基本介紹
- 中文名：自動氣象站
- 外文名：Forain Weather System
- 用途：氣象測量
介紹,工作原理,構成硬體,感測器,採集器,系統特點,監測軟體,通訊系統,安裝配件,測量參數,套用範圍,配置,分類,功能,安裝使用方法,日常維護,故障維修方法,
介紹
自動氣象站是指在某一地區根據需要，建設的能夠自動探測多個要素，無需人工干預，即可自動生成報文，定時向中心站傳輸探測數據的氣象站，是彌補空間區域上氣象探測數據空白的重要手段。自動氣象站由氣象感測器、微電腦氣象數據採集儀、電源系統、防輻射通風罩、全天候防護箱和氣象觀測支架、通訊模組等部分構成。溫濕度、風速風向等感測器為室外氣象專用感測器，具有高精度高可靠性的特點。
自動氣象站用於對風速、風向、雨量、空氣溫度、空氣濕度、光照強度、土壤溫度、土壤濕度、蒸發量、大氣壓力等十幾個氣象要素進行全天候現場監測。可以通過專業配套的數據採集通訊線與計算機進行連線，將數據傳輸到氣象計算機氣象資料庫中，用於統計分析和處理。
工作原理
自動氣象站的基本原理是感測器將對應氣象要素的變化轉換成電信號的相應變化，這種變化由單片機控制的數據採集器所採集，進行線性化和定標處理，實現工程量到要素量的轉換，並對數據進行質量控制。經過預處理後得出各個氣象要素的實時值，然後由通信模組傳輸到中心站的微機上。
自動氣象站構成硬體
自動氣象站有多種類型，其結構基本相同，主要由感測器、採集器、系統電源、通信接口及外圍設備（計算機、印表機）等組成。
感測器
風速感測器能感受被測氣象要素的變化並按一定的規律轉換成可用輸出信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉換器組成。
自動氣象站常用的感測器有：
氣壓——振筒式氣壓感測器、膜盒式電容氣壓感測器
氣溫——鉑電阻溫度感測器
濕度——濕敏電容濕度感測器
風向——單翼風向感測器
風速——風杯風速感測器
雨量——翻斗式雨量感測器
蒸發——超聲測距蒸發量感測器
輻射——熱電堆式輻射感測器
地溫——鉑電阻地溫感測器日照——直接輻射表、雙金屬片日照感測器
風向感測器
風向感測器採集器
數據採集器是自動氣象站的核心，其主要功能是數據採樣、數據處理、數據存儲及數據傳輸，其主要技術性能為：
數據採樣速率及算法規定
採集器的電源能保證採集器至少七天正常工作，數據存儲器至少能存儲三天的每分鐘氣壓、氣溫、相對濕度、1分鐘平均風向和風速、降水量和下表列各項目的每小時正點觀測數據，能在計算機中形成規定的數據檔案。
系統特點
·可靠運行於各種惡劣的野外環境，低功耗、高穩定性、高精度、可無人值守。·完善的防雷擊、抗干擾等保護措施。
風速風向
風速風向·硬體和軟體均採用模組組合式開放性設計，可靈活組合使用。
·氣象感測器可根據需要選配。
·通訊方式可根據需要選配。
·電源系統可根據需要選配。
監測軟體
自動氣象站軟體界面友好，如左圖所示。可通過表格或曲線視圖對數據進行分析，（有線，無線）多種通訊方式，動態組網，可支持百台以上監測站點並發通訊；在Windows2000以上系統環境即可運行。
氣象站配套軟體
氣象站配套軟體通訊系統
（1）RS232有線，通訊距離0—10m
（2）RS485有線，通訊距離0—1000m
（3）無線微波電台，通訊距離0—500m
（4）移動無線GPRS，通訊距離不限（有附加的GPRS流量費用）
（5）WiFi通信，通訊距離不限（須架設有WiFi）
（5）氣象簡訊，通訊距離不限。用戶可根據現場情況自由選擇通訊方式。
安裝配件
（1）主體材料，不鏽鋼。
（2）安裝/結構，柱桿。高度可根據實際情況設計。
攜帶型自動氣象站
攜帶型自動氣象站（3）安裝箱體，戶外。
