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自动气象观测站数据采集器检测仪设计与实现.pdf

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Abstr.actAutomatic we砒er statioIlS, 锄 import锄t el锄eIlt of tlle meteorolo百calobseⅣation systelIl,accomplish tlle目.0und acquisition and仃ansmission of Variousmetcofolo百cal infom撕on.GeIlerally spe aking,it COIlSists of four major pans,namelytlle meteorolo酉cal sensor,me data acquisition unitDAU,me讹仃ansIIlission deViCe觚d me power踟印lay de、,ice.In recent years,Cllina’s meteomlo百cal depamn锄t hasdevotcd a黟eat deal of manpowcr锄d m删al resou∞es t0 me肌tomatic caJibra_tion姐d V舐丘cation of me meteorolo舀cal sensor’砌ch tums out t0 be a擘eat跚cccss iniⅡlproVingⅡle qllal时趾d accuraCy of meteorolo西cal observ撕0n.Howev%nle on-linecalibra廿on柚d V甜fication of DAU,nle key equipment of AWS,have not be朗developed l嘲escale蹦.111at means wh∞DAU itsdf works曲nonIlally or e盯0rS inme硒u豫nent appears because of fIaults, 廿le system ma缅ten锄ce person c猢otacC0mplish f.ault location and筋lure aIlalySis,wmch win a虢ct me小lali够and accIlracyof meteorolo百cal 0bsen,撕on data.111is pap%based 0n廿le sol谢on to 0n-site V舐丘cation of AWS DAU,d酷ig吣,deVelops and acllieves a set of automatic V舒fication锄d calibra血on deviccAWSDAU d曲e∞0r 砌ch c觚estimate and aIlalyze onlineⅡ圮worling condition of AWSme劬rolo西cal seIlS0r DAU,data仃aIlsIIlission.Throu曲ponable upper computef forabnonnal aIld f.ault 10cation,it is C0n、,enient wi廿l maintenance person t0 calibrate锄dv鲥矽onsite w韶mer station.Being in strict accordaIlCe Wim me wo呔procedure of即曲eddcd productdesi印-ing and development,nlis paper solVed circIlit pr.mCiple diagram desi弘ing ofAWS’DAU detector,PCB desi印血g and detector pr0伊am desigIling姐d ponableupper computer software desi咖I培觚d so on.It also realizes me m咖factIlre,debug百ng弛d teStiI培of prototype.Tbt results show nlat也e detector can not oIllymeagure me actual inpm WrAS sensor data accurately,includillg删og