基于LoggerNet高層樓載自動(dòng)氣象站設(shè)計(jì)

李雪松

（四川省氣象探測(cè)數(shù)據(jù)中心，四川 成都 610072）

0 引 言

現(xiàn)今使用的自動(dòng)氣象站主要分為臺(tái)站式、車(chē)載式、便攜式和教學(xué)式等。臺(tái)站式站點(diǎn)設(shè)備繁雜、安裝維護(hù)難度較大并且專(zhuān)業(yè)性強(qiáng)，車(chē)載式自動(dòng)站雖相對(duì)簡(jiǎn)便，但材質(zhì)的使用和集成化的模塊使得價(jià)格昂貴，便攜式自動(dòng)站的特點(diǎn)是便于運(yùn)輸和安裝，同時(shí)具備許多無(wú)線通信模塊增加了費(fèi)用，教學(xué)式自動(dòng)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(jí)能力不高。集中各類(lèi)傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)，樓載式自動(dòng)站具有設(shè)備簡(jiǎn)單、易安裝、所占空間小、升級(jí)能力強(qiáng)、數(shù)據(jù)顯示便捷及費(fèi)用不高等特點(diǎn)。臺(tái)站式主要用于長(zhǎng)期觀測(cè)的固定站點(diǎn)，車(chē)載式最大的特點(diǎn)就是可隨時(shí)移動(dòng)，樓載式則可滿(mǎn)足氣象探測(cè)愛(ài)好者或只有很小一部分空間但又在較長(zhǎng)時(shí)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(dòng)氣象站主要用于測(cè)量溫、濕、風(fēng)、壓、雨及輻射等基本數(shù)據(jù)，站點(diǎn)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(lèi)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(jì)算機(jī)收集和保存，自動(dòng)氣象站由電池和太陽(yáng)板供能電能供給，氣象站運(yùn)行全景圖如圖1所示。

圖1 樓載自動(dòng)氣象站全景圖

圖1中右下角為MS05002-10-262型半導(dǎo)體太陽(yáng)能版，太陽(yáng)能板靠左的箱子內(nèi)裝有MC京制01080112號(hào)氣壓傳感器，CR200型處理器和電池，其中箱內(nèi)電池及太陽(yáng)能板共同構(gòu)成自動(dòng)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(chǔ)。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(jì)，黃色豎桿頂部為034b型測(cè)風(fēng)傳感器，此五類(lèi)傳感器構(gòu)成了自動(dòng)氣象站的數(shù)據(jù)采集板塊。

1.2 技術(shù)指標(biāo)

自動(dòng)氣象站構(gòu)建中，由于設(shè)備、經(jīng)費(fèi)以及定向用途的限制，如溫度不穩(wěn)定、成本過(guò)高、使用難度過(guò)大等，導(dǎo)致儀器不能正常運(yùn)行或建設(shè)難度增加，那么在此描述此類(lèi)自動(dòng)氣象站相關(guān)技術(shù)指標(biāo)，具體有：自動(dòng)氣象站高度230 cm；自動(dòng)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(shí)）或±1.1%（＞10.1 m/s時(shí)）；風(fēng)速傳感器啟動(dòng)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(jiàn)重要的技術(shù)指標(biāo)。

2 傳感器

自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)采集部分所使用各類(lèi)傳感器收集數(shù)據(jù)，所需數(shù)據(jù)均由各類(lèi)傳感器采集獲取。此站總共采用5個(gè)傳感器，分別是溫濕度傳感器、測(cè)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(lèi)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(jì)與研究所選，根據(jù)指標(biāo)的衡量選擇采用51375086型號(hào)（如圖2所示）的溫濕度傳感器，此類(lèi)型溫濕度傳感器在國(guó)際上經(jīng)常用于溫度、濕度測(cè)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(yáng)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(shí)保持空氣自由流通。安裝后不僅可防止太陽(yáng)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(shí)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(cè)量準(zhǔn)確度為±1.5%HR。此類(lèi)型傳感器準(zhǔn)確度非常高，所采集數(shù)據(jù)質(zhì)量相對(duì)提高。

2.2 風(fēng)速風(fēng)向傳感器

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

圖3 測(cè)風(fēng)傳感器

傳感器下方為三個(gè)風(fēng)杯分別成120度排列，用以測(cè)量水平風(fēng)速，上方為風(fēng)標(biāo)用以測(cè)量風(fēng)向。三杯傳感架、多齒轉(zhuǎn)盤(pán)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(hào)。風(fēng)向傳感器的敏感元件為單板風(fēng)標(biāo)，驅(qū)動(dòng)格雷碼碼盤(pán)、發(fā)光二級(jí)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(chǎng)、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等一系列需要風(fēng)參數(shù)測(cè)量的領(lǐng)域都能使用，同樣，愛(ài)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(shí)雨水通過(guò)漏斗流入翻斗，雨水集滿(mǎn)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(gè)導(dǎo)通脈沖后采集器觸發(fā)并記錄一個(gè)脈沖，記降水量為0.1 mm。翻斗再次翻轉(zhuǎn)采集器累計(jì)脈沖個(gè)數(shù)，測(cè)量值即為某時(shí)間段雨量總和。無(wú)降水時(shí)，脈沖數(shù)為0，處理器無(wú)降雨記錄。同樣，干簧管故障時(shí)如堵塞等，仍無(wú)數(shù)據(jù)記錄。雨量計(jì)都是會(huì)有一定的誤差，需盡可能建立氣象站時(shí)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(cè)量時(shí)，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(guó)際上較新的一種用于地面觀測(cè)的氣壓傳感器，其型號(hào)是MC京制01080112號(hào)氣壓傳感器。優(yōu)點(diǎn)為頻率響應(yīng)高、適于動(dòng)態(tài)測(cè)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(duì)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(lèi)繁多，因其特殊用途指向考慮選用的輻射測(cè)量傳感器為華創(chuàng)升達(dá)HTZD-1輻射計(jì)（如圖6所示）。該輻射計(jì)信號(hào)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(yáng)直射所得的為較少部分，大部分均通過(guò)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(yáng)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(yáng)能板是我們主要的氣象站的能源之一。采用太陽(yáng)能板型號(hào)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(jiǎn)稱(chēng)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(yáng)極符合而得到，其核心成分為硅。

