[科普中国]-自动气象站

概述

自动气象站是指在某一地区根据需要，建设的能够自动探测多个要素，无需人工干预，即可自动生成报文，定时向中心站传输探测数据的气象站，是弥补空间区域上气象探测数据空白的重要手段。1自动气象站由气象传感器、微电脑气象数据采集仪、电源系统、防辐射通风罩、全天候防护箱和气象观测支架、通讯模块等部分构成。温湿度、风速风向等传感器为室外气象专用传感器，具有高精度高可靠性的特点。

自动气象站用于对风速、风向、雨量、空气温度、空气湿度、光照强度、土壤温度、土壤湿度、蒸发量、大气压力等十几个气象要素进行全天候现场监测。可以通过专业配套的数据采集通讯线与计算机进行连接，将数据传输到气象计算机气象数据库中，用于统计分析和处理。2

工作原理自动气象站的基本原理是传感器将对应气象要素的变化转换成电信号的相应变化，这种变化由单片机控制的数据采集器所采集，进行线性化和定标处理，实现工程量到要素量的转换，并对数据进行质量控制。经过预处理后得出各个气象要素的实时值，然后由通信模块传输到中心站的微机上。1

构成硬件自动气象站有多种类型，其结构基本相同，主要由传感器、采集器、系统电源、通信接口及外围设备（计算机、打印机）等组成。3

传感器

能感受被测气象要素的变化并按一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换器组成。

自动气象站常用的传感器有：

气压——振筒式气压传感器、膜盒式电容气压传感器

气温——铂电阻温度传感器

湿度——湿敏电容湿度传感器

风向——单翼风向传感器

风速——风杯风速传感器

雨量——翻斗式雨量传感器

蒸发——超声测距蒸发量传感器

辐射——热电堆式辐射传感器

地温——铂电阻地温传感器日照——直接辐射表、双金属片日照传感器3

采集器数据采集器是自动气象站的核心，其主要功能是数据采样、数据处理、数据存储及数据传输，其主要技术性能为：

数据采样速率及算法规定

采集器的电源能保证采集器至少七天正常工作，数据存储器至少能存储三天的每分钟气压、气温、相对湿度、1分钟平均风向和风速、降水量和下表列各项目的每小时正点观测数据，能在计算机中形成规定的数据文件。3

系统特点·可靠运行于各种恶劣的野外环境，低功耗、高稳定性、高精度、可无人值守。·完善的防雷击、抗干扰等保护措施。

·硬件和软件均采用模块组合式开放性设计，可灵活组合使用。

·气象传感器可根据需要选配。

·通讯方式可根据需要选配。

·电源系统可根据需要选配。

监测软件自动气象站软件界面友好，如左图所示。可通过表格或曲线视图对数据进行分析，（有线，无线）多种通讯方式，动态组网，可支持百台以上监测站点并发通讯；在Windows2000以上系统环境即可运行。

通讯系统（1）RS232有线，通讯距离0—10m

（2）RS485有线，通讯距离0—1000m

（3）无线微波电台，通讯距离0—500m

（4）移动无线GPRS，通讯距离不限（有附加的GPRS流量费用）

（5）WiFi通信，通讯距离不限（须架设有WiFi）

（5）气象短信，通讯距离不限。用户可根据现场情况自由选择通讯方式。

安装配件（1）主体材料，不锈钢。

（2）安装/结构，柱杆。高度可根据实际情况设计。

（3）安装箱体，户外。

（4）避雷保护，MSP-1避雷针和MGP-1地线装置。

测量参数自动气象站通常测量的参数如下：4

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应用范围自动气象站用于对风速、风向、雨量、空气温度、空气湿度、光照强度、土壤温度、土壤湿度、蒸发量、大气压力等十几个气象要素进行全天候现场监测。可以通过专业配套的数据采集通讯线与计算机进行连接，将数据传输到气象计算机气象数据库中，用于统计分析和处理。2

