固態(tài)降水傳感器現(xiàn)場(chǎng)核查裝置技術(shù)研究

趙建凱，重 陽(yáng)，張平貴

(內(nèi)蒙古自治區(qū)大氣探測(cè)技術(shù)保障中心，呼和浩特 010100)

0 引言

當(dāng)前地面氣象觀測(cè)設(shè)備種類越來越多，隨著山洪地質(zhì)災(zāi)害防治氣象保障工程、氣象監(jiān)測(cè)預(yù)警補(bǔ)短板工程等建設(shè)項(xiàng)目的推進(jìn)[1]，氣象系統(tǒng)安裝運(yùn)行的固態(tài)降水傳感器(稱重降水傳感器)數(shù)量越來越大，同時(shí)，基于冬季降水氣象服務(wù)的需求，固態(tài)降水傳感器的降水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)越來越重要，其數(shù)據(jù)質(zhì)量要求也越來越高[2]。結(jié)合中國(guó)氣象局ISO9001氣象觀測(cè)質(zhì)量管理體系的要求，在設(shè)備運(yùn)行保障方面必須保證觀測(cè)設(shè)備的數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠、數(shù)據(jù)精度可信，所以對(duì)固態(tài)降水傳感器的現(xiàn)場(chǎng)核查測(cè)試、計(jì)量檢定顯得尤為重要[3]，但由于目前我國(guó)并沒有量產(chǎn)可購(gòu)專門針對(duì)固態(tài)降水傳感器成熟應(yīng)用的測(cè)試測(cè)量?jī)x器，所以在開展固態(tài)降水傳感器現(xiàn)場(chǎng)核查工作時(shí)，操作人員面臨較繁瑣的操作步驟。同時(shí)，《JJG 669-2017 稱重傳感器檢定規(guī)程》[4]及《QX/T320-2016稱重式降水測(cè)量?jī)x》[5]中提出了通過砝碼進(jìn)行校準(zhǔn)核查的方法[6]，但并沒有可靠有效易于操作的儀器設(shè)備。

基于目前的運(yùn)行情況，非常有必要開發(fā)并推廣應(yīng)用固態(tài)降水傳感器的現(xiàn)場(chǎng)核查裝置。

1 固態(tài)降水傳感器結(jié)構(gòu)與原理

固態(tài)降水傳感器是一種為了彌補(bǔ)雙翻斗雨量傳感器不能用于冬季降水觀測(cè)的短板而業(yè)務(wù)化使用的一種氣象觀測(cè)設(shè)備，主要用于冬季降水觀測(cè)。其工作原理是通過對(duì)落入其中的降水進(jìn)行稱重，然后將重量經(jīng)過計(jì)算換算成氣象行業(yè)通用的以毫米為計(jì)量單位的降水量數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)可兼容液態(tài)和固態(tài)降水的觀測(cè)設(shè)備。

如圖1所示，固態(tài)降水傳感器主要由稱重單元、數(shù)據(jù)處理單元以及外圍組件組成。其中稱重單元由載荷元件和信號(hào)調(diào)理電路組成，依據(jù)生產(chǎn)廠家和設(shè)備型號(hào)的不同，載荷元件分為弦振式傳感器和平行梁式傳感器，前者由3支傳感器將集水桶懸掛在結(jié)構(gòu)件上，后者由1支傳感器將集水桶承托在底座上。外圍組件包括安裝基座和防風(fēng)圈、降水入口的保護(hù)罩、承載降水的集水桶等[7-8]。

固態(tài)降水傳感器配備單獨(dú)的電源箱以及數(shù)據(jù)采集箱，在業(yè)務(wù)使用時(shí)，可以通過連接自動(dòng)氣象站作為一個(gè)觀測(cè)要素使用，也可以通過配備通訊模塊單獨(dú)進(jìn)行使用。其信號(hào)輸出端口包括模擬翻斗雨量傳感器輸出的脈沖端口，以及RS232和RS485的串口形式。

圖1 稱重式降水傳感器結(jié)構(gòu)框圖

需要特別說明的是，在固態(tài)降水進(jìn)入集水桶時(shí)，需穿過被支架架在集水桶的上端且與集水桶口無接觸的OPD降水發(fā)生探測(cè)器。如圖2所示，OPD利用紅外線光束探測(cè)，一端為接收端，另一端為發(fā)射端。當(dāng)有顆粒穿過紅外光束時(shí)，導(dǎo)致接收端信號(hào)產(chǎn)生電平變化，固態(tài)降水傳感器數(shù)據(jù)處理單元通過信號(hào)變化識(shí)別并判斷是否有降水發(fā)生，從而控制數(shù)據(jù)處理單元是否將變化的重量作為干擾數(shù)據(jù)[9]。

