基于LoggerNet高层楼载自动气象站设计

2022-10-15李雪松

现代信息科技 2022年15期

李雪松

（四川省气象探测数据中心，四川成都 610072）

0 引言

现今使用的自动气象站主要分为台站式、车载式、便携式和教学式等。台站式站点设备繁杂、安装维护难度较大并且专业性强，车载式自动站虽相对简便，但材质的使用和集成化的模块使得价格昂贵，便携式自动站的特点是便于运输和安装，同时具备许多无线通信模块增加了费用，教学式自动站主要用于教学，装备齐全易于操作，但数据取用不方便且升级能力不高。集中各类传感器的优缺点，楼载式自动站具有设备简单、易安装、所占空间小、升级能力强、数据显示便捷及费用不高等特点。台站式主要用于长期观测的固定站点，车载式最大的特点就是可随时移动，楼载式则可满足气象探测爱好者或只有很小一部分空间但又在较长时间内需要使用的需求。

1 组成部分

1.1 硬件设备

该组自动气象站主要用于测量温、湿、风、压、雨及辐射等基本数据，站点主要分为3部分。分别为数据采集，数据处理和功能系统。由传感器采集各类数据，传送至核心处理器处理数据，最后数据用计算机收集和保存，自动气象站由电池和太阳板供能电能供给，气象站运行全景图如图1所示。

图1 楼载自动气象站全景图

图1中右下角为MS05002-10-262型半导体太阳能版，太阳能板靠左的箱子内装有MC京制01080112号气压传感器，CR200型处理器和电池，其中箱内电池及太阳能板共同构成自动气象站的供能系统。箱子内处理器收集和处理数据，所有数据均可传送至处理器处理并存储。其余组成部分为数据采集板块多由传感器组成，除上述介绍盒内安装的气压传感器外，靠左约1米的位置为雨量传感器。雨量传感器再靠左为51375086型温湿度传感器，于温湿度传感器横棍另一端连接的是华创升达HTZD-1辐射计，黄色竖杆顶部为034b型测风传感器，此五类传感器构成了自动气象站的数据采集板块。

1.2 技术指标

自动气象站构建中，由于设备、经费以及定向用途的限制，如温度不稳定、成本过高、使用难度过大等，导致仪器不能正常运行或建设难度增加，那么在此描述此类自动气象站相关技术指标，具体有：自动气象站高度230 cm；自动气象站自重量18 kg；风速传感器工作温度-30～70 ℃；风速传感器精度0.11 m/s（＜10.1 m/s时）或±1.1%（＞10.1 m/s时）；风速传感器启动风速0.4 m/s；风速传感器量程0～75 m/s；风向传感器精度±4°；风向传感器量程0～360°；风向传感器分辨率0.5°；气压传感器工作温度-10°至60°；气压传感器准确度±0.5%；温湿度传感器工作温度-40°至60°；温湿度传感器准确度±1.5%HR；雨量传感器工作温度0～50 ℃；雨量传感器精度±1%（0 mm～10 mm）或±3%（10 mm～20 mm）或±5%（20 mm～30 mm），此为常见重要的技术指标。

2 传感器

自动气象站数据采集部分所使用各类传感器收集数据，所需数据均由各类传感器采集获取。此站总共采用5个传感器，分别是温湿度传感器、测风传感器、雨量传感器、气压传感器、辐射传感器，下面就各类型的传感器传感器逐一介绍。

2.1 温湿度传感器

由于现代信息科技的向前发展，传感器的技术的变化，有众多的温湿度传感器为本次设计与研究所选，根据指标的衡量选择采用51375086型号（如图2所示）的温湿度传感器，此类型温湿度传感器在国际上经常用于温度、湿度测量。

图2 温湿度传感器

为防止所采集温湿度数据受太阳辐射影响，该传感器外安装一层防辐射罩，它的四壁由向内和向外两排箔的木板百叶做成，木板条向内和向外倾斜与水平方向成45度角，目的是在防辐射的同时保持空气自由流通。安装后不仅可防止太阳辐射影响仪器且还可保护仪器免受强风、雨雪等损害，使得仪器感应部分适当通风，可真实感应外界空气温度及湿度的变化。温湿度传感器工作范围为-40 ℃至60 ℃，湿度传感器测量准确度为±1.5%HR。此类型传感器准确度非常高，所采集数据质量相对提高。

