以DZZ6型自动气象站为例的新型自动气象站的分析与对比

【摘 要】本文简述了新型自动气象站的系统新技术、系统结构、技术指标，以及DZZ6型自动气象站的系统组成和采集器的特点，对DZZ6型自动气象站的技术性能进行了分析，并对新一代DZZ6型与DZZ2型自动气象站在采集器、技术指标等方面做了分析与对比。

【关键词】新型自动气象站；DZZ6型；分析；对比

自动气象站在我国气象部门投入业务运行多年，已经能满足气象业务的需要和环境的要求，随着地面气象观测自动化进程的不断加快，以及新技术在自动气象站上的应用，使得自动气象站的新一代型号投入业务运行已势在必行。

1 新型自动气象站

新型自动气象站基于现代总线技术和嵌入式系统技术构建，采用了国际标准并遵循标准、开放的技术路线进行设计。自动气象站的核心是基于CAN（Controller Area Network）控制器区域网、总线技术和国际标准CANopen协议进行设计，涉及物理层、数据链路层和应用层的标准定义。

1.1 新型自动气象站的系统新技术

在新型自动气象站中应到了两项比较新的技术，即：嵌入式系统技术和外部现场总线技术。

1.1.1 嵌入式系统技术

嵌入式系统的数据综合处理能力非常强大，在新型自动站系统中引入了嵌入式系统，可以大大提高自动气象站的数据处理能力，使很多复杂的数据分析、处理计算功能在数据采集器端得以实现。嵌入式系统丰富的外设处理单元、多种通讯端口，可以方便地实时自动气象站的数据通讯处理、远程访问的功能。

嵌入式系统是以高性能CPU数据处理器为核心处理器，嵌入操作系统，配置相关的组件，构成单板电脑系统。高性能的CPU一般是指32位CPU，包括：ARM7系列、ARM9系列以及现在比较新的ARM Cortex M3系列或其他系列CPU等。嵌入式操作系统实时性比较好的操作系统，一般可以嵌入：?C/OS-II、FreeRTOS、?Clinux等。这些操作系统的特点是：实时性比较好，规模相对比较小，所需要的硬件资源也不大，但其功能相对简单一点。对于功能要求比较多的可以选用Linux操作系统或WindowCE操作系统。这些操作系统的特点是：功能比较齐全，基本上具备标准电脑的全部功能，所构成的系统又称单板电脑。

部件配置基本上按照标准电脑的部件配置，包括：Flash存储器、RAM存储器、CF卡（或SD卡）存储器、以太网络接口电路以及TCP/IP通讯协议、USB通讯端口、多个RS232/RS485串口、CAN总线。

1.1.2 外部总线技术

外部总线是用来连接各个数据处理控制、数据处理单元，并完成数据传输、通讯处理功能。外部总线的功能就是实现多个数据处理控制、数据处理单元之间的数据通讯；外部总线的的电气结构要求简单，而且数据传输要稳定可靠。

目前在实际应用中外部总线的方式有很多种，使用最多的是RS485方式和CAN总线方式，另外应用比较多的还有SDI-12方式。

要想外部总线的结构简单、而且数据传输可靠，基本上都是采用差分信号方式传输，所以数据传输只需要两根线。RS485和CAN总线都是采用两根线进行数据传输。因为是传输差分信号，所以采用双绞线跟有利于提高信号传输的可靠性。以前是所有的设备都挂接在一条通讯线上，因此必须要有一个通讯控制协议，才能够确保数据通讯的稳定可靠。

（1）RS485通讯方式

RS485方式只能实现一主多从的通讯控制方式，即：一个主数据控制器处理单元，控制整个系统数据传输的流程，在任何时刻要保证只能由一个设备向总线上传输数据。RS485方式的电气结构简单，方便实现，其缺点是需要相对比较复杂的软件控制处理协议，用来实现数据通讯控制。

（2）CAN通讯方式

CAN总线方式与RS485最大的区别在于，其具有硬件控制机制，由硬件控制器实现在发送数据时出现的冲突管理，确保数据传输的可靠性。

CAN总线方式的电路运行可靠，有专用的控制协议，其缺点实现起来相对比较复杂。

（3）SDI-12通讯方式

SDI-12主要用于多传感器的数据通讯，有多根线构成，+12V直流电源、电源地线和数据线。

1.2 新型自动气象站的系统结构

新型自动气象站采用了先进的嵌入式系统技术和外部现场总线技术，其采用的是“主采集器+外部总线+分采集器+传感器+设备”的结构设计方式。其采集器采用的“主/分采集器”结构方式，是充分考虑到了能够实现全要素、综合观测的能力，同时具备高性能、多功能的数据处理能力，以及任意扩展的能力。