圖2 OPD降水發(fā)生探測(cè)器結(jié)構(gòu)俯視圖

OPD降水發(fā)生探測(cè)器的加入，主要用于設(shè)備端的數(shù)據(jù)質(zhì)量控制。由于固態(tài)降水傳感器的檢測(cè)核心是稱重，所以在設(shè)備實(shí)際使用中，由于風(fēng)中攜帶的落葉和異物、蟲鳥的落入，以及人為投入的異物等原因都會(huì)導(dǎo)致固態(tài)降水傳感器檢測(cè)到重量變化而輸出降水量野值。而加入OPD降水發(fā)生探測(cè)器后，當(dāng)上述異物從三路光束覆蓋范圍以外區(qū)域落入時(shí)，OPD接收端并不會(huì)產(chǎn)生電平變化；當(dāng)異物從光束中穿過時(shí)，接收端的電平只發(fā)生一次變化，即只發(fā)生一個(gè)脈沖信號(hào)。而發(fā)生降水現(xiàn)象時(shí)，可以認(rèn)為無論是降雨還是降雪，雨滴和雪花都是在一個(gè)小區(qū)域均勻下落的，足以覆蓋固態(tài)降水傳感器20厘米口徑的入口口沿，并且持續(xù)的降水現(xiàn)象，可以不斷阻擋紅外光束，致使OPD接收端輸出連續(xù)的脈沖，依據(jù)降水強(qiáng)度的不同，脈沖的頻率也會(huì)不同?；诖嗽?，OPD可以盡最大可能排除設(shè)備端落入異物導(dǎo)致的觀測(cè)數(shù)據(jù)野值。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

固態(tài)降水傳感器核查設(shè)備主要由數(shù)據(jù)獲取裝置和加重裝置構(gòu)成，前者完成固態(tài)降水傳感器采集器的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)讀取、環(huán)境氣壓、溫度、濕度信息的檢測(cè)，加重裝置和人機(jī)交互部件的控制，以及與現(xiàn)場(chǎng)核查平臺(tái)的交互。加重裝置主要以配備降水模擬器和砝碼托盤的三腳支架及砝碼組構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)降水的模擬及砝碼的承載。

此外，由于目前我國(guó)氣象觀測(cè)臺(tái)站業(yè)務(wù)在用的固態(tài)降水傳感器主要有3個(gè)型號(hào)，在進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取時(shí)，有的型號(hào)可以在固態(tài)降水傳感器上完成，而有的型號(hào)在不拆解傳感器外殼的情況下需要在主采集器端讀取，因此，為了增加核查設(shè)備的適應(yīng)性和便捷性，核查設(shè)備的數(shù)據(jù)讀取部分和加重裝置需進(jìn)行分體設(shè)計(jì)，通過ZigBee無線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)核查設(shè)備結(jié)構(gòu)

3 加重裝置硬件設(shè)計(jì)

OPD降水模擬器作為加重裝置的核心，安裝于加重裝置三腳架上，在現(xiàn)場(chǎng)核查時(shí)，需要將三腳架放入固態(tài)降水傳感器集水桶，同時(shí)保證降水模擬器能夠阻斷OPD降水發(fā)生探測(cè)器的紅外光束，并且發(fā)出的可控頻率和占空比的光束能夠被OPD降水探測(cè)器檢測(cè)到。加重裝置安裝后的結(jié)構(gòu)如圖4，加重裝置三腳支架高度可調(diào)，當(dāng)用于DSC3型固態(tài)降水傳感器時(shí)，由于該型號(hào)集水桶高度固定，所以降水模擬器紅外光束與三角支架底部的垂直距離約為33.2 cm即可；當(dāng)應(yīng)用于DSC2型固態(tài)降水傳感器時(shí)，由于該型號(hào)集水桶由三支弦振傳感器懸掛安裝，而弦振傳感器安裝時(shí)高度具有一定的調(diào)整空間，經(jīng)實(shí)際測(cè)量驗(yàn)證可知，降水發(fā)生探測(cè)器紅外光束距離集水桶底部的垂直距離約為33.0 cm到34.5 cm之間，在實(shí)際使用時(shí)，經(jīng)過實(shí)際測(cè)試驗(yàn)證，將降水模擬器紅外光束與三角支架底部的垂直距離調(diào)整為33.8 cm時(shí)，能夠確保集水桶安裝高度在最高或最低時(shí)降水發(fā)生探測(cè)器均能夠正常探測(cè)到降水模擬器信號(hào)。