（4）避雷保護，MSP-1避雷針和MGP-1地線裝置。
測量參數
自動氣象站通常測量的參數如下：
要素 | 測量範圍 | 解析度 | 準確度 | 單位 |
地溫 | -50--80 | 0.1 | ±0.3 | ℃ |
氣溫 | -50--50 | 0.1 | ±0.2 | ℃ |
相對濕度 | 0--100 | 1 | ±3 | %RH |
風速 | 0.4--70 | 0.1 | ±3% | m/s |
風向 | 0--360 | 2.5 | ±3 | °（度） |
氣壓 | 450--1060 | 0.1 | ±0.3 | hpa |
降水量 | 0--999.9 | 0.1 | ±0.2 | mm |
總輻射 | 0--2000 | 1 | ±2% | w/m2 |
能見度 | 10--2000 | 10 | ±10% | m |
降雨量 | 0～4 | 0.2 | ±3% | mm/min |
套用範圍
自動氣象站用於對風速、風向、雨量、空氣溫度、空氣濕度、光照強度、土壤溫度、土壤濕度、蒸發量、大氣壓力等十幾個氣象要素進行全天候現場監測。可以通過專業配套的數據採集通訊線與計算機進行連線，將數據傳輸到氣象計算機氣象資料庫中，用於統計分析和處理。
自動氣象站是由電子設備或計算機控制的自動進行氣象觀測和資料收集傳輸的氣象站，一般由感測器、變換器、數據處理裝置、資料傳送裝置、電源等部分組成。變換器是將感測器感應的氣象參數轉換成電信號（比如電壓、電流、頻率等 ）；數據處理裝置則將對這些電信號進行處理，再轉換成對應的氣象要素值。經過處理的氣象要素數據按規定的格式編排，經資料傳送裝置用有線或無線方式傳給用戶，或存貯在介質上，由用戶定期回收。電源是為氣象站正常工作提供動力的 ，在野外通常使用太陽能電池。整個系統由一部微機自動管理。
自動氣象站觀測項目通常為氣壓、氣溫、相對濕度、風向、風速、雨量等基本氣象要素，經擴充後還可測量其它要素。
自動氣象站是一種能自動地觀測和存儲氣象觀測數據的設備，主要由感測器、採集器、通訊接口、系統電源等組成,隨著氣象要素值的變化，各感測器的感應元件輸出的電量產生變化，這種變化量被CPU實時控制的數據採集器所採集，經過線性化和定量化處理，實現工程量到要素量的轉換，再對數據進行篩選，得出各個氣象要素值。自動氣象站觀測項目主要包括氣壓、 溫度、濕度、風向、風速、雨量等要素，經擴充後還可測量其它要素，數據採集頻率較高，每分鐘採集並存儲一組觀測數據。自動氣象站根據對自動氣象站人工干預情況也可將自動氣象站分為有人自動站和無人自動站。自動氣象站網由一個中心站和若干自動氣象站通過通信電路組成的。
按照城區大約間隔5公里、郊區10-15公里的建設原則，北京市氣象局現已建成多要素自動氣象站177個(有人自動站20個, 無人自動站157個)，並在市局建立中心站組網，實時收集、監控、分發自動氣象站觀測數據，自動站網已覆蓋北京市全地域，能夠實時、準確地獲取北京地區的氣象要素數據，較好地滿足了日常業務需要，也為更好地為奧運會和首都人民做好氣象服務打下了堅實的基礎。
自動氣象站是由電子設備或計算機控制的自動進行氣象觀測和資料收集傳輸的氣象站，通常有以下兩種形式：
（1）有線遙測自動氣象站：儀器的感應部分與接收處理部分相隔幾十米到幾公里，其間用有線通信電路傳輸。由氣象感測器，接口電路、微機系統、通訊接口等組成。感測器將氣象信息轉換成電信號由接口電路輸出。微機系統是它的心臟，負責處理接口電路及觀測員通過鍵盤輸入的信號，並將處理結果輸出顯示、列印、存檔，也可通過接口送到 信息網路服務系統。這種自動站早期用於實時查詢氣象資料，現在逐漸取代氣象站日常主要觀測工作。