新型自动气象站由硬件和软件两大部分组成。硬件包括采集器：1个主采集器和若干个分采集器、外部总线、传感器、设备四部分。采用了标准化、开放式的技术路线进行规划设计，从原则意义上讲采集器和传感器的接入处理部件等都遵循了统一设计、统一标准的原则，因此不同厂家的产品是可以进行互换的。软件包括嵌入式软件、业务软件二部分。嵌入式系统软件承担嵌入式系统的运行管理，各外部设备的运行管理。嵌入式系统软件使用Linux 2.6.1为内核的Linux操作系统管理软件。业务应用软件专门用于自动站数据采集、处理的操作管理，该软件是Linux操作系统下的应用软件。

新型自动气象站的设备主要包括电源、终端计算机、通信接口和外存储器。

1.3 新型自动气象站的技术指标

（1）系统配接GPS授时器，能够确保系统时钟的准确性；

（2）系统具有以太网络RJ45的接口，可以通过网口对采集系统进行访问；支持 WEB 访问、telnet、FTP 等网络功能。

（3）支持大容量CF卡，可以大量存储观测数据文件，至少能够存储6个月全要素分钟数据和小时，数据文件采用标准的FAT结构方式。

（4）与终端计算机的通讯采用串口直接连接方式，或远程无线传输方式。

（5）系统运行环境方面，要满足-40～80℃温度环境和0%～100%的相对湿度环境下，系统工作运行良好。

（6）电源供电采用+12VDC方式，可采用交流、太阳能或风能充电方式，补充电能。

（7）交流电源电压：AC220V ±10%；采集器供电：DC7～15V；主采集器功耗：

2 新一代DZZ6型自动气象站

DZZ6型自动气象站是以自动气候站为基础，采用目前较稳定的、先进的电子测量、数据传输和控制系统技术，设计基于现代总线技术和嵌入式系统技术构建的自动气象站，满足地面气象观测温度、湿度、气压、雨量、风向、风速、蒸发、草面温度、地表温度、以及浅层地温和深层地温的观测。

2.1 DZZ6型自动气象站系统组成

DZZ6型自动气象站主要是采集器，供电系统，传感器，通信系统组成。可以挂接的传感器分别有：EL15-1C型风速传感器、EL15-2C型风向传感器、DHC1型温湿度传感器、PTB330型气压传感器、WZP1型温度传感器、WZP2型气温传感器、SL2-1型雨量传感器、AG2.0型蒸发传感器等。

DZZ6型自动气象站的系统组成：（1）主采集器：传感器电信号的采集；对其他分采集器的数据进行过滤，计算，存储。（2）地温采集器：采集地温传感器输送的电信号；传输到主采集器。（3）温湿度智能传感器采集器：采集温度和湿度传感器的电信号，并传输到主采集器。（4）传感器：将对应气象要素的变化转换成电量的相应变化。（5）供电系统：蓄电池、充电电源、空气开关、防雷模块。（6）通信模块：将输出的RS232信号转换成RS422信号，模块成对出现，在采集器中的模块是将RS232转换为RS422传输，同理在计算机端，也同样有一个通信模块将RS422转换成RS232信号，直接通过串口传输到计算机中。一般的RS232传输距离只有15m左右，所以将其变为RS422传输距离将达到1.2km左右。（7）防雷板：主要对采集器进行保护。

2.2 DZZ6型自动气象站的采集器

DZZ6型自动气象站的采集器由一个主采集器以及温湿智能分采集器、地温观测分采集器和辐射观测分采集器组成。

2.2.1 主采集器

DZZ6型自动气象站的主采集器是自动气象站的核心，由硬件和嵌入式软件组成。硬件包含高性能的嵌入式处理器、高精度的 A/D 电路、高精度的实时时钟电路、大容量的程序和数据存储器、传感器接口、通信接口、CAN总线接口、外接存储器接口、以太网接口、监测电路、指示灯等，硬件系统能够支持嵌入式实时操作系统的运行。

主采集器嵌入式处理器有如下特点：（1）支持嵌入式实时操作系统的运行并具有内置的 Watchdog 功能，采用当前主流ARM9系列的32位处理器；（2）选择 16 位以上的 A/D 转换电路，满足传感器的测量要求；（3）实时时钟电路能保证误差 15s/月的要求；（4）程序存储器应为非易失性的，容量满足嵌入式软件的容量要求，并具有 50% 的余量；（5）数据存储器为非易失性的，容量满足数据存储的要求，并具有 50% 的余量；（6）随机存储器RAM满足嵌入式软件的运行要求，并且有 30% 的余量。

主采集器主要有两大功能：一是完成基本气象要素传感器和各个分采集器的采样数据，对采样数据进行控制运算、数据计算处理、数据质量控制、数据记录存储，实现数据通信和传输，与终端微机或远程数据中心进行交互；二是担当管理者角色，对构成自动气象站的其他分采集器进行管理，包括网络管理、运行管理、配置管理、时钟管理等以协同完成自动气象站的功能。

主采集器直接挂接的传感器，如：气温、湿度、气压、降水量（翻斗或容栅式、大翻斗式，称重式）、风向（10m高度）、风速（10m高度）、总辐射、蒸发和能见度，同时也可挂接各类分采集器如：温湿度分采集器，气候观测分采集器，辐射观测分采集器，地温观测分采集器，土壤水分观测分采集器等智能化传感器等。各类分采集器又能挂接若许传感器，所以使DZZ6型自动气象站的可扩展性非常强大。