圖4 加重裝置安裝效果圖

在降水模擬器紅外發(fā)射管點(diǎn)亮?xí)r，需結(jié)合固態(tài)降水的實(shí)際情況，進(jìn)行頻率和占空比的設(shè)計(jì)，盡可能模擬真實(shí)降水發(fā)生的情況，以保證降水模擬有效可靠，在該裝置中，降水模擬器紅外管點(diǎn)亮?xí)r，相當(dāng)于無降水現(xiàn)象發(fā)生，當(dāng)降水模擬器紅外管熄滅時(shí)，降水模擬器完全阻擋降水發(fā)生探測(cè)器光束，當(dāng)降水模擬器紅外管再次點(diǎn)亮，由亮-滅-亮的過程形成一個(gè)信號(hào)脈沖，相當(dāng)于有物體穿過降水發(fā)生探測(cè)器。

在電路信號(hào)上，當(dāng)無粒子穿過OPD降水發(fā)生探測(cè)器光束時(shí)，OPD輸出信號(hào)為高電平，當(dāng)粒子穿過光束發(fā)生光路遮擋時(shí)，信號(hào)呈現(xiàn)低電平，OPD光束共三路，只要有一路有粒子穿過，整體輸出信號(hào)就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)脈沖，所以在降水現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，也就是固態(tài)降水傳感器稱重重量發(fā)生變化的同時(shí)，OPD信號(hào)需要輸出連續(xù)的脈沖信號(hào)。

降水模擬器的工作通過數(shù)據(jù)獲取裝置無線控制，主要包含紅外發(fā)光管控制電路、蜂鳴器提示電路、Zigbee網(wǎng)絡(luò)電路，其供電采用外接5 V蓄電池的方式實(shí)現(xiàn)，電路結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 電路結(jié)構(gòu)圖

4 數(shù)據(jù)獲取裝置硬件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)獲取裝置主要實(shí)現(xiàn)固態(tài)降水傳感器的檢測(cè)數(shù)據(jù)讀取以及系統(tǒng)運(yùn)行控制和人機(jī)交互。其結(jié)構(gòu)如圖6所示。在進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)時(shí)，充分考慮使用的方便性和合理性，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)核查業(yè)務(wù)相關(guān)指導(dǎo)文件要求，設(shè)計(jì)了氣壓、溫度、濕度檢測(cè)模塊，并預(yù)留了自動(dòng)氣象站現(xiàn)場(chǎng)核查平臺(tái)(此處不涉及現(xiàn)場(chǎng)核查平臺(tái)具體內(nèi)容)連接端口。

圖6 結(jié)構(gòu)圖

數(shù)據(jù)獲取裝置采用STM32F103VCT6單片機(jī)作為核心處理器，STM32F103VCT6是一款高密度性能ARM Cortex-M3 32位微控制器，它包含72 MHz運(yùn)行頻率高性能RISC核心，高速嵌入式存儲(chǔ)器，具有12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，計(jì)時(shí)器，PWM計(jì)時(shí)器，以及3個(gè)SPI外設(shè)接口，2個(gè)I2C外設(shè)接口，以及5個(gè)UART外設(shè)接口，廣泛應(yīng)用于嵌入式設(shè)計(jì)與開發(fā)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制，醫(yī)用，便攜式器材，無線，工業(yè)，成像，視頻和目視，消費(fèi)電子產(chǎn)品等領(lǐng)域，能夠滿足本設(shè)計(jì)的需求[10-11]。

4.1 電源控制電路

數(shù)據(jù)獲取裝置使用時(shí)，位于與其連接的自動(dòng)氣象站主采集器機(jī)箱或固態(tài)降水傳感器采集箱，而采集箱均具備12 V直流電源供電，所以數(shù)據(jù)獲取裝置的工作電源采用業(yè)務(wù)設(shè)備電源即可。數(shù)據(jù)獲取裝置的電源模塊，采用TPS5430作為核心電源芯片[12-13]，TPS5430是德州儀器公司生產(chǎn)的電源管理芯片，該芯片支持5.5～36 V的寬輸入電壓范圍，具備高輸出電流的能力，能夠輸出高達(dá)3 A的持續(xù)電流。其電路結(jié)構(gòu)如圖所示，通過設(shè)置電阻R8為10 k，R7為5.9 k確定電源電路輸出電壓為3.3 V。

