李雪松

（四川省氣象探測數(shù)據(jù)中心，四川 成都 610072）

0 引 言

現(xiàn)今使用的自動氣象站主要分為臺站式、車載式、便攜式和教學(xué)式等。臺站式站點設(shè)備繁雜、安裝維護(hù)難度較大并且專業(yè)性強(qiáng)，車載式自動站雖相對簡便，但材質(zhì)的使用和集成化的模塊使得價格昂貴，便攜式自動站的特點是便于運輸和安裝，同時具備許多無線通信模塊增加了費用，教學(xué)式自動站主要用于教學(xué)，裝備齊全易于操作，但數(shù)據(jù)取用不方便且升級能力不高。集中各類傳感器的優(yōu)缺點，樓載式自動站具有設(shè)備簡單、易安裝、所占空間小、升級能力強(qiáng)、數(shù)據(jù)顯示便捷及費用不高等特點。臺站式主要用于長期觀測的固定站點，車載式最大的特點就是可隨時移動，樓載式則可滿足氣象探測愛好者或只有很小一部分空間但又在較長時間內(nèi)需要使用的需求。

1 組成部分

1.1 硬件設(shè)備

該組自動氣象站主要用于測量溫、濕、風(fēng)、壓、雨及輻射等基本數(shù)據(jù)，站點主要分為3部分。分別為數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理和功能系統(tǒng)。由傳感器采集各類數(shù)據(jù)，傳送至核心處理器處理數(shù)據(jù)，最后數(shù)據(jù)用計算機(jī)收集和保存，自動氣象站由電池和太陽板供能電能供給，氣象站運行全景圖如圖1所示。

圖1 樓載自動氣象站全景圖

圖1中右下角為MS05002-10-262型半導(dǎo)體太陽能版，太陽能板靠左的箱子內(nèi)裝有MC京制01080112號氣壓傳感器，CR200型處理器和電池，其中箱內(nèi)電池及太陽能板共同構(gòu)成自動氣象站的供能系統(tǒng)。箱子內(nèi)處理器收集和處理數(shù)據(jù)，所有數(shù)據(jù)均可傳送至處理器處理并存儲。其余組成部分為數(shù)據(jù)采集板塊多由傳感器組成，除上述介紹盒內(nèi)安裝的氣壓傳感器外，靠左約1米的位置為雨量傳感器。雨量傳感器再靠左為51375086型溫濕度傳感器，于溫濕度傳感器橫棍另一端連接的是華創(chuàng)升達(dá)HTZD-1輻射計，黃色豎桿頂部為034b型測風(fēng)傳感器，此五類傳感器構(gòu)成了自動氣象站的數(shù)據(jù)采集板塊。

1.2 技術(shù)指標(biāo)

自動氣象站構(gòu)建中，由于設(shè)備、經(jīng)費以及定向用途的限制，如溫度不穩(wěn)定、成本過高、使用難度過大等，導(dǎo)致儀器不能正常運行或建設(shè)難度增加，那么在此描述此類自動氣象站相關(guān)技術(shù)指標(biāo)，具體有：自動氣象站高度230 cm；自動氣象站自重量18 kg；風(fēng)速傳感器工作溫度-30～70 ℃；風(fēng)速傳感器精度0.11 m/s（＜10.1 m/s時）或±1.1%（＞10.1 m/s時）；風(fēng)速傳感器啟動風(fēng)速0.4 m/s；風(fēng)速傳感器量程0～75 m/s；風(fēng)向傳感器精度±4°；風(fēng)向傳感器量程0～360°；風(fēng)向傳感器分辨率0.5°；氣壓傳感器工作溫度-10°至60°；氣壓傳感器準(zhǔn)確度±0.5%；溫濕度傳感器工作溫度-40°至60°；溫濕度傳感器準(zhǔn)確度±1.5%HR；雨量傳感器工作溫度0～50 ℃；雨量傳感器精度±1%（0 mm～10 mm）或±3%（10 mm～20 mm）或±5%（20 mm～30 mm），此為常見重要的技術(shù)指標(biāo)。

2 傳感器

自動氣象站數(shù)據(jù)采集部分所使用各類傳感器收集數(shù)據(jù)，所需數(shù)據(jù)均由各類傳感器采集獲取。此站總共采用5個傳感器，分別是溫濕度傳感器、測風(fēng)傳感器、雨量傳感器、氣壓傳感器、輻射傳感器，下面就各類型的傳感器傳感器逐一介紹。

