便携式自动站故障判别主机研究与设计

彭滨 罗成 查骅

摘要：[目的]在当前地面气象观测中，观测设备越来越自动化、智能化的发展，为更好的完成气象观测工作，计划综合运用气象探测技术、计算机信息处理技术和现代气象科学技术等，对自动气象站故障判别进行研究与设计，设计一款便携式主机，主机具备便携、移动工作的能力。对当前气象行业内所使用的主流传感器、采集器等进行快速的现场故障判别、采集器检测等工作。实现准确的故障判别，在发生气象数据异常时无法准确判断故障点。此举可以提高地面气象观测维护工作的效率，精准定位故障位置，提高气象探测设备的维护效率。

关键词：自动气象站;传感器;故障判别;维护

地面气象观测是气象工作的基础，同时又是整个气象事业不可或缺的重要组成部分。国家级地面气象站 是根据国家气象站网的统一布局逐渐建立起来的。随着自动化程度不断提高，自动气象站采集的气象要素已经取代了人工观测数据，因此保证自动气象站的正常运行是目前地面气象观测工作的重要任务。从自动站采集系统、传感器工作原理等方面入手，开发一套便携式自动站故障判别主机，其兼具数据采集和传感器信号模拟输出的能力，可用于自动气象站在发生故障时，快速判别故障位置，以最快的响应速度解决自动站故障，确保自动气象站顺利运行。

气象观测业务的发展主要经历了三个阶段：地面观测形成阶段、高空探测阶段和遥感阶段，其中地面观测业务是气象观测业务的重要组成部分，是气象精细化预报的数据基础和数据来源。

气象观测站发展经历了三次革命性变化。第一代研制以人工观测为主的气象观测只能测量温度、湿度、气压、风速、风向、降水等少数几个大气要素;上世纪60年代中期，由于半导体元件和脉冲数字电路的普及，第二代自动气象站产生。它的感应元件能近似观测云高、降水、辐射总量、雷暴等天气状态。然而，该类气象仪器的数据釆集主要以非电子技术（如机械惯装置，）为主且观测自动化水平较低，需要在人工干预的方式下釆集实况资料，数据正确性仍以人工检查为主。70年代后，气象站已发展到第三代，无线传感器技术、电子计算机和通信技术的兴起，使得地面气象观测站自动化程度大大提高，观测气象要素明显增多，尤其是高密度的时空分辨率、观测标准化、自动化等优势是传统人工观测技术无法比拟的。目前常见的气象观测要素有：降水，气温，风速，风向，湿度，气压，能见度，地面温度，云量，日照，辐射，雾，霾等基本要素，其中，对降水，气温，风速，风向等气象要素已经实现观测采集全自动化过程。

第三代自动气象站是一种能自动观测和存储气象观测数据的设备，主要由传感器、采集器、通訊接口、系统电源等组成，随着气象要素值的变化，各传感器的感应元件输出的电量产生变化，这种变化量被CPU实时控制的数据采集器所采集，经过线性化和定量化处理，实现工程量到要素量的转换，再对数据进行筛选，得出各个气象要素值。基本原理如下图所示：

自动气象站在运行过程中，不可避免的会出现各类故障，纵观自动化气象观测发展的历程，故障主要集中发生在传感器或数据采集器上，能否及时有效的定位故障并解决故障，是保障气象观测数据质量的根本。依据多年从业经验，提出便携式自动站故障判别主机设计，其设计思路如下：利用丰富的嵌入式资源，将当前地面气象探测中所常用的传感器、采集器进行统计汇总。设计一款便携式故障判别主机，同时具备高精度的数据采集能力和传感器模拟输出能力，同时接口端子设计成无缝替换现场设备的形式。在实施故障判别或巡查任务时，携带此款便携式故障判别主机。可以快速高效的展开工作。

设计主要围绕当前国家站、区域站的主要气象传感器（风雨温湿压）、数据采集器展开，设计的主机具备两部分功能，第一部分是数据采集能力，可对现场的各类传感器实现采样，若传感器有问题则立刻检测;第二部分为信号模拟功能，可模拟各类传感器输出已知的电阻、单端电压、差分电压、电流、数字、串口等信号，上述信号经采集器采样后，若采集器采样值与已知信号不符，则判断响应数据采集功能有故障。

外观拟设计如下图所示，主机设计分为两大区域

数据采集部分的设计分为数字和模拟两部分，具体设计如下：

1 数字量采集部分设计

1.1 数字通道连接

数字通道的每路传感器连接端子，均由5V、Dn（数字输入脚）、G组成（第一路仅有Dn和G线，可连接如雨量筒等无需5V激励的频率输出传感器使用）。

（1）5V线：该线可为传感器输出5V电源，所有5V电源累计输出电流不能大于400mA。

（2）Dn线：n代表数字通道号，每个数字输入线可定义为频率输入或开关量输入。

（3）G线：为地线，既作为5V电源地，也作为数字信号地。

1.2 数字通道方式

数字通道的每路传感器通道，均可以设置为高频输入、脉冲输入2种工作方式：

（1）高频输入方式：检测信号的上升沿和下降沿，确定信号的频率值，数值每秒刷新一次。

（2）脉冲输入方式：检测信号的上升沿和下降沿的同时，也检测信号电平的脉冲宽度，信号脉冲宽度小于最小宽度的脉冲作为干扰信号剔除，并记录每秒脉冲的个数，每秒清零。允许每个开关脉冲的最小宽度为30ms。

