便攜式自動(dòng)站故障判別主機(jī)研究與設(shè)計(jì)

彭濱 羅成 查驊

摘要：[目的]在當(dāng)前地面氣象觀測(cè)中，觀測(cè)設(shè)備越來(lái)越自動(dòng)化、智能化的發(fā)展，為更好的完成氣象觀測(cè)工作，計(jì)劃綜合運(yùn)用氣象探測(cè)技術(shù)、計(jì)算機(jī)信息處理技術(shù)和現(xiàn)代氣象科學(xué)技術(shù)等，對(duì)自動(dòng)氣象站故障判別進(jìn)行研究與設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)一款便攜式主機(jī)，主機(jī)具備便攜、移動(dòng)工作的能力。對(duì)當(dāng)前氣象行業(yè)內(nèi)所使用的主流傳感器、采集器等進(jìn)行快速的現(xiàn)場(chǎng)故障判別、采集器檢測(cè)等工作。實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的故障判別，在發(fā)生氣象數(shù)據(jù)異常時(shí)無(wú)法準(zhǔn)確判斷故障點(diǎn)。此舉可以提高地面氣象觀測(cè)維護(hù)工作的效率，精準(zhǔn)定位故障位置，提高氣象探測(cè)設(shè)備的維護(hù)效率。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)氣象站;傳感器;故障判別;維護(hù)

地面氣象觀測(cè)是氣象工作的基礎(chǔ)，同時(shí)又是整個(gè)氣象事業(yè)不可或缺的重要組成部分。國(guó)家級(jí)地面氣象站 是根據(jù)國(guó)家氣象站網(wǎng)的統(tǒng)一布局逐漸建立起來(lái)的。隨著自動(dòng)化程度不斷提高，自動(dòng)氣象站采集的氣象要素已經(jīng)取代了人工觀測(cè)數(shù)據(jù)，因此保證自動(dòng)氣象站的正常運(yùn)行是目前地面氣象觀測(cè)工作的重要任務(wù)。從自動(dòng)站采集系統(tǒng)、傳感器工作原理等方面入手，開(kāi)發(fā)一套便攜式自動(dòng)站故障判別主機(jī)，其兼具數(shù)據(jù)采集和傳感器信號(hào)模擬輸出的能力，可用于自動(dòng)氣象站在發(fā)生故障時(shí)，快速判別故障位置，以最快的響應(yīng)速度解決自動(dòng)站故障，確保自動(dòng)氣象站順利運(yùn)行。

氣象觀測(cè)業(yè)務(wù)的發(fā)展主要經(jīng)歷了三個(gè)階段：地面觀測(cè)形成階段、高空探測(cè)階段和遙感階段，其中地面觀測(cè)業(yè)務(wù)是氣象觀測(cè)業(yè)務(wù)的重要組成部分，是氣象精細(xì)化預(yù)報(bào)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)來(lái)源。

氣象觀測(cè)站發(fā)展經(jīng)歷了三次革命性變化。第一代研制以人工觀測(cè)為主的氣象觀測(cè)只能測(cè)量溫度、濕度、氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向、降水等少數(shù)幾個(gè)大氣要素;上世紀(jì)60年代中期，由于半導(dǎo)體元件和脈沖數(shù)字電路的普及，第二代自動(dòng)氣象站產(chǎn)生。它的感應(yīng)元件能近似觀測(cè)云高、降水、輻射總量、雷暴等天氣狀態(tài)。然而，該類氣象儀器的數(shù)據(jù)釆集主要以非電子技術(shù)（如機(jī)械慣裝置，）為主且觀測(cè)自動(dòng)化水平較低，需要在人工干預(yù)的方式下釆集實(shí)況資料，數(shù)據(jù)正確性仍以人工檢查為主。70年代后，氣象站已發(fā)展到第三代，無(wú)線傳感器技術(shù)、電子計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)的興起，使得地面氣象觀測(cè)站自動(dòng)化程度大大提高，觀測(cè)氣象要素明顯增多，尤其是高密度的時(shí)空分辨率、觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)化、自動(dòng)化等優(yōu)勢(shì)是傳統(tǒng)人工觀測(cè)技術(shù)無(wú)法比擬的。目前常見(jiàn)的氣象觀測(cè)要素有：降水，氣溫，風(fēng)速，風(fēng)向，濕度，氣壓，能見(jiàn)度，地面溫度，云量，日照，輻射，霧，霾等基本要素，其中，對(duì)降水，氣溫，風(fēng)速，風(fēng)向等氣象要素已經(jīng)實(shí)現(xiàn)觀測(cè)采集全自動(dòng)化過(guò)程。