（2） 無線遙測氣象站：又稱無人氣象站。它包括測量系統、程式控制和編碼發射系統、電源三部分組成。氣象要素轉換成電信號的方式常見有機械編碼式和低頻調製式兩種， 前者多使用機械位移的感應元件，使指針在碼盤上位移而發出不同的電碼；後者多使用電參量輸出感應元件，使它產生一個低頻變化的信號，然後將此信號載於射頻上發射。無人氣象站通常能連續工作一年左右，每天定時觀測4─24次。可在1000公里之外的控 制中心指令或接收它拍發的電報，也可利用衛星收集和轉發它拍發的資料。該站通常安置在沙漠、高山、海洋（漂浮式或固定式）等人煙稀少的地區，用於填補地面氣象觀測網的空白處。
配置
各個自動氣象站的配置可以不盡相同，但通常包括以下內容：
自動氣象站的配置
自動氣象站的配置全天候數據記錄器，可充電電池和遙測裝置（可選）
氣象感測器
太陽能電池板或風力發電機組
桅桿
外殼
自動氣象站的外殼通常是全天候玻璃纖維，ABS樹脂或不鏽鋼。
ABS塑膠外殼的特點是重量輕，價格便宜。ABS塑膠外殼是常用自動氣象站外殼，但相比起玻璃纖維或不鏽鋼就顯得不太安全和堅固。
玻璃纖維外殼的特點在於耐防化學或水的腐蝕。
不鏽鋼外殼是最佳選擇，而且通常是316s/s或304s/s。不鏽鋼外殼具耐腐蝕及化學性。這些機箱也昂貴，同樣大小的費用可以是玻璃纖維外殼一倍以上。
太陽能電池板
自動氣象站的主要動力來源，通常是一個或多個太陽能電池板並聯穩壓器和一個或多個充電池。一般而言，太陽能電池板的輸出是其最佳的只有每天5個小時。因此安裝角度和位置是至關重要的。在北半球的太陽能電池板將被安裝成面向南，南半球的則面向北。安裝的角度則各有不同，但安裝的角度絕不應為5度，是因為會使灰塵積聚而令電力輸出下降。
在陽光充沛的情況下，12伏直流電太陽能電池板的輸出值為：
5瓦= 400mA/hr
10瓦= 800mA/hr
20瓦= 1.6A/hr
40瓦= 3.3A/hr
桅桿
自動氣象站使用的標準桅桿高度為2米，3米，10米和30米。亦有其它尺寸，但通常這些大小已被視作標準。
2米（6.6英尺）桅桿是用於測量影響人類的參數。桅桿高度為參照頭部高度。
3米（9.8英尺）桅桿是用於測量影響農作物的參數（如小麥，甘蔗等）。桅桿高度為參照農作物的頂端。
10米（32.8英尺）桅桿是用於測量避免受樹木影響的數據，如樹木，建築物或其他障礙物。通常這種自動氣象站是測量風速和風向。
30米（98.4英尺）桅桿是用於測量參數分層數據模型。在2米，3米，10米和30米各個分層中測量風，濕度和溫度。其他感測器則安裝在2米或以下的高度。
分類
自動氣象站按照監測方式分為：手持式氣象站、車載式氣象站、無線遙測氣象站、有線遙測氣象站、攜帶型氣象站。 1、手持式氣象站：手持式氣象站是最小的氣象站，是由手持儀表和感測器組成，便於攜帶，測出來的數據現場直接顯示。但是這種氣象站一般不具備遠程功能，且連線的感測器較少，不能擴展連線。 2、車載式氣象站：這是氣象站是專門針對車輛、船舶等應急環境檢測設備而設計的可移動式的觀測氣象站，其連線感測器的數量相對也比較少。 3、無線遙測氣象站：目前最為先進的氣象站就是這種氣象站，它採用物聯網模式，GPRS數據傳輸方式，將數據上傳至網路平台，凡是有網路的地方，都隨時可以登錄平台，查看氣象站現場數據。且有給予簡訊預警提示功能，能擴展連線很多感測器。這種氣象站又稱之為無人氣象站。例如德國STEPS的型號是T-Warner的氣象站，就是採用這種技術的。 4、有線遙測氣象站：這是傳統氣象站的監測方式，感應部分與接收處理部分相隔幾十米到幾公里，其間用有線通信電路傳輸。是感測器將數據通過連線數據線，將數據傳輸到PC機上。這種方式適合於有人值守區。 5、攜帶型氣象站：它是用於監測野外氣候，將數據直接傳輸到數據採集器中，數據採集器將數據存貯下來，定期去現場數據。這種氣象站最大的好處就是方便移動，成本相對低很多。