2.2 风速风向传感器

许多气象部门使用风杯、风向标式测风传感器。此站选择的测凤传感器与传统使用的相同，也采用此类型测风传感器（如图3所示）。

图3 测风传感器

传感器下方为三个风杯分别成120度排列，用以测量水平风速，上方为风标用以测量风向。三杯传感架、多齿转盘和耦合器共同作为风速传感器的敏感元件，用于转换风杯转速为与风速成正比的频率信号。风向传感器的敏感元件为单板风标，驱动格雷码码盘、发光二级管和光栅三极管组件将风标的角位移转换为格雷码。该传感器不仅可用于气象，在海洋、机场、工业、农业、环境监测等一系列需要风参数测量的领域都能使用，同样，爱好者也能选用。

2.3 雨量传感器

此站采用双翻斗式雨量传感器（如图4所示），其工作原理为桶内所装双翻斗中下翻斗中央部位装有一块磁钢，降水时雨水通过漏斗流入翻斗，雨水集满一侧，翻斗受到雨水重力作用则翻转一次，翻斗翻转被安装在翻斗中间的干簧管磁钢切割一次，干簧管吸和一次，发送一个导通脉冲后采集器触发并记录一个脉冲，记降水量为0.1 mm。翻斗再次翻转采集器累计脉冲个数，测量值即为某时间段雨量总和。无降水时，脉冲数为0，处理器无降雨记录。同样，干簧管故障时如堵塞等，仍无数据记录。雨量计都是会有一定的误差，需尽可能建立气象站时选择恰当的雨量传感器。

图4 雨量传感器

2.4 气压感器

传统气象站气压测量时，均采用机械指针式真空膜盒，因其准确度较低被淘汰，而我们采用国际上较新的一种用于地面观测的气压传感器，其型号是MC京制01080112号气压传感器。优点为频率响应高、适于动态测量、体积小、便于微化、精度高、灵敏高、可靠性高等。

其工作原理是基于振荡电路、微处理器以及参考电容所组成的数字压力传感器，可对采集到数据修正，所用气压传感器外形如图5所示。

图5 气压传感器

2.5 辐射传感器

辐射传感器种类繁多，因其特殊用途指向考虑选用的辐射测量传感器为华创升达HTZD-1辐射计（如图6所示）。该辐射计信号输出为0～50毫伏；灵敏度为50～300微伏每瓦每平方米；光谱范围为400～1 100纳米。

图6 辐射传感器

所采数据辐射中由于太阳直射所得的为较少部分，大部分均通过散射、折射、反射等间接辐射所得，传感器接收总辐射不仅为太阳直射辐射，而总辐射即间接辐射与直接辐射之和。

3 处理器和供电设备

3.1 供电设备

太阳能板是我们主要的气象站的能源之一。采用太阳能板型号为MS050005-10-262（如图7所示），是利用光电效应将光能转化为电能的装置（简称光伏电池），通常光伏电池都是利用掺杂了磷和硼的硅分别作为阴极和阳极符合而得到，其核心成分为硅。

图7 太阳能板

使用此类太阳能板的优势有：价格低、寿命较长、性能较稳定、便于安装等。使用时，不仅解决了供电系统的繁杂，而且能降低成本，使得气象站更加完善。

3.2 处理器

传感器采集数据后，将数据传送回至中心处理器并处理。所采用处理器为常用于气象的CR200。

3.2.1 安装环境

CR200处理器置于箱内，箱内同时放有一台MC京制01080112号气压传感器和一台供电蓄电池。气压传感器和电池分别置于箱体的上端和下端，处理器居中，通过导线将传感器与处理器连接，实现数据通信。多传感器互连组成气象站系统模块，联同电池及太阳能板等供电设备构建具有独立功能的气象站。箱内靠上放置干燥剂，其作用为吸收仪器周边水分，以此避免箱内湿度较大和降水天气对仪器造成的影响，起到除湿作用保护处理器。