第三代自動(dòng)氣象站是一種能自動(dòng)觀測(cè)和存儲(chǔ)氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)的設(shè)備，主要由傳感器、采集器、通訊接口、系統(tǒng)電源等組成，隨著氣象要素值的變化，各傳感器的感應(yīng)元件輸出的電量產(chǎn)生變化，這種變化量被CPU實(shí)時(shí)控制的數(shù)據(jù)采集器所采集，經(jīng)過(guò)線性化和定量化處理，實(shí)現(xiàn)工程量到要素量的轉(zhuǎn)換，再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，得出各個(gè)氣象要素值。基本原理如下圖所示：

自動(dòng)氣象站在運(yùn)行過(guò)程中，不可避免的會(huì)出現(xiàn)各類故障，縱觀自動(dòng)化氣象觀測(cè)發(fā)展的歷程，故障主要集中發(fā)生在傳感器或數(shù)據(jù)采集器上，能否及時(shí)有效的定位故障并解決故障，是保障氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量的根本。依據(jù)多年從業(yè)經(jīng)驗(yàn)，提出便攜式自動(dòng)站故障判別主機(jī)設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)思路如下：利用豐富的嵌入式資源，將當(dāng)前地面氣象探測(cè)中所常用的傳感器、采集器進(jìn)行統(tǒng)計(jì)匯總。設(shè)計(jì)一款便攜式故障判別主機(jī)，同時(shí)具備高精度的數(shù)據(jù)采集能力和傳感器模擬輸出能力，同時(shí)接口端子設(shè)計(jì)成無(wú)縫替換現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的形式。在實(shí)施故障判別或巡查任務(wù)時(shí)，攜帶此款便攜式故障判別主機(jī)?？梢钥焖俑咝У恼归_(kāi)工作。

設(shè)計(jì)主要圍繞當(dāng)前國(guó)家站、區(qū)域站的主要?dú)庀髠鞲衅鳎L(fēng)雨溫濕壓）、數(shù)據(jù)采集器展開(kāi)，設(shè)計(jì)的主機(jī)具備兩部分功能，第一部分是數(shù)據(jù)采集能力，可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的各類傳感器實(shí)現(xiàn)采樣，若傳感器有問(wèn)題則立刻檢測(cè);第二部分為信號(hào)模擬功能，可模擬各類傳感器輸出已知的電阻、單端電壓、差分電壓、電流、數(shù)字、串口等信號(hào)，上述信號(hào)經(jīng)采集器采樣后，若采集器采樣值與已知信號(hào)不符，則判斷響應(yīng)數(shù)據(jù)采集功能有故障。

外觀擬設(shè)計(jì)如下圖所示，主機(jī)設(shè)計(jì)分為兩大區(qū)域

數(shù)據(jù)采集部分的設(shè)計(jì)分為數(shù)字和模擬兩部分，具體設(shè)計(jì)如下：

1 數(shù)字量采集部分設(shè)計(jì)

1.1 數(shù)字通道連接

數(shù)字通道的每路傳感器連接端子，均由5V、Dn（數(shù)字輸入腳）、G組成（第一路僅有Dn和G線，可連接如雨量筒等無(wú)需5V激勵(lì)的頻率輸出傳感器使用）。