自動氣象站按其功能分為：土壤墒情監測站、自動雨量站、自動水位監測站、雨水情監測站、多要素自動氣象站。 1、土壤墒情監測站：其主要是監測乾旱和洪澇的監測站，它連線的感測器主要是土壤水分感測器。例如德國STEPS的SW3000，就是典型的土壤墒情監測站。 2、自動雨量站：顧名思義，其主要是監測降雨量的監測站，主要連線的感測器是雨量感測器。 3、自動水位監測站：其主要是監測水位的監測站，主要連線水位感測器。 4、雨水情監測站：是將自動雨量站和水位監測站二者合一，一個監測站上連線了2種感測器。 5、多要素自動氣象站：可以監測風速、風向、溫濕度、降雨量、總輻射、大氣壓力等多種要素的監測站。可以擴展連線多種感測器。 自動氣象站按行業分為：農田氣候觀測站、交通氣象站、海洋環境氣象站、水文氣象站、森林火險監測站、科研氣象站。
功能
2、微電腦氣象數據採集儀具有氣象數據採集、實時時鐘、定時存儲、參數設定、參數和氣象歷史數據掉電保護等功能。數據採集器採用新一代處理器32位Motorola CPU集成高精度GPS數字晶片, 1微妙衛星同步支持 NMEA0183 通訊協定，主動型陶瓷天線讓定位更為精準，通過氣象監測軟體可以準確定位查看監測區域的氣象環境數據，方便於移動觀測氣象數據，工業控制標準化設計，攜帶型防振結構，漢字液晶鍵盤人機界面，使用先進的雙屏顯示技術，主屏顯示實時氣象數據信息，輔屏顯示地理狀況信息包括方位、高度、天氣預報資料等等，人機界面友好，便於現場實時查看氣象分析數據，無需外接電腦終端設備。
3、數據存儲方式由記憶體和外存兩部分組成，標準配置為記憶體，同時也可以選配外置智慧型存儲器進行數據備份操作，存儲容量最高達2G，可以存儲50年以上氣象數據。
4、標準RS232/485/USB通訊功能，支持標準MODBUS通訊協定，可以通過有線連線、區域網路連線、光纖連線、Modem連線、GPRS移動通訊、數傳電台、3G通訊、衛星通訊等多種通訊方式與氣象站接收伺服器組成氣象監測系統。
GPRS移動通訊技術是由我公司獨創的最新一代分組轉移傳輸模式，該模式允許用戶在端到端分組轉移模式下傳送和接收數據，而不需要利用電路交換模式的網路資源。GPRS永遠線上，按流量計費，從而提供了一種高效、低成本的無線分組數據業務。特別適用於間斷的、突發性的和頻繁的、點多分散、中小流量的數據傳輸，也適用於偶爾的大數據量傳輸。
5、自動氣象站管理軟體可在WINDOWS2000以上環境即可運行並支持最新WIN7作業系統，實時顯示各路數據，每隔10秒更新一次，每組數據自動存儲（存儲時間可以設定），與印表機相連自動列印存儲數據，生成標準氣象圖文報表及統計分析曲線,存儲量達數年以上，數據存儲格式為EXCEL標準格式可供其它軟體調用，強大資料庫管理功能，支持sql、access、oracle等多種資料庫，並可以將數據上傳至中心管理網站進行實時數據更新發布便於查詢。
6、電源供電系統有市電220V、直流5V、12V和太陽能供電系統多種方式進行選擇。氣象數據採集器配備有綠色節能電源管理模組系統，如使用太陽能系統方式供電，可保證連續陰雨天情況下十天無斷電穩態工作。
7、採用不鏽鋼輕金屬支架和野外防護箱，外形美觀、耐腐蝕、抗干擾，可長期運行於各種惡劣的室外環境，安裝支架高度包括2.5m、3m、10m、50m、100m，能夠根據不同規範安裝氣象感測器。
8、配備新一代外接控制管理模組，通過該管理模組可以外接氣象信息顯示屏，用於實時顯示氣象數據和其它業務信息。它適於顯示文字、文本、圖形、圖像、動畫等各種信息，可在室外全天候運行。該設備是在公共場所進行氣象數據顯示及信息發布和企業形象宣傳的有效工具和良好視窗。同時該管理模組可以控制管理外接設備的工作狀態，例如外接報警系統的的啟動和關閉。