圖7 太陽(yáng)能板

使用此類(lèi)太陽(yáng)能板的優(yōu)勢(shì)有：價(jià)格低、壽命較長(zhǎng)、性能較穩(wěn)定、便于安裝等。使用時(shí)，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(shí)放有一臺(tái)MC京制01080112號(hào)氣壓傳感器和一臺(tái)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(guò)導(dǎo)線將傳感器與處理器連接，實(shí)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(yáng)能板等供電設(shè)備構(gòu)建具有獨(dú)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(duì)儀器造成的影響，起到除濕作用保護(hù)處理器。

3.2.2 CR200簡(jiǎn)單介紹

氣象站選擇處理器型號(hào)為CR200，其支持CRBasic的可編程邏輯器件，可外接傳感器，通過(guò)接口和通信協(xié)議互傳信息交互處理，實(shí)現(xiàn)衍生功能，可打開(kāi)、編寫(xiě)和處理基礎(chǔ)程序，并在使用程序編程時(shí)，不僅可實(shí)現(xiàn)CR200原存測(cè)量和計(jì)算功能，還可升級(jí)設(shè)備、文件等使得CR200競(jìng)爭(zhēng)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(chǔ)疊加和感應(yīng)擴(kuò)展等，擇用CR200型處理器對(duì)傳感器兼容性強(qiáng)，對(duì)自身可多功能擴(kuò)展，對(duì)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(shí)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(dú)立PC通信，也可通過(guò)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(shí)，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(yáng)能板固定。

表1 處理器與傳感器接線方法

4 注意事項(xiàng)

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?chē)鷼饬髑鍧嵦?，且需定時(shí)查看確保無(wú)堵塞。其次，需安裝于距磁鐵較遠(yuǎn)處，磁鐵的磁性會(huì)影響翻斗下翻效率，導(dǎo)致數(shù)據(jù)記錄出錯(cuò)。最后，正常工作時(shí)如降雨數(shù)據(jù)仍出現(xiàn)明顯錯(cuò)誤，特別是無(wú)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(shí)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(yáng)光照射下會(huì)影響采集數(shù)據(jù)的真實(shí)性，導(dǎo)致所采數(shù)據(jù)偏差，安裝時(shí)采用防輻射罩避免由于太陽(yáng)照射對(duì)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?chē)鷾囟茸兓瘋鞲衅鳒y(cè)量延遲。再次，需在晝夜溫差大時(shí)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(cè)風(fēng)傳感器

側(cè)鳳傳感器測(cè)量位置是較高，設(shè)備的維護(hù)以部件檢測(cè)和更換為主。檢查時(shí)需將測(cè)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(dòng)格雷盤(pán)，使用萬(wàn)用表電壓檔分別測(cè)量?jī)蓴?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(shí)解決。

4.4 其他

數(shù)據(jù)采集需保證及時(shí)性，理器能存儲(chǔ)空間有限，數(shù)據(jù)溢出時(shí)處理辦法為新進(jìn)數(shù)據(jù)覆蓋老數(shù)據(jù)，按照時(shí)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(shí)，需停止測(cè)量并將設(shè)備置于安全處。自動(dòng)觀測(cè)時(shí)，如有雨水侵入或過(guò)度潮濕需及時(shí)清理雨水和加入干燥劑以免電路短路影響測(cè)量。處理器及傳感器等硬件設(shè)備都應(yīng)及時(shí)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(shí)取出數(shù)據(jù)，取數(shù)時(shí)使用LoggerNet軟件。此軟件具體使用方法如下：

（1）將LoggerNet打開(kāi)，點(diǎn)擊connect按鈕出現(xiàn)如圖8所示窗口；

圖8 connect窗口界面

（2）點(diǎn)擊圖8窗口中“連接”按鈕，等待連接；

（3）連接后點(diǎn)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(chǔ)存所采數(shù)據(jù)。

5.2 總結(jié)

可在寫(xiě)字板或記事本中打開(kāi)也可使用excel表格打開(kāi)，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(cè)愛(ài)好者及低要求使用者均能方便的使用數(shù)據(jù)。同時(shí)，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(yàn)和技術(shù)。此氣象站設(shè)備選擇采用國(guó)際較先進(jìn)且常用型號(hào)的儀器，便于非專(zhuān)業(yè)人員操作使用，愛(ài)好者操作時(shí)需盡量避免造成對(duì)設(shè)備或數(shù)據(jù)的損壞。

5 結(jié) 論

本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)基于LoggerNet樓載式自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)采集，其優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)是數(shù)據(jù)保密性差、暫時(shí)無(wú)法接入網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)傳輸、數(shù)據(jù)精確度居中、多站點(diǎn)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。