（1）5V線：該線可為傳感器輸出5V電源，所有5V電源累計(jì)輸出電流不能大于400mA。

（2）Dn線：n代表數(shù)字通道號(hào)，每個(gè)數(shù)字輸入線可定義為頻率輸入或開(kāi)關(guān)量輸入。

（3）G線：為地線，既作為5V電源地，也作為數(shù)字信號(hào)地。

1.2 數(shù)字通道方式

數(shù)字通道的每路傳感器通道，均可以設(shè)置為高頻輸入、脈沖輸入2種工作方式：

（1）高頻輸入方式：檢測(cè)信號(hào)的上升沿和下降沿，確定信號(hào)的頻率值，數(shù)值每秒刷新一次。

（2）脈沖輸入方式：檢測(cè)信號(hào)的上升沿和下降沿的同時(shí)，也檢測(cè)信號(hào)電平的脈沖寬度，信號(hào)脈沖寬度小于最小寬度的脈沖作為干擾信號(hào)剔除，并記錄每秒脈沖的個(gè)數(shù)，每秒清零。允許每個(gè)開(kāi)關(guān)脈沖的最小寬度為30ms。

1.3 數(shù)字通道時(shí)間特性

通道工作在高頻輸入方式時(shí)，信號(hào)的采樣頻率為6000Hz，為了保證采樣的穩(wěn)定、去除干擾雜波，每?jī)蓚€(gè)采樣周期確定一次電平。因此，每通道最大采樣頻率為3000Hz。高頻輸入工作方式，記錄每通道的頻率值，頻率的刷新周期為1秒。因此，每路通道每1秒刷新一次采樣值頻率。

通道工作在脈沖輸入方式時(shí)，信號(hào)的采樣頻率為100Hz，同時(shí)電平的脈沖寬度必須大于30ms。小于30ms寬度的脈沖，將作為機(jī)械抖動(dòng)信號(hào)，該次脈沖將不進(jìn)行計(jì)數(shù)。因此，脈沖每秒的最大計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)為16個(gè)。脈沖輸入工作方式，記錄每通道的脈沖個(gè)數(shù)，每路通道的脈沖個(gè)數(shù)將在每秒的最開(kāi)始清零。

1.4 數(shù)字板通道電氣特性

2 模擬通道部分設(shè)計(jì)

2.1 模擬采集通道連接

模擬板的每路傳感器連接端子都由A1/A2/A3/A4四路通道組成，配置為4線制電阻、單端電壓、差分電壓和電流的模擬信號(hào)采樣類型。

（1） A1：電阻方式—作為電阻采樣的激勵(lì)電流線。

單端方式—作為單端電壓的信號(hào)采樣線。

（2） A2：電阻方式—作為電阻采樣的信號(hào)﹢線。

單端方式—作為單端電壓的信號(hào)采樣線。

差分方式—作為差分電壓的信號(hào)﹢線。

（3） A3：電阻方式—作為電阻采樣的信號(hào)﹣線。

單端方式—作為單端電壓的信號(hào)采樣線。

差分方式—作為差分電壓的信號(hào)﹣線。

（4） A4：電阻方式—作為電阻采樣的激勵(lì)電流回路線。

電流方式—內(nèi)部連接100Ω精密電阻對(duì)地，作為電流采樣的信號(hào)采樣線。

2.2 模擬通道方式

模擬板的每個(gè)4線端子由A1、A2、A3、A4組成，可以設(shè)置為1路電阻、1路差分電壓、3路單端電壓或1路電流工作方式：

（1）電阻采樣方式：使用4線制測(cè)電阻連接，占用端子的所有口線。其中，A1線作為電阻電流激勵(lì)，A4線作為電阻電流回路，A2/A3線作為電阻信號(hào)采樣。