1.3 数字通道时间特性

通道工作在高频输入方式时，信号的采样频率为6000Hz，为了保证采样的稳定、去除干扰杂波，每两个采样周期确定一次电平。因此，每通道最大采样频率为3000Hz。高频输入工作方式，记录每通道的频率值，频率的刷新周期为1秒。因此，每路通道每1秒刷新一次采样值频率。

通道工作在脉冲输入方式时，信号的采样频率为100Hz，同时电平的脉冲宽度必须大于30ms。小于30ms宽度的脉冲，将作为机械抖动信号，该次脉冲将不进行计数。因此，脉冲每秒的最大计数个数为16个。脉冲输入工作方式，记录每通道的脉冲个数，每路通道的脉冲个数将在每秒的最开始清零。

1.4 数字板通道电气特性

2 模拟通道部分设计

2.1 模拟采集通道连接

模拟板的每路传感器连接端子都由A1/A2/A3/A4四路通道组成，配置为4线制电阻、单端电压、差分电压和电流的模拟信号采样类型。

（1） A1：電阻方式—作为电阻采样的激励电流线。

单端方式—作为单端电压的信号采样线。

（2） A2：电阻方式—作为电阻采样的信号﹢线。

单端方式—作为单端电压的信号采样线。

差分方式—作为差分电压的信号﹢线。

（3） A3：电阻方式—作为电阻采样的信号﹣线。

单端方式—作为单端电压的信号采样线。

差分方式—作为差分电压的信号﹣线。

（4） A4：电阻方式—作为电阻采样的激励电流回路线。

电流方式—内部连接100Ω精密电阻对地，作为电流采样的信号采样线。

2.2 模拟通道方式

模拟板的每个4线端子由A1、A2、A3、A4组成，可以设置为1路电阻、1路差分电压、3路单端电压或1路电流工作方式：

（1）电阻采样方式：使用4线制测电阻连接，占用端子的所有口线。其中，A1线作为电阻电流激励，A4线作为电阻电流回路，A2/A3线作为电阻信号采样。

（2）差分电压采样方式：使用2线制差分电压连接，占用端子A2、A3两线。其中，A2线作为差分电压信号+，A3线作为差分电压信号-。如果差分信号的A3端与系统电源地没有连接，可选择差分偏置方式，以进一步提高采样精度。

（3）单端电压采样方式：单端电压信号是最常见的模拟采样信号。A1、A2、A3均可以设置为单端电压采样方式，并连接单端电压的信号线。而所有单端信号的地线，则统一与系统电源地连接。

（4）电流采样方式：使用端子上的A4线。

2.3 模拟通道时间特性

模拟板的信号采样频率为50Hz，即每个信号每次的采样时间为20ms。因此，模拟采样的信号源，变化周期不得小于20ms，模拟板每秒最多采样任务为50次。

电阻采样和差分电压的采样需要两个采样周期。

单端电压和电流采样需要一个采样周期。

2.4 模拟通道电气特性

3 传感器模拟部分设计

数字输出通道具备定值的脉冲/高频/多位协同高频输出的能力。分别对应翻斗式雨量计/风速/格雷码风速传感器，其定值输出，固定频率的频率信号，经传感器计算公式可得到准确的要素值;

模拟输出通道具备定值的电阻值/单端电压值的输出，分别对应温度/湿度/气压/风向传感器，准确的模拟输出可以模拟定值传感器，例如电阻值模拟100Ω，其准确对应温度为0℃。

4 结论

此项设计综合运用自动气象站和观测要素传感器工作原理、计算机信息处理技术和现代气象科学技术等，对自动气象站故障判别进行研究，在气象站点发生气象数据异常时，可以对现场的传感器、采集器实现快速诊断和故障定位，立足于解决自动气象观测系统从采集到传感器故障检测问题，提升自动气象站的排障效率，在确保气象观测数据准确性与连续性上具有重要意义。

参考文献

[1]冉桂平，胡学敏，付晋，等.自动气象站资料综合管理应用系统[J].电脑知识与技术（学术交流），2007 （6）：1658.

[2]马祖胜，马强，汤冬平.自动气象站的日常管理和维护[J].气象水文海洋仪器，2009（3）：108-110.

[3]陈作琼，覃爱金.浅谈自动气象站通信系统的管理与维护[J].农业与技术，2012（9）：148.

[4]周欣，行鸿彦，季鑫源.多功能自动气象站控制与管理系统[J].电子测量与仪器学报，2011（4）：348- 354.

[5]段慧霞. 基于自动化气象站特点的维护思路探索[J]. 赤子， 2018， 000（015）：263.

[6]叶小岭， 张颖超， 张齐东，等. 具有故障自诊断自恢复功能的自动化气象站系统：， CN 103278868 B[P].