自动气象站是由电子设备或计算机控制的自动进行气象观测和资料收集传输的气象站，一般由传感器、变换器、数据处理装置、资料发送装置、电源等部分组成。变换器是将传感器感应的气象参数转换成电信号（比如电压、电流、频率等 ）；数据处理装置则将对这些电信号进行处理，再转换成对应的气象要素值。经过处理的气象要素数据按规定的格式编排，经资料发送装置用有线或无线方式传给用户，或存贮在介质上，由用户定期回收。电源是为气象站正常工作提供动力的 ，在野外通常使用太阳能电池。整个系统由一部微机自动管理。

自动气象站观测项目通常为气压、气温、相对湿度、风向、风速、雨量等基本气象要素，经扩充后还可测量其它要素。

自动气象站是一种能自动地观测和存储气象观测数据的设备，主要由传感器、采集器、通讯接口、系统电源等组成,随着气象要素值的变化，各传感器的感应元件输出的电量产生变化，这种变化量被CPU实时控制的数据采集器所采集，经过线性化和定量化处理，实现工程量到要素量的转换，再对数据进行筛选，得出各个气象要素值。自动气象站观测项目主要包括气压、 温度、湿度、风向、风速、雨量等要素，经扩充后还可测量其它要素，数据采集频率较高，每分钟采集并存储一组观测数据。自动气象站根据对自动气象站人工干预情况也可将自动气象站分为有人自动站和无人自动站。自动气象站网由一个中心站和若干自动气象站通过通信电路组成的。

按照城区大约间隔5公里、郊区10-15公里的建设原则，北京市气象局现已建成多要素自动气象站177个(有人自动站20个, 无人自动站157个)，并在市局建立中心站组网，实时收集、监控、分发自动气象站观测数据，自动站网已覆盖北京市全地域，能够实时、准确地获取北京地区的气象要素数据，较好地满足了日常业务需要，也为更好地为奥运会和首都人民做好气象服务打下了坚实的基础。

自动气象站是由电子设备或计算机控制的自动进行气象观测和资料收集传输的气象站，通常有以下两种形式：

（1）有线遥测自动气象站：仪器的感应部分与接收处理部分相隔几十米到几公里，其间用有线通信电路传输。由气象传感器，接口电路、微机系统、通讯接口等组成。传感器将气象信息转换成电信号由接口电路输出。微机系统是它的心脏，负责处理接口电路及观测员通过键盘输入的信号，并将处理结果输出显示、打印、存盘，也可通过接口送到 信息网络服务系统。这种自动站早期用于实时查询气象资料，现在逐渐取代气象站日常主要观测工作。

（2） 无线遥测气象站：又称无人气象站。它包括测量系统、程序控制和编码发射系统、电源三部分组成。气象要素转换成电信号的方式常见有机械编码式和低频调制式两种， 前者多使用机械位移的感应元件，使指针在码盘上位移而发出不同的电码；后者多使用电参量输出感应元件，使它产生一个低频变化的信号，然后将此信号载于射频上发射。无人气象站通常能连续工作一年左右，每天定时观测4─24次。可在1000公里之外的控 制中心指令或接收它拍发的电报，也可利用卫星收集和转发它拍发的资料。该站通常安置在沙漠、高山、海洋（漂浮式或固定式）等人烟稀少的地区，用于填补地面气象观测网的空白处。