圖7 電源電路

4.2 接口電路

氣象系統(tǒng)業(yè)務(wù)在用的固態(tài)降水傳感器輸出信號(hào)主要有三種，分別為RS232、RS485和脈沖方式，所以在數(shù)據(jù)獲取裝置接口電路設(shè)計(jì)時(shí)，需同時(shí)具備3種數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)采集能力。如圖8所示，RS232采用MAX3232ESE芯片作為RS232電平與TTL電平的轉(zhuǎn)換芯片，連接到MCU的UART5端口，RS485采用SSP3485芯片實(shí)現(xiàn)RS485與UART端口TTL電平的轉(zhuǎn)換，連接于MCU的USART1端口，此外還需要將SSP3485的/RE和DE引腳連接于MCU的對(duì)應(yīng)引腳，作為RS485通信數(shù)據(jù)收發(fā)的控制[14]。同時(shí)為了增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，在串口輸入端口增加了瞬態(tài)抑制二極管及可恢復(fù)保險(xiǎn)絲作為端口保護(hù)。

此外，脈沖輸入方式采用光電耦合器作為隔離器件連接到MCU，以便增強(qiáng)電路的可靠性和耐用性。

圖8 接口電路圖

4.3 傳感器電路

氣象設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)核查相關(guān)規(guī)定要求，在進(jìn)行探測(cè)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)核查時(shí)，需同時(shí)記錄當(dāng)時(shí)壓溫濕等氣象要素?cái)?shù)據(jù)，該核查設(shè)備通過在數(shù)據(jù)采集模塊上設(shè)計(jì)相關(guān)檢測(cè)電路和傳感器，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境壓溫濕氣象要素的檢測(cè)和記錄，并連同固態(tài)降水傳感器的檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行打包存儲(chǔ)和上傳。

氣壓的檢測(cè)選用BMP180作為敏感元件，BMP180是Bosch Sensortec的一種高精度數(shù)字氣壓和溫度傳感器，可以測(cè)量環(huán)境溫度、壓力和高度[15-16]。BMP180是超低功耗，低電壓的電子元件，經(jīng)過優(yōu)化，具有高精度和高穩(wěn)定性，適用于移動(dòng)電話，PDA，GPS導(dǎo)航設(shè)備和戶外設(shè)備。

它由壓阻傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器，帶E2PROM和串行I2C接口的控制單元組成，通過I2C總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，其壓力測(cè)量范圍為300至1 100 hPa(海拔9 000米～-500米)，芯片電壓1.62～3.6 V(VDD)，高線性模式下，分辨率為0.03 hPa，內(nèi)部溫度傳感器精度為0.5℃。

溫濕度的檢測(cè)選用SHT21作為敏感元件，SHT21是新一代Sensirion濕度和溫度傳感器，該傳感器出廠時(shí)都經(jīng)過了校準(zhǔn)和測(cè)試，確保檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確，其輸出數(shù)據(jù)的分辨率可通過命令進(jìn)行修改。該元件相對(duì)濕度的分辨率典型值為0.04%RH(12bit)，精度誤差的典型值在20℃到80℃間為±2%RH，在接近0%RH和100%RH附近約為±3%RH。溫度的分辨率典型值為0.01℃(12bit)，精度誤差典型值為±0.3℃。傳感器的供電電壓典型值為3.0 V，最大值為3.6 V。SHT21還包含了一個(gè)放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、OTP內(nèi)存和數(shù)字處理單元，并且通過I2C接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互[17-20]。

由于選用的微處理器具備兩個(gè)I2C接口，而數(shù)據(jù)采集模塊配置的人機(jī)交互顯示器為I2C接口，所以氣壓傳感器和溫濕度傳感器只能用同一個(gè)I2C接口，由于選用的兩個(gè)傳感器均無法設(shè)置地址，所以可以通過數(shù)字開關(guān)切換進(jìn)行復(fù)用或通過專用芯片完成I2C端口的擴(kuò)展。綜合運(yùn)行可靠性及穩(wěn)定性，選用總線切換器PCA9548完成I2C總線的擴(kuò)展。

PCA9548是恩智浦公司生產(chǎn)的I2C總線擴(kuò)展器，可將1路I2C總線擴(kuò)展為8路，實(shí)現(xiàn)在不設(shè)置I2C總線設(shè)備地址的情況下，1臺(tái)主設(shè)備與8臺(tái)從設(shè)備的數(shù)據(jù)交互。使用PCA9548的氣壓、溫濕度傳感器檢測(cè)電路如圖所示。PCA9548的地址線A2、A1、A0均連接到GND，設(shè)置地址值為“000”，在PCA9548的前后端I2C總線SDA、SCL信號(hào)線上均連接4.7 kΩ上拉電阻。