9、完善的防雷擊、抗干擾等保護措施。在電子線路方面採用了防雷、噪聲抑止等多種抗干擾措施，在硬體和軟體設計方面採用了降額設計、電磁兼容設計、野值剔除等多種可靠性設計技術，可靠運行於各種惡劣的野外環境，低功耗、高穩定性、高精度、可無人值守。
安裝使用方法
工具/原料
氣象站一台
十字螺絲刀、偏口鉗、扳子各一個，扎帶數根
方法/步驟
檢查氣象站配件是否齊全，檢查支架、感測器、氣象站主機、供電系統等
固定感測器，把感測器固定到相應的支架上面，注意的是(一般風速風向感測器航插頭對住支架方向內，百葉箱朝南，風向朝北)
固定太陽能板及氣象站主機、感測器到主支架上面，固定好；
氣象站接線，按照線纜出廠前的航插頭標示對應接線。
日常維護
一是運行狀態實時監控。在日常工作，區域氣象觀測站運行實時監控系統，根據每小時上傳狀態信息實時監視區域自動氣象站的運行狀態。二是供電狀況監視，根據實時監控系統監控平台，發現連續夜間數據無法上傳，白天太陽能及時補充電壓時數據續傳正常現象，即可初步判斷蓄電池欠壓。三是通過區域自動氣象站數據查詢系統，監視區域自動站採集數據合理性、正確性，發現明顯差錯、疑誤及時與區局相關單位聯繫，協商解決。四是通過簡訊功能監控區域自動氣象站參數配置。
故障維修方法
在日常維護工作中，為確保高效、高質量完成保障任務，一般區域自動氣象站的故障主要通過以下方法解決。
1通過監控軟體及簡訊功能進行判斷
可通過相關的運行監控軟體，及時發現問題並作出初步判斷。通過簡訊功能查看故障氣象站的參數配置及話費狀態，同時根據簡訊功能可以確定區域氣象站是否正常運行，提高遠程解決故障的能力，若簡訊無回復即需趕赴現場處理故障。
2到達現場首先查看採集器上指示燈狀態
採集器正常運行過程中綠色(電源)指示燈3 s閃2次表示設備已經與中心連線正常，否則可根據另4種判斷：常滅關閉模組、1 s閃1次設備正在查找網路、3 s閃1次設備正常找到網路、1 s閃2次設備正在激活GPRS並連線TCP狀態。測量紅燈(網路)指示燈3 s閃1次表示設備正常找到網路，若1 s閃1次則設備正在查找網路。
3用萬用表測量電池電壓、太陽能供電電壓
一是測量蓄電池電壓。用萬用表直流檔(20 V)測量蓄電池工作電壓值。在白天太陽能充足的情況下，測得工作電壓應當高於6.7 V;在夜間，蓄電池工作電壓應當在6.3 V左右。如果電壓低於5.5 V，電源將不能保證自動站的正常工作。若單獨測量電池電壓，需斷開電池輸出端。二是測量太陽能板充電電流。用萬用表電流檔(2 A以上)測量太陽能電池板充電電流，在不同日照情況下，充電電流大小應當不同，太陽充足的情況下，電流為1 A左右。如果無電流則說明太陽能板故障或供電電線斷路[2]。
根據近2年維護保障工作，發現電源故障的主要原因是電池電壓不足，至此可簡單判斷是否是電池原因造成數據上傳不正常，更換電池再進行狀態和數據監控後故障即可排除;同時，初步測量判斷時，分別對電池供電和太陽能供電進行分開測量與邏輯對比分析，對DY07也進行初步的判斷，並通過更換DY07連續監測，確定故障原因，如果數據仍無法正常上傳，可繼續下面的檢查步驟(下同)。
4重啟採集器
在重啟前先查看接線柱是否松落，應重新緊固、插拔(謹記檢查接線柱必須在關閉採集器狀態下開展)，按動採集器電源按鈕，系統通電後綠色的電源指示燈亮起，連續2聲蜂鳴聲，指示設備通電啟動成功。正常通電約10 s後紅色的網路指示燈由1 s閃1次變為3 s閃1次，表明設備已經正常註冊到無線網路上，採集器重啟正常後可連續監控數據傳輸狀態及質量，經監控運行正常，可排除線路松落原因。