配置各个自动气象站的配置可以不尽相同，但通常包括以下内容：

全天候数据记录器，可充电电池和遥测装置（可选）

气象传感器

太阳能电池板或风力发电机组

桅杆

外壳

自动气象站的外壳通常是全天候玻璃纤维，ABS树脂或不锈钢。

ABS塑料外壳的特点是重量轻，价格便宜。ABS塑料外壳是常用自动气象站外壳，但相比起玻璃纤维或不锈钢就显得不太安全和坚固。

玻璃纤维外壳的特点在于耐防化学或水的腐蚀。

不锈钢外壳是最佳选择，而且通常是316s/s或304s/s。不锈钢外壳具耐腐蚀及化学性。这些机箱也昂贵，同样大小的费用可以是玻璃纤维外壳一倍以上。

太阳能电池板

自动气象站的主要动力来源，通常是一个或多个太阳能电池板并联稳压器和一个或多个充电池。一般而言，太阳能电池板的输出是其最佳的只有每天5个小时。因此安装角度和位置是至关重要的。在北半球的太阳能电池板将被安装成面向南，南半球的则面向北。安装的角度则各有不同，但安装的角度绝不应为5度，是因为会使灰尘积聚而令电力输出下降。

在阳光充沛的情况下，12伏直流电太阳能电池板的输出值为：

5瓦= 400mA/hr

10瓦= 800mA/hr

20瓦= 1.6A/hr

40瓦= 3.3A/hr

桅杆

自动气象站使用的标准桅杆高度为2米，3米，10米和30米。亦有其它尺寸，但通常这些大小已被视作标准。

2米（6.6英尺）桅杆是用于测量影响人类的参数。桅杆高度为参照头部高度。

3米（9.8英尺）桅杆是用于测量影响农作物的参数（如小麦，甘蔗等）。桅杆高度为参照农作物的顶端。

10米（32.8英尺）桅杆是用于测量避免受树木影响的数据，如树木，建筑物或其他障碍物。通常这种自动气象站是测量风速和风向。

30米（98.4英尺）桅杆是用于测量参数分层数据模型。在2米，3米，10米和30米各个分层中测量风，湿度和温度。其他传感器则安装在2米或以下的高度。

分类自动气象站按照监测方式分为：手持式气象站、车载式气象站、无线遥测气象站、有线遥测气象站、便携式气象站。 1、手持式气象站：手持式气象站是最小的气象站，是由手持仪表和传感器组成，便于携带，测出来的数据现场直接显示。但是这种气象站一般不具备远程功能，且连接的传感器较少，不能扩展连接。 2、车载式气象站：这是气象站是专门针对车辆、船舶等应急环境检测设备而设计的可移动式的观测气象站，其连接传感器的数量相对也比较少。 3、无线遥测气象站：目前最为先进的气象站就是这种气象站，它采用物联网模式，GPRS数据传输方式，将数据上传至网络平台，凡是有网络的地方，都随时可以登录平台，查看气象站现场数据。且有给予短信预警提示功能，能扩展连接很多传感器。这种气象站又称之为无人气象站。例如德国STEPS的型号是T-Warner的气象站，就是采用这种技术的。 4、有线遥测气象站：这是传统气象站的监测方式，感应部分与接收处理部分相隔几十米到几公里，其间用有线通信电路传输。是传感器将数据通过连接数据线，将数据传输到PC机上。这种方式适合于有人值守区。 5、便携式气象站：它是用于监测野外气候，将数据直接传输到数据采集器中，数据采集器将数据存贮下来，定期去现场数据。这种气象站最大的好处就是方便移动，成本相对低很多。5

自动气象站按其功能分为：土壤墒情监测站、自动雨量站、自动水位监测站、雨水情监测站、多要素自动气象站。 1、土壤墒情监测站：其主要是监测干旱和洪涝的监测站，它连接的传感器主要是土壤水分传感器。例如德国STEPS的SW3000，就是典型的土壤墒情监测站。 2、自动雨量站：顾名思义，其主要是监测降雨量的监测站，主要连接的传感器是雨量传感器。 3、自动水位监测站：其主要是监测水位的监测站，主要连接水位传感器。 4、雨水情监测站：是将自动雨量站和水位监测站二者合一，一个监测站上连接了2种传感器。 5、多要素自动气象站：可以监测风速、风向、温湿度、降雨量、总辐射、大气压力等多种要素的监测站。可以扩展连接多种传感器。 自动气象站按行业分为：农田气候观测站、交通气象站、海洋环境气象站、水文气象站、森林火险监测站、科研气象站。5