圖9 傳感器檢測(cè)電路

4.4 ZigBee無線局域網(wǎng)

在自動(dòng)氣象站的日常維護(hù)及計(jì)量檢定工作中，所有運(yùn)行的設(shè)備，均需進(jìn)行周期性的計(jì)量檢定，所以現(xiàn)場(chǎng)核查是一種面向所有觀測(cè)設(shè)備開展的基礎(chǔ)性工作，但不同的觀測(cè)設(shè)備使用的現(xiàn)場(chǎng)核查設(shè)備和流程均不同，為了工作的整體一致性和工作人員的便捷性，以一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)核查主機(jī)結(jié)合多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)核查設(shè)備組成的一主多分式現(xiàn)場(chǎng)核查平臺(tái)是非常有必要的，但受制于觀測(cè)場(chǎng)中各觀測(cè)儀器安裝位置的分布情況，各設(shè)備的連接采用無線通信方式無疑是最佳的選擇。在無線通信領(lǐng)域，ZigBee通信方式恰恰是最適合該領(lǐng)域的一種方式。

ZigBee是一種用于短距離傳輸?shù)牡退贌o線網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，具備功耗低、成本低、安全可靠的優(yōu)點(diǎn)，可搭建多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[21]。

固態(tài)降水傳感器核查裝置中，數(shù)據(jù)采集模塊和加重裝置均可作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器或終端節(jié)點(diǎn)，在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接時(shí)，數(shù)據(jù)采集模塊作為協(xié)調(diào)器與終端節(jié)點(diǎn)加重裝置進(jìn)行組網(wǎng)連接完成固態(tài)降水傳感器的現(xiàn)場(chǎng)核查，然后數(shù)據(jù)采集模塊作為終端節(jié)點(diǎn)與作為協(xié)調(diào)器的現(xiàn)場(chǎng)核查平臺(tái)連接組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)核查數(shù)據(jù)的上傳。

現(xiàn)場(chǎng)核查設(shè)備的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，采用基于CC2530的E18-MS1-IPX模塊實(shí)現(xiàn)，CC2530是TI公司開發(fā)的一款專門用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)募尚酒邆涞凸暮偷统杀镜膬?yōu)勢(shì)，目前在軍民領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。

而集成了CC2530的ZigBee3.0自組網(wǎng)低功耗串口透?jìng)鞴I(yè)級(jí)物聯(lián)網(wǎng)模組E18-MS1-IPX內(nèi)置了PA+LNA、內(nèi)置了ZigBee協(xié)議棧，其功率為4 dBm，通訊距離達(dá)到0.24 km，可作為協(xié)調(diào)器、路由器和終端。采用該模塊的電路如圖10所示。

圖10 ZigBee無線組網(wǎng)電路

其中，模塊通過串口與MCU進(jìn)行通訊，同時(shí)連接兩顆LED指示燈，作為網(wǎng)絡(luò)連接和運(yùn)行正常的信息指示，同時(shí)為了增強(qiáng)用戶體驗(yàn)，將網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)和運(yùn)行狀態(tài)信息引腳也接入了MCU。

4.5 人機(jī)交互設(shè)計(jì)

現(xiàn)場(chǎng)核查裝置在使用中，無法避免的需要進(jìn)行人工交互，考慮到核查裝置需簡(jiǎn)單易用，所以在人機(jī)交互部件中設(shè)置了顯示屏、按鍵、蜂鳴器以及必要的LED指示燈。

其中顯示裝置采用12864OLED顯示屏實(shí)現(xiàn)，其供電電壓為3.3 V，通訊方式為I2C，占用MCU一個(gè)I2C外設(shè)接口，用來顯示固態(tài)降水傳感器檢測(cè)到的重量數(shù)據(jù)以及換算出的降水量；蜂鳴器主要用于加重裝置的操作提醒，在設(shè)備進(jìn)行使用時(shí)，操作人員需根據(jù)蜂鳴器及顯示屏的提示信息進(jìn)行操作。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

5.1 軟件設(shè)計(jì)思路和編程方法

固件程序基于Keil開發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)，Keil軟件是一款廣泛應(yīng)用于單片機(jī)硬件開發(fā)領(lǐng)域的C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)軟件。數(shù)據(jù)讀取裝置的固件程序主要完成RS232、RS485以及脈沖雨量采集端口的驅(qū)動(dòng)和控制，環(huán)境壓溫濕氣象要素的檢測(cè)，以及人機(jī)交互、加重裝置交互等功能；同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)打包處理并發(fā)送到現(xiàn)場(chǎng)核查平臺(tái)(現(xiàn)場(chǎng)核查平臺(tái)不在此處敘述)及現(xiàn)場(chǎng)OLED顯示屏。加重裝置固件程序主要完成OPD降水模擬器的驅(qū)動(dòng)、人機(jī)交互裝置的驅(qū)動(dòng)以及數(shù)據(jù)讀取裝置的交互等。

