新型自动站使用手册2.docx
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新型自动站使用手册2
第二部分
新型自动气象站的系统结构与原理
2、新型自动气象站的系统结构与原理
2．1、新型自动气象站应用到的新技术
在新型自动气象站中应到了两项比较新的技术，即：
嵌入式系统技术和外部现场总线技术。
2．1．1、嵌入式系统技术
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。
高性能的CPU一般是指32位CPU，包括：
ARM7系列、ARM9系列以及现在比较新的ARMCortexM3系列或其他系列CPU等。
操作系统嵌入实时性比较好的操作系统，一般可以嵌入：
µC/OS-II、FreeRTOS、µClinux等。
以上操作系统的特点是：
实时性比较好，规模相对比较小，所需要的硬件资源也不大。
但功能相对简单一点。
对于功能要求比较多的可以选用Linux操作系统或WindowCE操作系统。
其特点是：
功能比较齐全，基本上具备标准电脑的全部功能，所构成的系统又称单板电脑。
Linux操作系统是开源的可以从网络上找到；WindowCE在使用时是需要付版权费用的。
外围部件配置基本上按照标准电脑的部件配置，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。
图一、嵌入式系统基本结构图
嵌入式系统的数据综合处理能力非常强大，在新型自动站系统中引入了嵌入式系统，可以大大提高自动气象站的数据处理能力，使很多复杂的数据分析、处理计算功能在数据采集器端得以实现。
嵌入式系统丰富的外设处理单元、多种通讯端口，可以非常方便地实时自动气象站的数据通讯处理、远程访问的功能。
2．1．2、外部总线技术
外部总线是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。
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；外部总线的的电气结构要求简单，而且数据传输要稳定可靠。
目前在实际应用中外部总线的方式有很多种，使用最多的是RS485方式和CAN总线方式，另外应用比较多的还有SDI-12方式。
要想外部总线的结构简单、而且数据传输可靠，基本上都是采用差分信号方式传输，所以数据传输只需要两根线。
RS485和CAN总线都是采用两根线进行数据传输。
因为是传输差分信号，所以采用双绞线跟有利于提高信号传输的可靠性。
以为是所有的设备都挂接在一条通讯线上，因此必须要有一个通讯控制协议，才能够确保数据通讯的稳定可靠。
2．1．2．1、RS485通讯方式
图二、RS485总线的电气连接结构图
RS485方式只能实现一主多从的通讯控制方式，即：
一个主数据控制器处理单元，控制整个系统数据传输的流程，在任何时刻要保证只能由一个设备向总线上传输数据。
RS485方式的特点电气结构更为简单，实现起来比较方面，缺点需要相对比较复杂的软件控制处理协议，用来实现数据通讯控制。
2．1．2．2、CAN通讯方式
CAN总线方式与RS485最大的区别在于，其具有硬件控制机制，由硬件控制器实现在发送数据时出现的冲突管理，确保数据传输的可靠性。
CAN总线的方式特点，电路运行可靠，有专用的控制协议。
缺点实现起来相对比较复杂。
图三、CAN总线的电气连接结构图
2．1．2．3、SDI-12通讯方式
SDI-12主要用于多传感器的数据通讯，有根线构成，+12V直流电源、电源地线和数据线。
2．2、新型自动气象站的系统结构设计
2．2．1、新型自动气象站的结构设计
新型自动气象站采用了最先进的嵌入式系统技术和外部现场总线技术，采用的是“主采集器+外部总线+分采集器+传感器+外围设备”的结构设计方式。
新型自动气象站所采用的“主/分采集器”结构方式，是充分考虑到了能够实现全要素、综合观测的能力，同时具备高性能、多功能的数据处理能力，以及任意扩展的能力。
新型自动气象站的硬件部分，包括：
采集器（1个主采集器和若干个分采集器）、外部总线、传感器、外围设备四部分；其结构如图四所示。