功能1、实时监测温度、湿度、风速、风向、雨量、气压、太阳辐射、环境气体、土壤温度、土壤湿度、能见度等多种气象参数，气象观测要素的配置方式可以根据项目的实际情况进行灵和配置，根据配置不同可以组合成移动式气象站、固定式气象站、梯度观测站、墒情气象站、森林防火气象站、农林小气候观测站、高速公路气象站等多种不同使用用途的气象观测站。

2、微电脑气象数据采集仪具有气象数据采集、实时时钟、定时存储、参数设定、参数和气象历史数据掉电保护等功能。数据采集器采用新一代处理器32位Motorola CPU集成高精度GPS数字芯片, 1微妙卫星同步支持 NMEA0183 通讯协议，主动型陶瓷天线让定位更为精准，通过气象监测软件可以准确定位查看监测区域的气象环境数据，方便于移动观测气象数据，工业控制标准化设计，便携式防振结构，汉字液晶键盘人机界面，使用先进的双屏显示技术，主屏显示实时气象数据信息，辅屏显示地理状况信息包括方位、高度、天气预报资料等等，人机界面友好，便于现场实时查看气象分析数据，无需外接电脑终端设备。

3、数据存储方式由内存和外存两部分组成，标准配置为内存，同时也可以选配外置智能存储器进行数据备份操作，存储容量最高达2G，可以存储50年以上气象数据。

4、标准RS232/485/USB通讯功能，支持标准MODBUS通讯协议，可以通过有线连接、局域网连接、光纤连接、Modem连接、GPRS移动通讯、数传电台、3G通讯、卫星通讯等多种通讯方式与气象站接收服务器组成气象监测系统。

GPRS移动通讯技术是由我公司独创的最新一代分组转移传输模式，该模式允许用户在端到端分组转移模式下发送和接收数据，而不需要利用电路交换模式的网络资源。GPRS永远在线，按流量计费，从而提供了一种高效、低成本的无线分组数据业务。特别适用于间断的、突发性的和频繁的、点多分散、中小流量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输。

5、自动气象站管理软件可在WINDOWS2000以上环境即可运行并支持最新WIN7操作系统，实时显示各路数据，每隔10秒更新一次，每组数据自动存储（存储时间可以设定），与打印机相连自动打印存储数据，生成标准气象图文报表及统计分析曲线,存储量达数年以上，数据存储格式为EXCEL标准格式可供其它软件调用，强大数据库管理功能，支持sql、access、oracle等多种数据库，并可以将数据上传至中心管理网站进行实时数据更新发布便于查询。

6、电源供电系统有市电220V、直流5V、12V和太阳能供电系统多种方式进行选择。气象数据采集器配备有绿色节能电源管理模块系统，如使用太阳能系统方式供电，可保证连续阴雨天情况下十天无断电稳态工作。

7、采用不锈钢轻金属支架和野外防护箱，外形美观、耐腐蚀、抗干扰，可长期运行于各种恶劣的室外环境，安装支架高度包括2.5m、3m、10m、50m、100m，能够根据不同规范安装气象传感器。

8、配备新一代外接控制管理模块，通过该管理模块可以外接气象信息显示屏，用于实时显示气象数据和其它业务信息。它适于显示文字、文本、图形、图像、动画等各种信息，可在室外全天候运行。该设备是在公共场所进行气象数据显示及信息发布和企业形象宣传的有效工具和良好窗口。同时该管理模块可以控制管理外接设备的工作状态，例如外接报警系统的的启动和关闭。