固件程序的開發(fā)，采用模塊化編程方式，程序結(jié)構(gòu)由主程序文件以及功能部件程序文件組成。

5.2 軟件實(shí)現(xiàn)流程圖

軟件實(shí)現(xiàn)流程如圖11所示，數(shù)據(jù)獲取裝置首先進(jìn)行外設(shè)初始化并讀取設(shè)置參數(shù)，然后實(shí)現(xiàn)開機(jī)信息的顯示。

圖11 軟件實(shí)現(xiàn)流程圖

當(dāng)開始核查按鍵按下后，數(shù)據(jù)獲取裝置開始進(jìn)行環(huán)境氣象要素檢測(cè)；其次通過RS232及RS485端口每間隔一分鐘發(fā)送DMPR命令到固態(tài)降水傳感器采集器串行端口，依據(jù)中國(guó)氣象局固態(tài)降水傳感器功能需求書命令格式要求，讀取4位狀態(tài)標(biāo)識(shí)、分鐘降水量、分鐘降水量質(zhì)量標(biāo)識(shí)、小時(shí)降水量、小時(shí)降水量質(zhì)量標(biāo)識(shí)和實(shí)時(shí)質(zhì)量數(shù)據(jù)，并對(duì)讀取的降水量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，同時(shí)依據(jù)狀態(tài)標(biāo)識(shí)和質(zhì)量標(biāo)識(shí)做出數(shù)據(jù)正常、不合格、警告的提示。

與此同時(shí)，數(shù)據(jù)獲取裝置的脈沖雨量檢測(cè)端口開啟工作，針對(duì)既有串口數(shù)據(jù)輸出、又有脈沖雨量輸出的設(shè)備，進(jìn)行二者的同步檢測(cè)與數(shù)據(jù)比對(duì)，針對(duì)只有脈沖方式輸出的設(shè)備，通過脈沖端口進(jìn)行降水量的記錄。

此外，數(shù)據(jù)獲取裝置同時(shí)通知加重裝置開啟OPD降水模擬器，并通過顯示屏和蜂鳴器通知加重。加重完成后，為避免風(fēng)吹及人為晃動(dòng)導(dǎo)致的數(shù)值誤差，需要在數(shù)據(jù)獲取裝置上點(diǎn)按加重完成按鈕，數(shù)據(jù)獲取裝置通知加重裝置關(guān)閉OPD降水模擬器，以免造成數(shù)據(jù)干擾，影響固態(tài)降水傳感器的測(cè)量。

系統(tǒng)完成現(xiàn)場(chǎng)核查后，數(shù)據(jù)獲取裝置顯示讀取到的降水量數(shù)據(jù)、環(huán)境氣象要素值及重量變化值，并將重量變化值對(duì)應(yīng)的降水量與直接輸出的降水量值進(jìn)行比對(duì)，最后通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)上傳至現(xiàn)場(chǎng)核查平臺(tái)。

6 現(xiàn)場(chǎng)核查流程與核查結(jié)果

6.1 核查步驟和方法

參照中國(guó)氣象局《地面氣象自動(dòng)觀測(cè)規(guī)范(第一版)》要求，固態(tài)降水傳感器需進(jìn)行周期性現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、核查，設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)核查應(yīng)選擇晴朗的天氣進(jìn)行。

首先關(guān)閉固態(tài)降水傳感器采集器電源，斷開固態(tài)降水傳感器與主采集器連接的數(shù)據(jù)線，檢查承水口水平、高度，以及集水桶內(nèi)部液面高度。清除承水口的蜘蛛網(wǎng)及其他堵塞物，如遇承水口沿被積雪覆蓋，應(yīng)及時(shí)將承水口沿內(nèi)部的積雪掃入桶內(nèi)，承水口沿外部的積雪清除。在冬季開展現(xiàn)場(chǎng)核查工作時(shí)，觀察集水桶內(nèi)是否有結(jié)冰，如有，先對(duì)積冰進(jìn)行清除，待核查完成后加入防凍液以及抑制蒸發(fā)油，如在夏季開展現(xiàn)場(chǎng)核查工作，觀察集水桶內(nèi)是否有足夠的抑制蒸發(fā)油，如果缺少需按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行添加[22-24]。

完成固態(tài)降水傳感器維護(hù)后，將加重裝置放入集水桶內(nèi)，并使其保持穩(wěn)定，開啟加重裝置工作電源，同時(shí)使用自動(dòng)氣象站主采集器機(jī)箱電源為數(shù)據(jù)獲取裝置提供電源并開機(jī)。

