浅谈新型自动气象站的系统结构设计

摘 要 新型自动气象站CAWS3000（DZZ5）采用最先进的嵌入式系统技术和外部现场总线技术，采用“主采集器+外部总线+分采集器+传感器+外围设备”结构设计方式，充分考虑到能够实现全要素、综合观测的能力，同时具备高性能、多功能数据处理能力及任意扩展能力。

关键词 新型自動气象站；系统结构；维护

CAWS3000（DZZ5）型自动气象站由主采集器加气候分采集器、辐射分采集器、地温分采集器和土壤水分分采集器构成系统。采集器之间采用CAN总线进行数据通信。主采集器系统与终端计算机采用长线进行串口数据通信。整个系统供电由交流电转+12VDC作为主电源，配蓄电池作为后备电源。气候的强制通风扇的供电采用独立供电，同样采用由交流电转+12VDC作为主电源，配蓄电池作为后备电源。CAN总线带有硬件控制器可以避免竞争冲突，通讯速度快，可实现“多主多从”通讯方式。

1 数据采集器

1.1 主采集器

主采集器处理器采用目前先进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、串口及扩展串口控制器等，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。主采集器内部还增加一个对常规气象要素进行数据探测数据采集单元，可完成10米风速、风向、空气温度、相对湿度、降水（0.1mm翻斗式雨量）、气压、蒸发、总辐射及能见度气象要素观测数据采集。

1.2 分采集器

按照对观测数据需求设置若干个分采集器，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。分采集器基本结构一样，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数据通信串口及相应的数据调理、数据采集接口电路。

1.3 气候观测分采集器

气候分采集器包括三只带强制通风的温度传感器、翻斗雨量传感器（0.5mm的翻斗雨量）、称重雨量传感器（3只T200B弦振式的称重雨量）、1.5米风速传感器、红外地温传感器及3只强制通风扇转速检测。

1.4 辐射观测分采集器

辐射分采集器观测要素包括总辐射、净辐射、直接辐射、反射辐射、散射辐射、紫外A辐射、紫外B辐射、地面长波辐射（包括腔体温度）、大气长波辐射（包括腔体温度）、光合有效辐射及日照。

1.5 地温观测分采集器

地温分采集器观测要素包括地表温度、草地温度、5cm地温、10cm地温、15cm地温、20cm地温、40m地温、80cm地温、160cm地温、320地温。

1.6 温湿度分采集器

通过CAN总线把观测采样数据传送给主采集器，取代直接接入主采集器的温湿度观测数据。温湿分采集器相对小巧，在对温湿度传感器检定时，可连同温湿分采集器一起，并对检测误差直接在温湿分采集器中修正。由温湿分采集器在向主采集器数据传输时，因为采用数字量，因此不会产生附加误差。

2 传感器

2.1 温度、温湿度传感器

（1）HMP155温湿传感器

测温元件是铂电阻传感器Pt100。感应部件位于传感器杆头部，外有一层滤膜过滤罩保护。测湿元件是聚合物薄膜电容传感器HUMICAP180。供电电源为+7～35VDC。输出电压为0～1V，对应湿度为0～100%。

（2） HY-T型温度传感器

热敏元件为铂电阻传感器Pt100，感应部件位于传感器顶端，实际应用中，该传感器安

装于辐射罩或百叶箱内。

2.2 雨量传感器

SL3型雨量传感器由盛水器、上翻斗、计量翻斗、计数翻斗等组成。 雨水由承水口汇集，进入上翻斗，然后进入计量翻斗计量，计量翻斗翻动一次为0.1mm降水量。雨水由计量翻斗倒入计数翻斗。在计数翻斗中部装有一块小磁钢，磁钢上面装有干簧开关，计数翻斗翻转一次，则开关闭合一次，由开关闭合送出一个信号。输出信号由红黑接线柱引出。

2.3 风传感器

风速传感器感应元件为三杯式回转架，信号变换电路为霍尔开关电路。 风杯转动时，万用表测量风速信号电压输出因为供电电压的一半（6V左右）。

风向传感器的感应元件为风向标组件，风向信号电压随风向角度增加而线性增大，也就是0-2.5V输出电压线性对应于0-360度。

2.4 气压传感器

PTB210系列数字气压表可有不同压力范围，分为：

数字输出对应大气压：500…1100hPa 和 50…1100hPa

模拟输出对应大气压：500…1100hPa，模拟输出0…5V和0…2.5V

2.5 地温传感器

TP01温度传感器是用来精确测量土壤温度和水温，传感器精度和稳定性依赖于Pt-100型铂电阻元件特性及精度级别。传感器配有15m、20m屏蔽电缆。地温传感器共10支，其中草温1支、地表温1支，5cm、10cm、15cm、20cm、40cm、80cm、160cm、320cm地温各一支，均为标准4线制铂电阻测温。

2.6 蒸发测量传感器

AG1-1超声波蒸发传感器测量蒸发液面高度，适用植物园、植物及种子培养单位、农业研究机构测量植物需水量及人工给水量。AG1-1蒸发传感器由超声波传感器和不锈钢圆筒架组成。选用高精度超声波探头，对标准蒸发皿内水面高度变化检测，转换成电信号输出，配置PT-100温度校正部分，保证在使用温度范围内测量精度。

2.7 日常维护

自动站在运输过程中避免强烈碰撞和挤压。各传感器在使用过程中要轻拿轻放，不要直接接触电路板上元器件，也不要用手直接按压电路板、采集器内部连线。采集器内部应注意防水、防潮。定期查看设备各部分是否被腐蚀或自然损坏，尤其自然条件恶劣站址。如果有损坏或腐蚀应当立即处理、更换或咨询我公司。若半年不使用，再次使用前要检查电压。电池长时间使用后应当定期查看是否有液体流出，如有应当立即更换新电池。

作者简介

黄东杰（1984-），女，湖北省宜昌市秭归县人；学历：本科，现就职单位：宜昌市气象局，研究方向：气象综合观测。

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