si弘als,di百talsigllal,fkquency si弘al etc,to est妇ate qHicl【ly也e sensor’s workillg condition;bm alS0can produce all kinds of sensor si印al accordiIlg t0 DAU t0 es岫ate nle worlingCondition of sensors quicⅪy.Wht’s more,by uSing communication iIlte rfke锄d‰protocol to quicl1y detefmiIlate廿1e workiIlg condi矗on of位msrIlission d州c髓,it cansatis母the requirement ofⅡle automatic weather statioI垮on.site VerifiCation andac抽eVe me goal of deSigIling.】K沁y WOrds autOmaUc weather stations weather sensOrDAU detector on.1ine caUbration and veri6cation目 录目 录第一章绪论11.1项目背景.11.2国内外发展现状.21.3项目开发的意义.31.4课题主要解决的问题51.5论文的主要工作.71.6论文的章节安排.7第二章自动气象站工作原理及项目开发环境简介..92.1自动气象站的组成和工作原理.92.1.1自动气象站的组成.92.1.2自动气象站的工作原理92.2气象传感器.112.2.1气象传感器概述..112.2.2气象传感器种类介绍.122.2.3基本气象要素传感器技术性能指标.192.3数据采集与传输202.3.1数据采集结构.202.3.2数据采集方法202.4系统开发环境与开发工具简介222.5本章小结23第三章自动气象观测站数据采集器检测仪的分析与设计..253.1系统性能需求..253.2功能分析253.3系统总体结构..273.4软件架构293.5系统软硬件设计303.6本章小结31第四章自动气象观测站数据采集器检测仪系统实现.334.1检测仪硬件实现33Ⅱ 自动气象观测站数据采集器检测仪设计与实现4.1.1自动气象观测站采集器检测仪原理图设计.334.1.2自动气象观测站采集器检测仪PCB板设计.414.2检测仪软件实现.454.2.1总控程序流程图说明.454.2.2数据采集模块实现454.2.3通信模块实现..484.2.4模拟测试信号输出模块实现.524.3上位机软件实现544.3.1上位机程序组成与流程图544.3.2人机交互界面设计与实现564.3.3通信模块系统实现584.4本章小结.61第五章,自动气象观测站数据采集器检测仪系统测试..635.1建立测试环境635.2功能测试.635.2.1模块测试..635.2.2功能及界面测试655.3性能测试.7l5.4本章小结.72第六章总结与展望..73致谢75参考文献77第一章绪论第一章绪论1.1项目背景气象预报与每个人的日常工作、生活密切相关,提供优质的气象信息服务是气象部门的根本责任。从这个角度上说,气象信息服务不仅要覆盖范围广,更要提高准确度。气象信息服务的目标是提供更准确的气象信息预报,做好更全面的气象信息服务。气象综合观测系统是气象预报基础数据的主要来源,自动气象站同气象卫星和气象雷达等设备一样是气象综合观测系统的重要组成部分。自动气象站用于完成地面各类气象要素的观测工作,并将观测采集的实时信息各类风向、风速、雨量、蒸发、温度、湿度、辐射、日照等气象要素信息通过相应的传输网络实时发送到气象信息中心,提供气象预报机构使用,因其具备较高的数据采集密度可以实现一分钟采集一次数据、数据传输实时性传输时延不大于10分钟,相对于传统的人工观测,极大的提高了地面气象信息的获取和传输能力,提高了气象部门对于天气预测的准确率。近年来,自动气象站的建设取得了巨大的成就,以陕西省为例截至2009年底已建成了100个国家级自动气象站和近2000个区域小型自动气象站,极大的提升了地面气象观测站网的时空密度,增强了气象监测、警报和预测能力,为科学研究、科学实验、气象预报、气候预测、气象灾害防御、城市气象服务和人工影响天气等方面,提供更准确、更及时、更有效的地面气象观测资料。尽管自动气象站的气象观测业务和气象服务等领域得到广泛的应用,但它也存在有不足之处。