2.2.2 分采集器

DZZ6型自动气象站一般有由一个主采集器和三个分采集器，三个分采集器分别是温湿智能分采集器、地温观测分采集器和辐射观测分采集器。

分采集器由硬件和嵌入式软件组成。硬件包含高性能的嵌入式处理器、高精度的 A/D 电路、高精度的实时时钟电路、大容量的程序存储器、参数存储器、传感器接口、通信接口、CAN总线接口、监测电路、指示灯等，硬件系统能够支持嵌入式实时操作系统的运行。

分采集器负责所接入传感器对应气象要素的测量，在工作状态对挂接的传感器按预定的采样频率进行扫描，收到主采集器发送的同步信号后，将获得的采样数据通过总线发送给主采集器。

主采集器和分采集器或部分智能传感器之间采用CAN总线方式实现双工通信。物理介质可以为双绞线、光纤等。CAN总线具有较高的性价比、结构简单、器件容易购置且价格便宜、开发技术容易掌握。

3 新一代DZZ6型与DZZ2型自动气象站的对比

DZZ2型自动气象站是目前气象部门正在投入业务运行的自动气象站型号，DZZ2型自动气象站主要由TYQ200 型采集器、电池、太阳能板等组成，与Pt100温度传感器、单翻斗式雨量传感器、EL15系列风速风向传感器配套使用。DZZ2观测站适用于室外观测，并通过GPRS方式与手机短信方式或者有线方式进行数据的传输。

DZZ6型自动气象站作为第二代自动气象站进入各类国家级台站进行业务观测。新一代DZZ6型自动气象站与DZZ2型自动气象站的主要区别在于采集器的不同，以及可扩展型的不同。

3.1 与DZZ2型自动气象站的采集器的对比

DZZ2型自动气象站的采集器是TYQ200型采集器，其采用ST公司的CPU，ARM7内核， 256K FLASH 64K RAM. 基本可实现单片系统，使用512K EEPROM存储系统参数，根据系统网络通信参数配置，将监测到的气象要素数据通过网络发送到中心服务器，同时该采集器也通过网络接受中心服务的远程集中管理与配置，实现了网络化的智能管理，并且能够采集实时温度、风向、风速、湿度和气压等要素。该采集器自身具备无线数据通信功能，可支持中国移动的GSM/GPRS无线网络，采集器具体包含GPRS实时在线方式、短信方式、短信备份方式三种通信工作模式。

与DZZ6型自动气象站的主采集器比较，DZZ2型采用的是ARM7内核CPU，而DZZ6型采用的是ARM9内核CPU。ARM7引系列处理器是英国ARM公司设计的主流嵌入式处理器 ARM7内核是0.9MIPS/MHz的三级流水线和冯·诺伊曼结构； ARM9内核是5级流水线，提供1.1MIPS/MHz的哈佛结构。 ARM7没有MMU，ARM720T是MMU的 ，ARM9主要包括ARM9TDMI和ARM9E-S等系列ARM9是有MMU的，ARM940T只有Memory protection unit.不是一个完整的MMU。ARM9的时钟频率比ARM7更高，采用哈佛结构区分了数据总线和指令总线， ARM7处理器采用3级流水线，而ARM9采用5级流水线， 5级流水线能够将每一个指令处理分配到5个时钟周期内，在每一个时钟周期内同时有5个指令在执行。在同样的加工工艺下，ARM9TDMI处理器的时钟频率是ARM7TDMI的1.8～2.2倍。

3.2 与DZZ2型自动气象站的技术指标的对比

在工作温度方面，DZZ2型自动气象站为-35～50℃，而DZZ6型自动气象站为-50～50℃；在数据存储方面，DZZ2型自动气象站的数据存储空间为内部含1.7M Flash存储，可外扩到300M Flash存储；DZZ6型自动气象站的数据存储可外扩到2G的存储空间；在实时时钟方面，DZZ6型自动气象站采用了相应的GPS授时器。

3.3 与DZZ2型自动气象站的通讯方式的对比

DZZ6型自动气象站采用总线制分布式结构，大大提高自动气象站的操作性和扩展性，其采用外部总线技术的RS485方式和CAN总线方式，可扩展能力强，可扩展为CAN、RS485、RS232、USB、RJ45和CF；而DZZ2型自动气象站采用串口通信的RS232和RS485，仅有两个扩展口。

新一代DZZ6型自动气象站还能实现传感器的随意增减和热插拔，从而提高自动气象站的扩展性和通用性。

4 结束语

新型自动气象站通过采用总线制分布式或网络型结构，能够大大提高自动气象站的操作性和扩展性；改进和完善数据采集器的结构，使数据采集器能实现传感器的随意增减和热插拔，从而提高自动气象站的扩展性和通用性。同时，新型自动气象站还从观测的实际需求出发，针对自动气象站和气象传感器的技术指标修改、制定云、天气现象等的仪器观测规范，实现多种气象传感器在自动气象站的业务应用。

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