2.1 溫濕度傳感器

由于現(xiàn)代信息科技的向前發(fā)展，傳感器的技術(shù)的變化，有眾多的溫濕度傳感器為本次設(shè)計與研究所選，根據(jù)指標(biāo)的衡量選擇采用51375086型號（如圖2所示）的溫濕度傳感器，此類型溫濕度傳感器在國際上經(jīng)常用于溫度、濕度測量。

圖2 溫濕度傳感器

為防止所采集溫濕度數(shù)據(jù)受太陽輻射影響，該傳感器外安裝一層防輻射罩，它的四壁由向內(nèi)和向外兩排箔的木板百葉做成，木板條向內(nèi)和向外傾斜與水平方向成45度角，目的是在防輻射的同時保持空氣自由流通。安裝后不僅可防止太陽輻射影響儀器且還可保護(hù)儀器免受強(qiáng)風(fēng)、雨雪等損害，使得儀器感應(yīng)部分適當(dāng)通風(fēng)，可真實感應(yīng)外界空氣溫度及濕度的變化。溫濕度傳感器工作范圍為-40 ℃至60 ℃，濕度傳感器測量準(zhǔn)確度為±1.5%HR。此類型傳感器準(zhǔn)確度非常高，所采集數(shù)據(jù)質(zhì)量相對提高。

2.2 風(fēng)速風(fēng)向傳感器

許多氣象部門使用風(fēng)杯、風(fēng)向標(biāo)式測風(fēng)傳感器。此站選擇的測鳳傳感器與傳統(tǒng)使用的相同，也采用此類型測風(fēng)傳感器（如圖3所示）。

圖3 測風(fēng)傳感器

傳感器下方為三個風(fēng)杯分別成120度排列，用以測量水平風(fēng)速，上方為風(fēng)標(biāo)用以測量風(fēng)向。三杯傳感架、多齒轉(zhuǎn)盤和耦合器共同作為風(fēng)速傳感器的敏感元件，用于轉(zhuǎn)換風(fēng)杯轉(zhuǎn)速為與風(fēng)速成正比的頻率信號。風(fēng)向傳感器的敏感元件為單板風(fēng)標(biāo)，驅(qū)動格雷碼碼盤、發(fā)光二級管和光柵三極管組件將風(fēng)標(biāo)的角位移轉(zhuǎn)換為格雷碼。該傳感器不僅可用于氣象，在海洋、機(jī)場、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)測等一系列需要風(fēng)參數(shù)測量的領(lǐng)域都能使用，同樣，愛好者也能選用。

2.3 雨量傳感器

此站采用雙翻斗式雨量傳感器（如圖4所示），其工作原理為桶內(nèi)所裝雙翻斗中下翻斗中央部位裝有一塊磁鋼，降水時雨水通過漏斗流入翻斗，雨水集滿一側(cè)，翻斗受到雨水重力作用則翻轉(zhuǎn)一次，翻斗翻轉(zhuǎn)被安裝在翻斗中間的干簧管磁鋼切割一次，干簧管吸和一次，發(fā)送一個導(dǎo)通脈沖后采集器觸發(fā)并記錄一個脈沖，記降水量為0.1 mm。翻斗再次翻轉(zhuǎn)采集器累計脈沖個數(shù)，測量值即為某時間段雨量總和。無降水時，脈沖數(shù)為0，處理器無降雨記錄。同樣，干簧管故障時如堵塞等，仍無數(shù)據(jù)記錄。雨量計都是會有一定的誤差，需盡可能建立氣象站時選擇恰當(dāng)?shù)挠炅總鞲衅鳌?/p>

圖4 雨量傳感器

2.4 氣壓感器

傳統(tǒng)氣象站氣壓測量時，均采用機(jī)械指針式真空膜盒，因其準(zhǔn)確度較低被淘汰，而我們采用國際上較新的一種用于地面觀測的氣壓傳感器，其型號是MC京制01080112號氣壓傳感器。優(yōu)點為頻率響應(yīng)高、適于動態(tài)測量、體積小、便于微化、精度高、靈敏高、可靠性高等。