數(shù)據(jù)獲取裝置運(yùn)行后，會(huì)自動(dòng)與加重裝置建立無線網(wǎng)絡(luò)連接，并讀取固態(tài)降水傳感器稱重單元起始重量值。按下“開始”按鈕后，數(shù)據(jù)獲取裝置發(fā)送指令到加重裝置，加重裝置開啟OPD降水模擬器，以設(shè)定頻率和脈寬發(fā)出紅外光束，并通知用戶放入砝碼。

放入砝碼后，在數(shù)據(jù)獲取裝置上按下“完成”按鈕，加重裝置關(guān)閉降水模擬器，數(shù)據(jù)獲取裝置進(jìn)入數(shù)據(jù)采集階段，待固態(tài)降水傳感器檢測(cè)的數(shù)據(jù)全部獲取后，結(jié)束單次現(xiàn)場(chǎng)核查過程。

6.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析

實(shí)驗(yàn)選用由天津華云天儀特種氣象探測(cè)技術(shù)有限公司生產(chǎn)的編號(hào)為202007210245的DSC2型稱重式降水傳感器為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，數(shù)據(jù)獲取裝置采用RS232串行通信方式及通斷信號(hào)方式分別與固態(tài)降水傳感器采集器的“RS232”和“雨量”端口相連，實(shí)驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果如下表1所示。通過將不同重量值的標(biāo)準(zhǔn)重量塊放置到加重裝置上，再讀取固態(tài)降水傳感器檢測(cè)數(shù)據(jù)并進(jìn)行誤差分析的方法實(shí)現(xiàn)。表1中的要素說明如下：

1)加重值(g)：為了接近實(shí)際降水量及凸顯固態(tài)降水傳感器檢測(cè)性能，加重值包含1個(gè)500 g標(biāo)準(zhǔn)砝碼塊及其他8種不同重量的重量塊，每個(gè)重量塊在加重放置前通過已校準(zhǔn)的精度為0.01 g的電子天平進(jìn)行測(cè)量，分別進(jìn)行3次測(cè)量取算術(shù)平均值作為最終重量值，各重量塊累積加重。

2)理論降水量(mm)：由加重值依據(jù)下式換算而來。其中，m為稱重測(cè)量所得重量值(單位g)；d為固態(tài)降水傳感器降水入口直徑(20 cm)；ρ為水的密度；p為降水量(單位mm)；

(1)

3)雨量端口降水量(mm)：通過固態(tài)降水傳感器脈沖輸出端口讀取的雨量數(shù)值；

4)串口重量測(cè)量值(g)：通過串口讀取的固態(tài)降水傳感器重量檢測(cè)值；

5)串口降水量計(jì)算值(mm)：由串口讀取的固態(tài)降水傳感器重量測(cè)量值依據(jù)公式(1)計(jì)算而得的降水量值，用于核查固態(tài)降水傳感器的串口降水量測(cè)量值；

6)串口降水量(mm)：由串口讀取的固態(tài)降水傳感器檢測(cè)到的降水量值(單位mm)。

7)重量值誤差(g)：固態(tài)降水傳感器重量測(cè)量值與加重值的差值；

8)雨量端口降水量誤差(mm)：脈沖輸出端口降水量測(cè)量值與理論值差值；

9)串口降水量誤差(mm)：串口讀取的降水量與理論值的差值。

此外，由于固態(tài)降水傳感器的測(cè)量誤差為±0.4 mm(≤10 mm)，±4%(>10 mm)，分辨率為0.1 mm，且重量的測(cè)量精度為0.1 g，所以表1中加重值保留2位小數(shù)，串口重量測(cè)量值保留1位小數(shù)，雨量值保留1位小數(shù)，串口降水量計(jì)算值保留2位小數(shù)。

表1 核查裝置試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果

從測(cè)量結(jié)果可知：

1)固態(tài)降水傳感器測(cè)得的“串口重量測(cè)量值”與標(biāo)準(zhǔn)“加重值”相比最大誤差為2.07 g，依據(jù)公示(2)計(jì)算得出相關(guān)系數(shù)為0.999 992。測(cè)量誤差換算成降水量值誤差小于0.1 mm，但當(dāng)下次降水達(dá)1.07 g時(shí)，會(huì)輸出0.1 mm降水量，產(chǎn)生新的誤差。

(2)