作为电子设备,由于传感器、采集器等设备内部电路和器件的老化,设备性能随时间会出现一定的变化,此外室外的复杂环境影响也会引起自动气象站工作状态发生改变,造成观测数据出现错误、偏差或失真等现象。为了保障自动气象站的运行正常,气象部门指定由相关机构负责自动气象站的设备维护维修和计量检定工作,并大规模的开展自动气象站传感器的检测与校准工作,每两年即对使用的气象传感器进行一次检测与校准工作,但对于数据采集器的检测与校准工作尚未开展。根据陕西省气象技术保障部门资料统计,近年来传感器异常占自动气象站故障总数的25%,而采集器异常则占到了45%,通讯、上位机软件、传输电缆等故障占总数的30%。自动气象站都安装在野外,设备工作状态发生异常后,由于缺乏相应的检测工具,在现场技术保障工作中普遍存在故障定位、气象数据采集准确度2 自动气象观测站数据采集器检测仪设计与实现无法评估等困难,对气象观测数据的可靠度和精确度造成了较大的影响。作者从气象数据审核部门国家级自动气象站大约有5%的原始气象观测数据需要进行审核修订,而小型区域气象站的观测数据则由于设备没有接受计量检定,不同程度的存在质量问题,主要用于气象灾害防御应用中,尚未在数值天气预报模式中得到广泛的应用。面对越来越多的气象监测仪器的实际应用,作为国家技术监督部门合法授权的以检定气象监测仪器为主要业务的气象计量检定所,应该在气象监测自动化,气象信息网络化的新形势下,对过去延续的检定工作也需要采用计算机技术手段,建立从仪器接收到出具仪器检定结果整个流程的可视化信息控制与管理,进一步提升检定工作的质量与效率,提高自动气象站的利用率,为天气预报提供更多、更详细、更可靠的气象观测资料。1.2国内外发展现状设备检测校准器的研制在国内外,均有很多成熟的产品,大部分计量检定设备均为实验设备,体积大,笨重,需要有固定的场所和较稳定的环境,甚至一些计量检定设备都是处于一个恒温恒湿的环境中,比较适合在实验室开展计量检定和校准工作,一般都用于标准器的计量检定和精密仪器的计量,气象部门使用这类仪器主要作为国家大型气象站传感器设备的计量检定工作,对于大量的野外无人小型气象站,由于该类设备无法满足野外的工作需求,尚未开展计量检定工作;传统的计量检定方式都是采用模拟场景的方式对设备进行计量检定,如对于温湿度的检定,采取在密闭空间制造一定的温湿度小环境,对置于其中的温湿度传感器进行计量和检定,通过标准器同待检传感器的比对来确定待检传感器是否合格,然后通过检定合格的传感器对采集器进行计量和检定,计量周期时间较长,过程比较繁琐,中间环节过多。传统的检定方式在进行传感器计量检定时,具有精度高、仿真性强的特点,但其自身的特点限制了其使用范围,不可能用于野外和快速检定使用。随着气象观测系统建设,气象仪器的数据变得越来越大,而且数据采集系统在社会上各个行业应用也更加广泛,导致设备分布范围比较大,分布密度很松散。如果采取传统的计量检定方式,无法准确快速完成计量检定的工作任务。对于气象部门来说,失真的、不可靠的数据对于气象预报来说将导致一个错误的结果,是绝对不允许的;数据巨大的无人自动气象站数据无法更进一步的利用,对国家资源造成很大的浪费。为解决这个问题,国家加强了对自动气象站计量检定工作的支持和资金投入力度。为使气象观测体系更加健全、完善,国内已经有人在开展便携式现场计量第一章绪论 3监测校准设备的研究工作,对现场运行的气象传感器与气象数据自动采集装置的在线计量检定进行了一些实验,但截至目前国内尚未有成熟的产品投入使用。1.3项目开发的意义自动气象站是气象观测系统的重要组成部分,主要完成地面各类气象要素信息的获取和传输工作,一般由四大部分组成,即气象传感器、数据采集器、数据传输装置与供电装置。气象传感器部分,主要完成将天气物理量【4】地温、湿度、雨量、风向、风速、日照、蒸发、辐射、气压等气象要素变换为标准的便于电测量信号包括模拟信号、数字信号、脉冲信号等的装置,以通道方式供数据采集器的测量接口电路使用,传感器的品质性能的好坏,对于自动观测系统的精度有着很大的影响;数据采集器部分,是自动气象站的关键设备,一般由嵌入式单片机构成独立的计算机测控系统【5】,完成气象传感器的数据采集、数据处理与数据存储功能;数据传输部分,完成将数据采集器采集的气象实时数据或历史数据按照规定的通信协议通过公共网络传输到气象中心站;电源部分为整个气象站提供工作电源,布置在市区或集镇上的自动气象站一般采用电网市电供电,对野外无人区布置的气象站一般采用工业用蓄电池、太阳能光伏电池、风能发电等多种混合模式供电。