新型自动气象站结构系统的研究
摘要：随着气象事业蓬勃发展，现代气象业务对综合气象观测提出了更高的要求，目前现有自动气象站在观测能力上存在着严重不足，同时技术落后，功能规格不统一，致使型号繁多。当今现代电子测量和控制技术得到快速发展，我国近十年来地面气象观测站网大量使用自动气象站和自动气候站考核取得了许多成功的经验，为实现具备多功能、全要素、统一型号的新型自动气象站提供基础。
新型自动气象站是根据当前国际先进的CAN总线技术进行设计的,可结合台站需要自由选择所需传感器,解决当前自动气象站系统无法扩展新要素的问题,其要素设计更为全面科学,对温湿度传感器也进行了改进,并增加称重雨量传感器和0.5mm翻斗雨量传感器。新型自动气象站提高了地面常规要素观测和灾害天气观测的准确度,在软件设计、硬件结构、防雷性能、处理存储能力等方面也比当前运行的自动气象站有较大提升。
1、引言 新型自动气象站采用了当今成熟的、稳定的、先进的电子测量、数据传输和控制系统技术，设
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计基于现代总线技术和嵌入式系统技术构建的自动气象站，满足地面气象观测全要素自动观测。 新型自动气象站实现了到高精度、高稳定、易维护、低功耗、易扩展和实时远程监控的能力。整套系统按照“主采集器+外部总线+分采集器+传感器+外围设备”的结构设计，对主 /分采集器、总线结构、传感器、外围设备、软件、现场标校设备的各个部分，从功能、结构、通讯协议、数据采集、数据计算处理、数据存储、数据质量控制、数据传输、电气接口标准、生产工艺全面进行规定。
2、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。
（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ARM Cortex M3 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：C/OS- II、FreeRTOS、Clinux 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
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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。 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） 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
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采用双绞线跟有利于提高信号传输的可靠性。
3、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。 4、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
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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。
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（Controller Area Network，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。 5、结语 目前，新型自动气象站已经在我省得到了广泛的发展与应用，新型自动站核心是提高预报预测准确率，根本是增强防御和减轻气象灾害的服务能力，从而保障综合气象观测系统数据的准确，进一步的提高了预报预测的准确率和服务能力，在气象防灾减灾方面扮演着重要的角色。
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