其工作原理是基于振蕩電路、微處理器以及參考電容所組成的數(shù)字壓力傳感器，可對采集到數(shù)據(jù)修正，所用氣壓傳感器外形如圖5所示。

圖5 氣壓傳感器

2.5 輻射傳感器

輻射傳感器種類繁多，因其特殊用途指向考慮選用的輻射測量傳感器為華創(chuàng)升達(dá)HTZD-1輻射計（如圖6所示）。該輻射計信號輸出為0～50毫伏；靈敏度為50～300微伏每瓦每平方米；光譜范圍為400～1 100納米。

圖6 輻射傳感器

所采數(shù)據(jù)輻射中由于太陽直射所得的為較少部分，大部分均通過散射、折射、反射等間接輻射所得，傳感器接收總輻射不僅為太陽直射輻射，而總輻射即間接輻射與直接輻射之和。

3 處理器和供電設(shè)備

3.1 供電設(shè)備

太陽能板是我們主要的氣象站的能源之一。采用太陽能板型號為MS050005-10-262（如圖7所示），是利用光電效應(yīng)將光能轉(zhuǎn)化為電能的裝置（簡稱光伏電池），通常光伏電池都是利用摻雜了磷和硼的硅分別作為陰極和陽極符合而得到，其核心成分為硅。

圖7 太陽能板

使用此類太陽能板的優(yōu)勢有：價格低、壽命較長、性能較穩(wěn)定、便于安裝等。使用時，不僅解決了供電系統(tǒng)的繁雜，而且能降低成本，使得氣象站更加完善。

3.2 處理器

傳感器采集數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)傳送回至中心處理器并處理。所采用處理器為常用于氣象的CR200。

3.2.1 安裝環(huán)境

CR200處理器置于箱內(nèi)，箱內(nèi)同時放有一臺MC京制01080112號氣壓傳感器和一臺供電蓄電池。氣壓傳感器和電池分別置于箱體的上端和下端，處理器居中，通過導(dǎo)線將傳感器與處理器連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。多傳感器互連組成氣象站系統(tǒng)模塊，聯(lián)同電池及太陽能板等供電設(shè)備構(gòu)建具有獨立功能的氣象站。箱內(nèi)靠上放置干燥劑，其作用為吸收儀器周邊水分，以此避免箱內(nèi)濕度較大和降水天氣對儀器造成的影響，起到除濕作用保護(hù)處理器。

3.2.2 CR200簡單介紹

氣象站選擇處理器型號為CR200，其支持CRBasic的可編程邏輯器件，可外接傳感器，通過接口和通信協(xié)議互傳信息交互處理，實現(xiàn)衍生功能，可打開、編寫和處理基礎(chǔ)程序，并在使用程序編程時，不僅可實現(xiàn)CR200原存測量和計算功能，還可升級設(shè)備、文件等使得CR200競爭力更強(qiáng)。除此之外氣象站可增加潛在特殊功能比如互通外接處理器、存儲疊加和感應(yīng)擴(kuò)展等，擇用CR200型處理器對傳感器兼容性強(qiáng)，對自身可多功能擴(kuò)展，對使用者不易被淘汰。

CR200數(shù)據(jù)采集器工作溫度范圍為-40至50 ℃，A/D轉(zhuǎn)換為1位，電池供電內(nèi)部時鐘，掃描平率為1 Hz，采集器通信采用PakBus互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，所有數(shù)據(jù)采集器均可與獨立PC通信，也可通過NL100以太網(wǎng)接口、MD485總線調(diào)制解調(diào)器等通信。

3.2.3 具體接線方法

供電充足時，處理器及傳感器合理連接并按程序執(zhí)行，則需用導(dǎo)線鏈接處理器和傳感器，表1所示的接線方法為本站所采用。連接后設(shè)備按如圖1所示結(jié)構(gòu)將傳感器、處理器和太陽能板固定。

表1 處理器與傳感器接線方法

4 注意事項

4.1 雨量傳感器

傳感器安裝完成后，雨量傳感器需注意部分常規(guī)方法以確保和提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。首先，翻斗和雨量器漏斗孔容易堵賽，需將雨量傳感器置于周圍氣流清潔處，且需定時查看確保無堵塞。其次，需安裝于距磁鐵較遠(yuǎn)處，磁鐵的磁性會影響翻斗下翻效率，導(dǎo)致數(shù)據(jù)記錄出錯。最后，正常工作時如降雨數(shù)據(jù)仍出現(xiàn)明顯錯誤，特別是無數(shù)據(jù)記錄等，需檢查是否為干簧管故障，若確定應(yīng)及時更換干簧管免故障蔓延。