（2）差分電壓采樣方式：使用2線制差分電壓連接，占用端子A2、A3兩線。其中，A2線作為差分電壓信號(hào)+，A3線作為差分電壓信號(hào)-。如果差分信號(hào)的A3端與系統(tǒng)電源地沒(méi)有連接，可選擇差分偏置方式，以進(jìn)一步提高采樣精度。

（3）單端電壓采樣方式：?jiǎn)味穗妷盒盘?hào)是最常見(jiàn)的模擬采樣信號(hào)。A1、A2、A3均可以設(shè)置為單端電壓采樣方式，并連接單端電壓的信號(hào)線。而所有單端信號(hào)的地線，則統(tǒng)一與系統(tǒng)電源地連接。

（4）電流采樣方式：使用端子上的A4線。

2.3 模擬通道時(shí)間特性

模擬板的信號(hào)采樣頻率為50Hz，即每個(gè)信號(hào)每次的采樣時(shí)間為20ms。因此，模擬采樣的信號(hào)源，變化周期不得小于20ms，模擬板每秒最多采樣任務(wù)為50次。

電阻采樣和差分電壓的采樣需要兩個(gè)采樣周期。

單端電壓和電流采樣需要一個(gè)采樣周期。

2.4 模擬通道電氣特性

3 傳感器模擬部分設(shè)計(jì)

數(shù)字輸出通道具備定值的脈沖/高頻/多位協(xié)同高頻輸出的能力。分別對(duì)應(yīng)翻斗式雨量計(jì)/風(fēng)速/格雷碼風(fēng)速傳感器，其定值輸出，固定頻率的頻率信號(hào)，經(jīng)傳感器計(jì)算公式可得到準(zhǔn)確的要素值;

模擬輸出通道具備定值的電阻值/單端電壓值的輸出，分別對(duì)應(yīng)溫度/濕度/氣壓/風(fēng)向傳感器，準(zhǔn)確的模擬輸出可以模擬定值傳感器，例如電阻值模擬100Ω，其準(zhǔn)確對(duì)應(yīng)溫度為0℃。

4 結(jié)論

此項(xiàng)設(shè)計(jì)綜合運(yùn)用自動(dòng)氣象站和觀測(cè)要素傳感器工作原理、計(jì)算機(jī)信息處理技術(shù)和現(xiàn)代氣象科學(xué)技術(shù)等，對(duì)自動(dòng)氣象站故障判別進(jìn)行研究，在氣象站點(diǎn)發(fā)生氣象數(shù)據(jù)異常時(shí)，可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的傳感器、采集器實(shí)現(xiàn)快速診斷和故障定位，立足于解決自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)從采集到傳感器故障檢測(cè)問(wèn)題，提升自動(dòng)氣象站的排障效率，在確保氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性與連續(xù)性上具有重要意義。

參考文獻(xiàn)

[1]冉桂平，胡學(xué)敏，付晉，等.自動(dòng)氣象站資料綜合管理應(yīng)用系統(tǒng)[J].電腦知識(shí)與技術(shù)（學(xué)術(shù)交流），2007 （6）：1658.

[2]馬祖勝，馬強(qiáng)，湯冬平.自動(dòng)氣象站的日常管理和維護(hù)[J].氣象水文海洋儀器，2009（3）：108-110.

[3]陳作瓊，覃愛(ài)金.淺談自動(dòng)氣象站通信系統(tǒng)的管理與維護(hù)[J].農(nóng)業(yè)與技術(shù)，2012（9）：148.

[4]周欣，行鴻彥，季鑫源.多功能自動(dòng)氣象站控制與管理系統(tǒng)[J].電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2011（4）：348- 354.

[5]段慧霞. 基于自動(dòng)化氣象站特點(diǎn)的維護(hù)思路探索[J]. 赤子， 2018， 000（015）：263.

[6]葉小嶺， 張穎超， 張齊東，等. 具有故障自診斷自恢復(fù)功能的自動(dòng)化氣象站系統(tǒng)：， CN 103278868 B[P].