新型自动气象站采用了标准化、开放式的技术路线进行规划设计，从原则意义上讲采集器和传感器的接入处理部件等都遵循了统一设计、统一标准的原则，因此不同厂家的产品是可以进行互换的。
新型自动气象站的软件不包括嵌部分，包括：
嵌入式系统软件和业务应用软件二部分。
嵌入式系统软件承担嵌入式系统的运行管理，各外部设备的运行管理。
嵌入式系统软件使用Linux
业务应用软件专门用于自动站数据采集、处理的操作管理，该软件是Linux操作系统下的应用软件。
外围设备主要包括电源、终端计算机、通信接口和外存储器。
图四、新型自动气象站的结构框图
2．2．2、主采集器的结构设计
新型自动气象站的主采集器是整个系统的核心控制单元集。
整个的系统控制流程、数据处理处理全部主采集器负责完成。
主采集器的处理器采用目前先进的ARM9架构的32位CPU，型号Atmel9263。
另外配加其他外部电路，包括：
SDRAM、CF卡控器、以太网控制器、IDE控制器、USB控制器、CAN总线控制器、串口以及扩展串口控制器等，其构成核心处理单元。
加载Linux操作系统、文件处理系统，同时配接各种外部设备接口，包括：
CF存储卡、RJ45网络端口、USB端口、大容量Flash存储器、多个RS232串口等。
使主采集器的核心处理单元成为一个功能强大单板电脑，因而大大提高了主采集器对数据处理的能力，从而可以满足各种复杂气象探测系统的数据处理要求。
同时在主采集器内部还增加了一个对常规气象要素进行数据探测的数据采集单元。
在主采集器的气象要素数据采集单元中，可以完成对10米的风速、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。
从而进一步扩展了主采集器的功能，可以使主采集器能够独立成为一个高性能的气象数据采集器，构建基本的气象探测系统。
2．2．3、分采集器的结构设计
在新型自动气象站中，按照对观测数据的需求设置的若干个分采集器，用于完成对相关气象要素的数据采样处理。
分采集器的设置是按照观测要素的基本类型进行分类设置的。
在分采集器中主要是按照能够规定时序，完成对相关气象要素的数据采集处理，并通过CAN总线把观测数据传送到主采集器中。
在分采集器的基本结构是一样的，包括数据处理控制器，支持数据处理控制器正常运行的存储器，看门狗，CAN总线，RS232/RS485数据通讯串口，以及相应的数据调理、数据采集接口电路。
其结构框图如图五所示。
图五、分采集器的基本结构框图
2．2．3．1气候观测分采集器
气候分采集器主要应用于与气候观测相关气象要素的数据采集，观测要素包括：
三只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。
3个差分测量通道中，3个用于Pt100温度的测量，2个用于红外地温的测量（目标温度和腔体温度测量）；8个脉冲频率测量通道中，3个用于称重雨量的测量，3个用于强制通风扇的检测，1个用于翻斗雨量的测量，1个用于1.5米风速的测量。
2．2．3．2辐射观测分采集器
辐射分采集器主要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。
2．2．3．3地温观测分采集器
地温分采集器主要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。
2．2．3．4土壤水分观测分采集器
土壤水分分采集器主要应用于与土壤水分观测相关气象要素的数据采集，观测要素包括：
8层土壤水分，即：
5cm、10cm、20cm、30cm、40m、50cm、100cm、180cm土壤水分观测。
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。
2．2．3．5海洋观测分采集器
海洋观测分采集器主要应用于与海洋观测相关气象要素的数据采集，观测要素包括：
表层海水温度、海盐、海表波高、海表流速流向、水质、浮标方向等。
海洋观测分采集器目前还只是一个意向设计，没有完成实际的设计方案。