2)固態(tài)降水傳感器的“雨量端口降水量”值與“串口降水量”值保持一致，表明在固態(tài)降水傳感器數(shù)據(jù)輸出時(shí)，即使采用不同的端口，輸出數(shù)據(jù)是一致的；降水量測(cè)量值與理論降水量相比，誤差最大為0.1 mm，依據(jù)公示(2)得出相關(guān)系數(shù)為0.999 90。由于測(cè)量原理的原因，固態(tài)降水傳感器單次降水換算為降水量后不足3.14 g的部分，依然會(huì)存儲(chǔ)在設(shè)備中，與下次降水量變化值疊加后，轉(zhuǎn)移到新的降水量輸出，如加重值271.46 g、91.75 g和123.62 g所對(duì)應(yīng)的降水量測(cè)量值均比理論值大0.1 mm；而對(duì)于初始加重500 g標(biāo)準(zhǔn)砝碼出現(xiàn)的重量測(cè)量值較大，但降水量測(cè)量值較小的現(xiàn)象，可能由固態(tài)降水傳感器質(zhì)量控制算法和測(cè)量誤差導(dǎo)致，可見，相比于對(duì)固態(tài)降水傳感器重量測(cè)量值核查，直接讀取降水量值進(jìn)行核查更客觀真實(shí)。

在現(xiàn)場(chǎng)核查時(shí)，由于環(huán)境氣象要素的檢測(cè)僅用于指示當(dāng)前氣象環(huán)境，無精度要求，所以環(huán)境氣象要素的測(cè)試采用與檢定合格的業(yè)務(wù)在用設(shè)備DZZ5型自動(dòng)氣象站在同一環(huán)境中比對(duì)實(shí)現(xiàn)，如表2所示。

表2 環(huán)境要素測(cè)試

比對(duì)結(jié)果誤差主要由自動(dòng)氣象站觀測(cè)數(shù)值誤差、比對(duì)環(huán)境差異以及數(shù)據(jù)獲取裝置誤差構(gòu)成，該誤差值對(duì)固態(tài)降水傳感器現(xiàn)場(chǎng)核查業(yè)務(wù)開展沒有影響。

經(jīng)過上述測(cè)試分析可知，(1)數(shù)據(jù)獲取裝置能夠準(zhǔn)確獲取當(dāng)前環(huán)境氣壓、溫度、濕度信息并正確顯示，為現(xiàn)場(chǎng)核查和測(cè)試業(yè)務(wù)提供氣象條件指示；(2)OPD降水模擬器能夠輸出頻率、占空比可調(diào)的紅外光束，能夠準(zhǔn)確模擬降水現(xiàn)象；(3)加重裝置上放置的標(biāo)準(zhǔn)砝碼以及隨機(jī)重量塊均能夠被固態(tài)降水傳感器檢測(cè)，并輸出相應(yīng)的重量信息及降水量信息，降水量測(cè)量值與理論值相關(guān)系數(shù)達(dá)0.999 90；(4)固態(tài)降水傳感器數(shù)據(jù)輸出時(shí)，3種端口輸出的“降水量”數(shù)據(jù)保持一致。綜上可知，固態(tài)降水傳感器現(xiàn)場(chǎng)核查裝置可應(yīng)用于固態(tài)降水傳感器的現(xiàn)場(chǎng)核查和測(cè)試業(yè)務(wù)。

7 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)目前在用固態(tài)降水傳感器業(yè)務(wù)需求而研究開發(fā)的現(xiàn)場(chǎng)核查裝置，其特點(diǎn)在于能夠不改變被核查傳感器的結(jié)構(gòu)及硬件連接的情況下，兼容適用現(xiàn)用多種型號(hào)的設(shè)備。

但在實(shí)際使用中，由于人為放置標(biāo)準(zhǔn)砝碼時(shí)，加重裝置的降水模擬器已經(jīng)開始工作，所以在數(shù)據(jù)獲取裝置開始核查和核查完成按鈕按下的間隙，固態(tài)降水傳感器會(huì)有引入由于人為誤壓或大風(fēng)導(dǎo)致的誤差的風(fēng)險(xiǎn)；此外，由于加重機(jī)構(gòu)的三腳支架是放置在集水桶中的，如果在固態(tài)降水傳感器安裝時(shí)未調(diào)整好集水桶的水平，則三腳支架會(huì)存在歪斜的可能，穩(wěn)定性會(huì)降低，此時(shí)需要打開固態(tài)降水傳感器外殼，對(duì)集水桶水平進(jìn)行重新調(diào)整。

固態(tài)降水傳感器現(xiàn)場(chǎng)核查裝置的業(yè)務(wù)應(yīng)用，能夠大大方便氣象部門基層工作人員固態(tài)降水傳感器的測(cè)試與現(xiàn)場(chǎng)核查工作，并且在故障排除中能夠作為重要的“信號(hào)源”，從業(yè)務(wù)需求考慮，該裝置具備較大的推廣應(yīng)用前景。