4.2 溫濕度傳感器

安裝溫濕度傳感器，首先，需注意防輻射，在強(qiáng)烈太陽光照射下會影響采集數(shù)據(jù)的真實性，導(dǎo)致所采數(shù)據(jù)偏差，安裝時采用防輻射罩避免由于太陽照射對造成的數(shù)據(jù)誤差。其次，傳感器應(yīng)置于距樓頂面約1.5 m處。審視周邊環(huán)境的特殊性，溫濕度傳感器安裝高度提高至約1.75 m處，如圖一所示紅色箱體正面，需保證儀器周邊空氣流通，以免周圍溫度變化傳感器測量延遲。再次，需在晝夜溫差大時定期查看以免霜凍，春秋季節(jié)日最高溫度與日最低溫度之差增大，易導(dǎo)致數(shù)據(jù)偏差，尤其是日最低溫度。

4.3 測風(fēng)傳感器

側(cè)鳳傳感器測量位置是較高，設(shè)備的維護(hù)以部件檢測和更換為主。檢查時需將測風(fēng)傳感器取下，為傳感器加+5 V工作電壓，人為不斷轉(zhuǎn)動格雷盤，使用萬用表電壓檔分別測量兩數(shù)據(jù)輸出端口。觀察其輸出判斷故障，如發(fā)現(xiàn)故障及時解決。

4.4 其他

數(shù)據(jù)采集需保證及時性，理器能存儲空間有限，數(shù)據(jù)溢出時處理辦法為新進(jìn)數(shù)據(jù)覆蓋老數(shù)據(jù)，按照時間順序抹去最早存入數(shù)據(jù)，管理員需每隔2至3天就收取數(shù)據(jù)。極端天氣及災(zāi)害天氣時，需停止測量并將設(shè)備置于安全處。自動觀測時，如有雨水侵入或過度潮濕需及時清理雨水和加入干燥劑以免電路短路影響測量。處理器及傳感器等硬件設(shè)備都應(yīng)及時維護(hù)，發(fā)現(xiàn)故障，需采取相應(yīng)措施。

5 數(shù)據(jù)和總結(jié)

5.1 數(shù)據(jù)讀取

采集數(shù)據(jù)后暫存于處理器，需及時取出數(shù)據(jù)，取數(shù)時使用LoggerNet軟件。此軟件具體使用方法如下：

（1）將LoggerNet打開，點擊connect按鈕出現(xiàn)如圖8所示窗口；

圖8 connect窗口界面

（2）點擊圖8窗口中“連接”按鈕，等待連接；

（3）連接后點擊圖8所示窗口中“現(xiàn)在采集”按鈕，并等待數(shù)據(jù)采集至PC。

數(shù)據(jù)采集至PC后（路徑通常為C：CampbellsciLoggerNet下面），生成后綴名為.dat的文件，此文件儲存所采數(shù)據(jù)。

5.2 總結(jié)

可在寫字板或記事本中打開也可使用excel表格打開，也可使用其他程序讀取，生成更多直觀的有效數(shù)據(jù)，氣象觀測愛好者及低要求使用者均能方便的使用數(shù)據(jù)。同時，數(shù)據(jù)采集以及更多有用信息產(chǎn)出不僅只需要設(shè)備，更需要依靠操作人員的經(jīng)驗和技術(shù)。此氣象站設(shè)備選擇采用國際較先進(jìn)且常用型號的儀器，便于非專業(yè)人員操作使用，愛好者操作時需盡量避免造成對設(shè)備或數(shù)據(jù)的損壞。

5 結(jié) 論

本設(shè)計實現(xiàn)基于LoggerNet樓載式自動氣象站數(shù)據(jù)采集，其優(yōu)點是便于建設(shè)、成本較低、數(shù)據(jù)格式使用便捷、建設(shè)環(huán)境要求不高等，缺點是數(shù)據(jù)保密性差、暫時無法接入網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)全自動傳輸、數(shù)據(jù)精確度居中、多站點聯(lián)合使用兼容性不強(qiáng)等。建站環(huán)境在樓頂，適用范圍廣泛，適用群體較多。