2．2．3．6其它只能智能传感器
通过串口RS232或RS485方式输出相关的探测数据，观测要素包括：
地下水位、积雪、电线积冰、闪电频率等。
同样目前的智能传感器还没有正式定型的产品。
2．2．3．7温湿度分采集器
在最新完成的新型自动气象站的设计方案中，采用了一个独立的温、湿度分采集器作为空气温度和相对湿度的观测。
温、湿度分采集器和其它分采集器一样通过CAN总线把观测采样数据传送给主采集器，取代了直接接入主采集器的温湿度观测数据。
这样做的目的主要是为了使对温湿度观测的计量检定能够与主采集器完全脱离开，可以进行独立检定。
温湿分采集器相对比较小巧，在对温湿度传感器进行检定时，可以连同温湿分采集器一起进行检定，并对检测误差直接在温湿分采集器中进行修正。
由温湿分采集器在向主采集器进行数据传输时，因为采用的数字量，因此是不会再产生附加的误差。
这样做的结果，一是提高的温湿度观测的测量精度；二是大大提高温、湿度计量检定的功效。
2．2．4、外部总线的结构设计
在新型自动气象站中的主、分采集器之间的数据通讯采用的是CAN（ControllerAreaNetwork，控制器区域网）总线技术。
所涉及到的物理层、数据链路层和应用层的标准定义按照国际标准CANopen协议进行设计，以此凡是满足功能规格书需求的主/分采集器具备统一的物理接口和应用接口，从而达到兼容、互换的目的。
2．3、传感器技术要求
2．3．1、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。
目前采用的都是Vaisala公司的PTB220气压传感器。
传感器接口说明
电源供电电压：
12VDC；
输出信号类型：
RS232串行输出。
串口通讯参数：
波特率2400bps，数据位8，停止位1，无校验。
选择工作方式：
P模式；
数据查询方式：
使用查询命令“P”
数据输出格式：
p1p1p1p1p1p2p2p2p2p2p3p3p3p3p3sssssssspapapapapapppppp
其中：
p1p1p1p1p1、p2p2p2p2p2、p3p3p3p3p3：
分别三个组件的气压测量值，输出值扩大了10倍；
ssssssss：
为平均气压的状态值；
papapapapa：
为平均气压值，输出值扩大了10倍；
pppppp：
为三小时气压变化趋势值，输出值扩大了10倍。
初始设置方法
打开PTB220传感器的机壳，可以看到一个红色的8位DIP拨动开关。
（1）设置串口通讯参数
按照下图所示设置红色的8位DIP拨动开关。
即：
SW1、SW2、SW3、SW4、SW5、SW6、SW7设为OFF；设为SW8ON。
此时PTB220为的出厂的通讯参数：
9600，E，7，1；
接通PTB220的电源，发送以下命令：
seri2400N81F〈cr〉设置PTB220串口通讯参数
reset〈cr〉重新启动PTB220
seri〈cr〉查看所设置的PTB220串口通讯参数是否正确
（2）工作模式设置
按照下图所示设置红色的8位DIP拨动开关。
即：
SW1、SW2、SW3、SW4、SW5、SW8设为OFF；SW6、SW7设为ON。
（3）PTB220通讯线（PTB220传感器输出为DB9孔插座）
DB9针插头：
②Tx数据发送（传感器）
③Rx数据接收（传感器）
⑤GndRS232地
⑦电源地
⑨电源正（10～30VDC）
2．3．2、温度测量传感器
温度传感器用于空气温度、气候温度、草地温度、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。
2．3．3、湿度测量传感器
湿度用于空气的相对湿度观测。
传感器采用湿敏电容方式。
目前采用的都是Vaisala公司的HMP45D温湿度传感器。
传感器接口说明
电源电压：
12VDC；
输出信号类型：
0~1V模拟电压输出。
2．3．4、风速测量传感器
风速传感器用于10米风速和1.5米气候风速的观测。
传感器采用轴式风杯，通过磁码盘或光码盘转换方式。
电源电压：
5VDC。
风速输出信号类型：
频率：
V=0.1f或V=0.2315+0.0495f两种。