3.2.2 CR200简单介绍

气象站选择处理器型号为CR200，其支持CRBasic的可编程逻辑器件，可外接传感器，通过接口和通信协议互传信息交互处理，实现衍生功能，可打开、编写和处理基础程序，并在使用程序编程时，不仅可实现CR200原存测量和计算功能，还可升级设备、文件等使得CR200竞争力更强。除此之外气象站可增加潜在特殊功能比如互通外接处理器、存储叠加和感应扩展等，择用CR200型处理器对传感器兼容性强，对自身可多功能扩展，对使用者不易被淘汰。

CR200数据采集器工作温度范围为-40至50 ℃，A/D转换为1位，电池供电内部时钟，扫描平率为1 Hz，采集器通信采用PakBus互联网协议，所有数据采集器均可与独立PC通信，也可通过NL100以太网接口、MD485总线调制解调器等通信。

3.2.3 具体接线方法

供电充足时，处理器及传感器合理连接并按程序执行，则需用导线链接处理器和传感器，表1所示的接线方法为本站所采用。连接后设备按如图1所示结构将传感器、处理器和太阳能板固定。

表1 处理器与传感器接线方法

4 注意事项

4.1 雨量传感器

传感器安装完成后，雨量传感器需注意部分常规方法以确保和提高数据的准确度。首先，翻斗和雨量器漏斗孔容易堵赛，需将雨量传感器置于周围气流清洁处，且需定时查看确保无堵塞。其次，需安装于距磁铁较远处，磁铁的磁性会影响翻斗下翻效率，导致数据记录出错。最后，正常工作时如降雨数据仍出现明显错误，特别是无数据记录等，需检查是否为干簧管故障，若确定应及时更换干簧管免故障蔓延。

4.2 温湿度传感器

安装温湿度传感器，首先，需注意防辐射，在强烈太阳光照射下会影响采集数据的真实性，导致所采数据偏差，安装时采用防辐射罩避免由于太阳照射对造成的数据误差。其次，传感器应置于距楼顶面约1.5 m处。审视周边环境的特殊性，温湿度传感器安装高度提高至约1.75 m处，如图一所示红色箱体正面，需保证仪器周边空气流通，以免周围温度变化传感器测量延迟。再次，需在昼夜温差大时定期查看以免霜冻，春秋季节日最高温度与日最低温度之差增大，易导致数据偏差，尤其是日最低温度。

4.3 测风传感器

侧凤传感器测量位置是较高，设备的维护以部件检测和更换为主。检查时需将测风传感器取下，为传感器加+5 V工作电压，人为不断转动格雷盘，使用万用表电压档分别测量两数据输出端口。观察其输出判断故障，如发现故障及时解决。

4.4 其他

数据采集需保证及时性，理器能存储空间有限，数据溢出时处理办法为新进数据覆盖老数据，按照时间顺序抹去最早存入数据，管理员需每隔2至3天就收取数据。极端天气及灾害天气时，需停止测量并将设备置于安全处。自动观测时，如有雨水侵入或过度潮湿需及时清理雨水和加入干燥剂以免电路短路影响测量。处理器及传感器等硬件设备都应及时维护，发现故障，需采取相应措施。

5 数据和总结

5.1 数据读取

采集数据后暂存于处理器，需及时取出数据，取数时使用LoggerNet软件。此软件具体使用方法如下：

（1）将LoggerNet打开，点击connect按钮出现如图8所示窗口；

图8 connect窗口界面

（2）点击图8窗口中“连接”按钮，等待连接；

（3）连接后点击图8所示窗口中“现在采集”按钮，并等待数据采集至PC。

数据采集至PC后（路径通常为C：CampbellsciLoggerNet下面），生成后缀名为.dat的文件，此文件储存所采数据。

5.2 总结

可在写字板或记事本中打开也可使用excel表格打开，也可使用其他程序读取，生成更多直观的有效数据，气象观测爱好者及低要求使用者均能方便的使用数据。同时，数据采集以及更多有用信息产出不仅只需要设备，更需要依靠操作人员的经验和技术。此气象站设备选择采用国际较先进且常用型号的仪器，便于非专业人员操作使用，爱好者操作时需尽量避免造成对设备或数据的损坏。