9、完善的防雷击、抗干扰等保护措施。在电子线路方面采用了防雷、噪声抑止等多种抗干扰措施，在硬件和软件设计方面采用了降额设计、电磁兼容设计、野值剔除等多种可靠性设计技术，可靠运行于各种恶劣的野外环境，低功耗、高稳定性、高精度、可无人值守。

安装使用方法工具/原料

气象站一台

十字螺丝刀、偏口钳、扳子各一个，扎带数根

方法/步骤

检查气象站配件是否齐全，检查支架、传感器、气象站主机、供电系统等

固定传感器，把传感器固定到相应的支架上面，注意的是(一般风速风向传感器航插头对住支架方向内，百叶箱朝南，风向朝北)

固定太阳能板及气象站主机、传感器到主支架上面，固定好；

气象站接线，按照线缆出厂前的航插头标示对应接线。2

日常维护、保障程序一是运行状态实时监控。在日常工作，区域气象观测站运行实时监控系统，根据每小时上传状态信息实时监视区域自动气象站的运行状态。二是供电状况监视，根据实时监控系统监控平台，发现连续夜间数据无法上传，白天太阳能及时补充电压时数据续传正常现象，即可初步判断蓄电池欠压。三是通过区域自动气象站数据查询系统，监视区域自动站采集数据合理性、正确性，发现明显差错、疑误及时与区局相关单位联系，协商解决。四是通过短信功能监控区域自动气象站参数配置。1

故障维修方法在日常维护工作中，为确保高效、高质量完成保障任务，一般区域自动气象站的故障主要通过以下方法解决。1

1通过监控软件及短信功能进行判断

可通过相关的运行监控软件，及时发现问题并作出初步判断。通过短信功能查看故障气象站的参数配置及话费状态，同时根据短信功能可以确定区域气象站是否正常运行，提高远程解决故障的能力，若短信无回复即需赶赴现场处理故障。

2到达现场首先查看采集器上指示灯状态

采集器正常运行过程中绿色(电源)指示灯3 s闪2次表示设备已经与中心连接正常，否则可根据另4种判断：常灭关闭模块、1 s闪1次设备正在查找网络、3 s闪1次设备正常找到网络、1 s闪2次设备正在激活GPRS并连接TCP状态。测量红灯(网络)指示灯3 s闪1次表示设备正常找到网络，若1 s闪1次则设备正在查找网络。

3用万用表测量电池电压、太阳能供电电压

一是测量蓄电池电压。用万用表直流档(20 V)测量蓄电池工作电压值。在白天太阳能充足的情况下，测得工作电压应当高于6.7 V;在夜间，蓄电池工作电压应当在6.3 V左右。如果电压低于5.5 V，电源将不能保证自动站的正常工作。若单独测量电池电压，需断开电池输出端。二是测量太阳能板充电电流。用万用表电流档(2 A以上)测量太阳能电池板充电电流，在不同日照情况下，充电电流大小应当不同，太阳充足的情况下，电流为1 A左右。如果无电流则说明太阳能板故障或供电电线断路[2]。

根据近2年维护保障工作，发现电源故障的主要原因是电池电压不足，至此可简单判断是否是电池原因造成数据上传不正常，更换电池再进行状态和数据监控后故障即可排除;同时，初步测量判断时，分别对电池供电和太阳能供电进行分开测量与逻辑对比分析，对DY07也进行初步的判断，并通过更换DY07连续监测，确定故障原因，如果数据仍无法正常上传，可继续下面的检查步骤(下同)。

4重启采集器

在重启前先查看接线柱是否松落，应重新紧固、插拔(谨记检查接线柱必须在关闭采集器状态下开展)，按动采集器电源按钮，系统通电后绿色的电源指示灯亮起，连续2声蜂鸣声，指示设备通电启动成功。正常通电约10 s后红色的网络指示灯由1 s闪1次变为3 s闪1次，表明设备已经正常注册到无线网络上，采集器重启正常后可连续监控数据传输状态及质量，经监控运行正常，可排除线路松落原因。1