冲（通断）信号，1脉冲=0.1mm降水。3.7

超声波蒸发测量传感器AG型超声波蒸发传感器采用超声波测距转换方式。工作电压：10~15VDC。输出信号类型：AG2.0型：0~5V对应0~100mmAG2.0B型：4~20mA对应0~100mm安装在百叶箱内，与蒸发桶之间用铝塑管和管件组成连通器。3.8

称重式雨量测量传感器用于固态降水的观测。采用弦振的转换方式和应变片称重方式。电源电压：12VDC；弦振的转换方式的输出信号类型：1kHz～3kHz方波脉冲。应变片称重方式的输出信号类型：模拟电压或单脉冲信号0.1mm。3.9

能见度测量传感器用于大气能见度的观测。采用前向散射探测方式。电源电压：12VDC或220VAC两种输出信号类型：RS485输出（A、B两个信号线）通信参数：波特率1200bps，数据位8，停止位1，无校验。输出方式：查询方式。四供电系统4.1

交流电源系统交流供电电源系统由空气开关、防雷器、电源控制器和免维护电池组成。系统中使用的电源控制器，采用传导冷却方式的AC/DC线性电源，以可靠性高和纹波电压小为特长，适用于各种模拟电路、A/D转换、各类放大器及高精度测量仪器设备中。4.2

电源控制器特点低纹波系数高可靠性宽工作温度高隔离电压安装使用简单螺钉直接固定技术参数输出电压：13.8V输出电流：2A4.3

免维护电池电解液的消耗量非常小，在使用寿命内基本不需要补充蒸馏水。还具有耐震、耐高温、体积小、自放电小的特点。使用寿命一般为普通蓄电池的两倍。4.4

太阳能电池板太阳能电池板是自动站电源系统中的核心部分，它作用是将太阳的辐射能力转换为电能，为蓄电池充电，同时当电池电压不足时，为自动站提供工作的能量。安装：

将太阳能电池板固定在太阳能板支架上。把可调节支架对接在固定支架上,用内六角螺钉固定.将固定好的太阳能电池板支架朝南固定在立杆上。将横臂安装在可调节支架上。注意：在不同的纬度安装太阳能板，角度不同。由于中国大部分处于温带，一般与地面夹角为40到60度之间即可，在纬度很高的地方，角度可适当调节。

4.5

太阳能电源控制器接线方式如图所示。电源控制器右上角LED状态灯代表免维护电池的电量情况：红：电池空黄：正在充电绿：已充满注意：使用时请将保险管插上，刀片开关合上，反之为关闭直流电源状态。五通讯系统5.1有线通讯系统串口隔离器终端输出RS232端口终端计算机通讯线接线端子5.2

防雷板防雷板将各路传感器的信号传输到数据采集器，并提供防感应雷击和电源过载保护，以避免自动站由于过长的信号传输电缆所带来的干扰和损坏。雷击、交流供电突变可能会对防雷板造成损坏。温湿度(1-7)雨量(8-9)风速(12)风向(13-19)蒸发(24-26)地温分采(20-23)5.3

无线通讯系统CAWS-TG系列通信服务器安装在自动站采集器机箱内部。支持TCP/IP、GPRS或CDMA数据通信方式和GSM短消息数据通信方式，并且这两种方式之间可互为备份。可按照设定的工作参数，定时从采集器下载实时气象要素观测数据，并依照特定的通信协议格式，通过无线网络发送给前端计算机（或中心站服务器），同时接受前端计算机（或中心站）的控制指令，完成特定的任务操作（如提取历史数据等），该设备还具有自动站电源监测功能、短信实时气象数据报告等功能。外接天线接口用于连接外接天线的接口，在连接外接天线时要注意外接天线的插针是否完好，连接天线过程中检查螺纹配合是否顺畅，只有连接良好的天线才可以保证设备正常工作。通讯服务器电源接口电源接口提供整个设备的供电，采用2芯5.08mm插座，接线方式如上图示，输入电压范围应控制在6至15V。无线通讯系统安装与连接1．确认采集器的供电系统完好，可以提供通讯服务器所需要的电源，通讯服务器的平均工作电流为30-40mA。2．连接天线。将专用串口线一端连接至电源，另一端连接采集系统，该操作要保证在断电条件下进行。正确连接电源接口，设备即上电启动。工作参数配置通讯服务器安装完毕后，应进行参数配置，才能够保证数据的正常上报和接收。利用串口工具软件进行参数配置，串口默认设置为波特率4800，校验位无，数据位8，停止位1。GPS授时单元GPS授时单元接入RS232-35.4

GPS授时单元六常见故障判断及处理主要原因：⑴空气开关跳开；⑵交流电（或太阳能电池板）接入不正常。⑶蓄电池故障，故障原因包括：超时间使用、低温使用、过放电。6.1电源故障主要原因：⑴串口通讯隔离器故障，检查更换串口通讯隔离器。⑵通讯电缆出现断路和断路，检查通讯电缆。⑶采集器串口出现故障，使用测试线连接采集器的主通讯串口和笔记本电脑串口，检查采集器的主通讯串口是否正常。(4)软件通讯参数设置错误。6.2终端通讯故障主要原因：⑴传感器故障，使用万用表直接测量传感器的电阻值，根据实际温度和测量的电阻值，大致判断传感器是否正常。⑵采集器测量通道故障，可以把标准电阻按照四线制方式，接入采集器测量通道，检查测量通道测量的温度测量值是否与标准电阻值对应的温度一致。⑶接线故障，检查接线，看看是否有虚接或未按大小电阻连接的现象，另外要检查屏蔽线是否接好。(4)防雷通道元件损坏。6.3温度测量值异常（气温、地温）主要原因：⑴传感器故障，使用万用表测量检查传感器的供电是否正常，根据实际湿度检查传感器的输出电压信号是否正常。⑵采集器测量通道故障，在采集器测量通道加载0~1V的直流电压，检查测量通道测量的湿度测量值是否与加载电压对应的湿度一致。⑶接线故障，检查接线，看看是否有虚接的现象，另外要检查屏蔽线是否接好。(4)湿度供电电压故障，检查给湿度传感器供电是否正常。(5)防雷通道元件损坏。6.4湿度测量值异常主要原因：⑴传感器故障，检查雨量筒是否有堵塞现象，检查翻斗在反转时干簧管是否正常吸合，使用标准雨量量杯检查雨量翻斗数是否正常。⑵测量通道故障，使用导线搭碰测量通道的输入端子，检查采集器测量通道的计数是否正常。⑶接线故障，检查接线，看看是否有虚接的现象，另外要检查屏蔽线是否接好。(4)防雷通道