自动气象站的实际布局如图1.1所示图1.1自动气象站实际布局图自动气象站设备按照气象规划部分要求,按照建站流程完成自动气象站的建设、设备安装和调试,一旦完成安装设备就开始不间断地工作,长时间不问断地4 自动气象观测站数据采集器检测仪设计与实现运行就需要对设备进行维护、检定与校准,对设备的工作状态进行科学准确地评估,从这个意义来说,可将设备的工作状态做如下划分哺1正常是指设备本身满足其应有的主要功能与设计性能指标,保证整个系统能够稳定可靠地运行。异常是指设备本身丧失了部分次要的功能或达不到性能指标,但缺失的功能不足以使整个系统的功能发生明显的恶化。故障是指设备本身部分丧失了关键或重要的功能,缺失的功能使整个系统发生了严重偏离系统设计规定的有害行为。设备工作状态的演进规律一般为“正常“一一“异常“一一“故障“。异常与故障可理解为设备功能缺陷的程度,一般在设备维护工作中应尽早发现异常与故障现象并采取恢复性措施保证设备正常工作,在自动气象数据采集器中,由于采集器内部结构较为复杂,又有软件控制部分,使用常规检测仪器可对自动气象站的供电子系统进行端子级信号测试,但对传感器部分、数据采集器部分、数据传输装置部分进行信号级检测并不能完整地检测与确定设备故障,一般应重新设计一套新的智能电子设备对现场气象传感器、气象数据采集器、数据传输装置进行完整性测试。数据采集器是自动气象站的关键与核心设备,由于系统中涉及的气象要素及自动气象站测量的I/O点数有限,对传感器输入的信号一般由单片机进行采集与处理,其工作原理框图如图1.2所示图1.2数据采集器工作原理框图一IIllllIlIllIIlllIIllIIlllIllIIllllIlIIIIllllIlllllIIlIIlllll卜第一章绪论目前国家对气象仪器的检定与校准均有严格的计量检定工作流程,按国家气象局要求,各省也建立了专门用于对气象仪器进行检定与校准的专门机构气象检定所,也组建了自动化计量检定实验室,各基层单位也定期将气象检定仪器周期性地上报检定与校准,自动化计量检定与校准设备的使用缩短了仪器送检周期也提高了仪器校准的精度,但由于自动化检定设备庞大笨重、计量检定原理的限制,只能针对关键、重要的观测设备开展计量检定工作,其余大量的分散在野外的气象观测站目前都无法接收正规的计量检定,使得这些设备在气象观测网中发挥的作用受到了极大的制约。如果能过开发一套便携式装置,能够走出实验室对布置在室外或野外的气象观测设备进行现场在线检定,保证设备能够提供真实、可靠、准确的气象观测数据,那么将极大的促进我国气象预报事业的发展。本项目研究的目的就是研制一套便携式气象数据采集器检测装置,该设备采用计算机技术、通信技术与自动化技术,能够完成对现场气象传感器、气象数据采集器、数据传输装置的检定工作,利用该装置能够模拟各气象要素传感器的信号特性并输出给数据采集器,检测仪通过程控方式产生的输出信号对应接入到数据采集器的输入端,通过采集数据进行比测确定数据采集器的工作状态;接入到数据采集器的气象传感器也可同时接入到检测仪相应的输入端,同时进行比测,可判断气象传感器或数据采集器的工作状态;能够使用计算机软件同数据采集器建立通讯,按照数据采集器的通讯协议获取数据采集器的传感信号采集结果;能够对模拟输入信号和获取的数据采集器采集结果进行比对和分析,通过数据采集器的采集误差进行分析;能够在更高级的计量检定机构接收定期的监测,通过标准器对设备采集的误差进行修正,确保量值传递的准确。自动数据采集器检测仪的开发目的是用于野外气象设备的快速诊断和计量,可以广泛的应用于各类数据采集领域对数据采集设备的校准和比对工作。通过该设备对数据采集系统进行监测和测量,可以比较容易的分析出系统是否存在测量误差,以及误差的大小,方便设备维护人员及时调整和校准,提高设备的运行质量,优化设备资源,减轻人工观测对比的负担。1.4课题主要解决的问题本论文所涉及的工作来源于作者所在单位的科研项目基于嵌入式技术的自动气象站诊断装置开发,该项目为作者单位2009年度重点项目,本人为项目负责人。目前国家对自动气象站涉及的气象传感器均有相应的计量检定要求,气象传感器作为法定计量器具需要定期的检定与校准,各省气象主管部门均成立了自动计量检定与校准实验室,定期对气象传感器进行计量检定与校准工作,已形成一
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