2．3．5、风向测量传感器
风向传感器用于10米风速的观测。
传感器采用轴式风向标，通过磁码盘或光码盘转换方式。
电源电压：
5VDC。
风向输出信号类型：
7位数字量（格雷码）。
2．3．6、翻斗式雨量传感器
翻斗雨量传感器用于降水观测。
翻斗雨量传感器分为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的探测，0.5mm的翻斗雨量用于大雨量的探测。
传感器采用翻斗计数转换方式。
接口说明
输出信号类型：
通断信号（两根信号线）；
2．3．7、称重式降水传感器
称重式降水传感器用于固态降水的观测。
传感器采用弦振的转换方式和应变片称重方式。
传感器接口说明
电源电压：
12VDC；
弦振的转换方式的输出信号类型：
1kHz～3kHz的方波脉冲。
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/脉冲。
2．3．8、蒸发测量传感器
蒸发传感器用于大气蒸发量的观测。
（1）浮子式数字水面蒸发传感器
传感器采用水面浮子转换方式。
接口说明
电源电压：
12VDC
输出信号类型：
RS232串行接口；
（2）超声波蒸发传感器
传感器采用超声波测距转换方式。
接口说明
电源电压：
12VDC
输出信号类型：
电流信号（两根信号线）；信号范围：
4～20mA。
2．3．9、红外温度传感器
红外地温传感器用于地表温度的观测。
传感器采用检测红外辐射，并通过传感器腔体温度进行修正的转换方式。
接口说明
电源电压：
2.5V激励电压源
输出信号类型：
目标温度为差分信号（40～60µV/℃）
腔体温度热敏电阻信号
2．3．10、辐射测量传感器
辐射传感器用于总辐射、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、光合有效、大气长波辐射、地面长波辐射观测。
传感器采用电热堆转换方式。
信号输出方式：
10μV～50μV差分信号。
2．3．11、日照传感器
日照传感器用于太阳日照时数的观测。
采用直接辐射测量法计算日照。
2．3．12、能见度测量传感器
能见度传感器用于大气能见度的观测。
传感器采用前向散射探测方式。
接口说明
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。
2．3．13、土壤水分传感器
土壤水分采集器用于土壤水分的观测。
传感器采用时域反射法（TDR法）或频域反射法（FDR法）。
2．4、新型自动气象站的技术指标
2．4．1、气象要素观测技术指标
表2．4．1、气象要素观测技术指标
测量要素
范围
分辨力
最大允许误差
气压
500hPa～1100hPa
0.1hPa
±0.3hPa
气温
-50℃～50℃
0.1℃（天气观测）
±0.2℃（天气观测）
0.01℃（气候观测）
±0.1℃（气候观测）
相对湿度
5%～100%RH
1%
±3%（≤80%）
±5%（＞80%）
露点温度
-60℃～50℃
0.1℃
±0.5℃
风向
0～360°
3°
±5°
风速
0～60m/s
0.1m/s
±（0.5+0.03V）m/s
降水量
翻斗：
雨强0～4mm/min
0.1mm
±0.4mm（≤10mm）
±4%（＞10mm）
称重：
0～200mm
0.1mm
0.1%FS
地表温度
-50℃～80℃
0.1℃
-50～50℃：
±0.2℃
50～80℃：
±0.5℃
红外地表温度
-50℃～80℃
0.1℃
±0.4℃
浅层地温
-40℃～60℃
0.1℃
±0.3℃
深层地温
-30℃～40℃
0.1℃
±0.3℃
日照
0～24h
1min
±0.1h
总辐射
0～1400W/m2
5W/m2
±5%（日累计）
净辐射
-200-1400W/m2
1MJ/m2d
±0.4MJ/m2d（≤8MJ/m2d）
±5%（＞8MJ/m2d）
直接辐射
0～1400W/m2
1W/m2
±1%（日累计）
散射辐射
5W/m2
±5%（日累计）
反射辐射
5W/m2
±5%（日累计）
UV
0-200W/m2
0.1W/m2
±5%（日累计）
UVA
0-200W/m2
0.1W/m2
±5%（日累计）
UVB
0-200W/m2
0.1W/m2
±5%（日累计）
光合有效辐射
2-2000µmolm-2s-1
1µmolm-2s-1
±10%（日累计）
大气长波辐射
0-2000W/m2
1W/m2
±5%（日累计）
地球长波辐射
0-2000W/m2
1W/m2
±5%（日累计）
蒸发量
0～100mm
0.1mm
±0.2mm（≤10mm）
±2%（＞10mm）
土壤水分
0-100%土壤体积含水量
1%
±1%（≤40%）
±2%（＞40%）
地下水位
0-2000cm
1cm
±5cm
能见度
10～70000m
1m
±10%（≤10000m）
±20%（＞10000m）
云量
云高
60-7500m
1m
±5m
积雪深度
电线积冰厚度
天气现象
冻土深度
闪电频次
浮标方位
0～360°
海温
0-32℃
0.1℃
±0.2℃
海水盐度
2.8S-3.6S
0.1S（实用盐度单位）
±0.2‰
海水电导率
0.01mS/cm
波高
0.2-25m
0.1m
±3%
波周期
0.1s
波向
1°
表层海洋面流速
0.1m/s
海水浊度
1NTU（散射浊度单位）
海水叶绿素浓度
1μg/L
2．4．2、气象观测要素采样频率
表2．4．2、测量要素采样频率
测量要素
采样频率
计算平均值
计算累计值
计算极值
气压
30次/min
每分钟算术平均
-
小时内极值及出现时间
气温
湿度
草温
地温
辐射（辐照度）
小时累计值（曝辐量）
辐射传感器腔体温度
-
-
通风防辐射罩通风速度
1次/min
每分钟、小时平均
-
-
日照
1次/min
-
每分钟、小时累计值
-
风速
4次/s
以0.25s为步长求3s滑动平均值；以1s为步长（取整秒时的采样值）计算每分钟的1min、2min算术平均；以1分钟为步长（取1min平均值）计算每分钟的10min滑动平均
-
每分钟、每小时内3s极值（即极大风速）；每小时内10min极值（即最大风速）；小时内极值对应时间
风向
1次/s
计算1min、2min平均；以1min为步长（取1min平均值）计算每分钟的10min平均
-
对应极大风速和最大风速时的风向
降水量
1次/min
-
每分钟、小时累计值
-
蒸发量
6次/min
每分钟水位的算术平均
能见度（气象光学视程）
4次/min
每分钟算术平均
-
小时内极值及出现时间
土壤水分（体积含水率）
6次/min
每分钟、小时算术平均
-
-
云高
每小时
云量
每小时
地下水位
6次/min
每分钟水位的算术平均
-
积雪深度
雪压
天气现象
1次/min
浮标方位
1次/s
-
-
-
海温
30次/min
每分钟算术平均
-
小时内极值及出现时间
表层海水盐度
30次/min
-
表层海水电导率
30次/min
-
波高
30次/min
小时内极值及出现时间
波周期
30次/min
-
波向
1次/s
-
表层海洋面流速
1次/s
-
潮高
6次/min
小时内极值
海水浊度
30次/min
-
海水叶绿素浓度
30次/min
-
2．4．3、其它技术要求指标
（1）系统配接GPS授时器，能够确保系统时钟的准确性；
（2）系统具有以太网络RJ45的接口，可以通过网口对采集系统进行访问；
支持WEB访问、telnet、FTP等网络功能。
（3）支持大容量CF卡，可以大量存储观测数据文件，至少能够存储6个月全要素分钟数据和小时，数据文件采用标准的FAT结构方式。
（4）与终端计算机的通讯采用串口直接连接方式，或远程无线传输方式。
（5）系统运行环境方面，-要满足-40～80℃温度环境和0～100%的相对湿度环境下，系统工作运行良好。
（6）电源供电采用+12VDC方式，可采用交流、太阳能或风能充电方式，补充电能。
交流电源电压：
AC220V±10%；采集器供电：
DC7～15V；主采集器功耗：
<2W；分采集器功耗：
<0.5W；电源供电系统满足5天无日照连续工作。
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