自动化气象设备校准系统研究

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摘要：文章主要研究地市级移动校准系统的自动控制技术，通过RS232转WIFI通信模块，实现了对地市级移动校准系统标准器和标准设备的自动控制，从而实现自动气象站设备的自动校准和核查，使校准核查工作更加规范，为自动气象站的数据准确性提供了有力的技术支持。

关键词：自动气象站；自动化；校准系统；装备保障

自动气象站观测数据的准确性已经引起各级气象部门的高度重视，按照中国气象局要求，每年都要开展计量检定。从2012~2017年，中国气象局利用山洪建设等项目为全国300多个地市气象局配备了移动校准系统，为全国各地市开展自动气象站的现场校准和核查提供了条件。地市级移动校准系统都是一些独立的标准器具和设备，技术人员使用起来比较麻烦，操作上也很不规范。2015年，中国气象局综合观测司下发了《区域自动气象站现场核查方法（试行）》，为自动气象站现场核查提供了技术指导。伴随着气象观测设备自动化的成熟与普及，目前中国气象局正提出实现装备保障的信息化和自动化想法，如果能依据中国气象局下发的核查方法，通过一个集成的控制系统来实现对自动气象站现场核查标准和设备的统一管理，实现自动气象站温度、湿度、风向、风速、气压、雨量传感器以及采集器的现场校准和核查的自动化管理，具有十分重要的意义。

1系统技术路线

本项目主要研究地市级移动校准系统的自动控制技术，通过无线网络，实现对地市级移动校准系统的标准设备进行控制，按照规定的业务流程实现自动气象站的检定和核查。通过主控电脑和分控器无线连接，自动控制各要素的校准或核查设备，实现区域自动气象站实验室检定和现场核查的自动化操作，从而完成检定和核查的自动化管理与数据交互。地市级移动校准维修系统具备温度、湿度、风向、风速、气压、雨量传感器及采集器的校准或核查设备，各设备均具有RS232通信接口，要实现系统集成关键是要掌握各种标准设备和标准器的通信技术，通过控制器（RS232转无线WIFI模块）实现主控单元与各要素计量检定单元之间的无线自适应组网，从而实现主控单元对各校准和核查设备的自动控制，完成各要素的自动校准和核查。系统包括主控单元、采集器现场校准设备、温度计量核查设备、湿度计量核查设备、雨量计量校准设备、风计量核查设备，系统之间通过控制器进行连接。各标准设备和标准器通过工作台进行组合，使之形成一个统一的整体，方便对标准设备和标准器的管理。主控单元上的控制软件能实时控制校准设备实现校准和核查的环境条件，如进行温度校准（核查）时参加检定规程或核查规范控制干体炉调节到所需要的校准温度点，按要求读取标准器和传感器的温度数据，通过自动比对来实现对温度传感器的校准和核查。

2系统设计

本系统采用先进成熟无线通信技术，配备高精度、高可靠性、高稳定性的测量设备与一体化控制管理软件，实现了自动气象站温度、湿度、风向、风速、气压、雨量传感器的现场计量核查校准的自动化管理。各计量检定设备通过无线通信控制器完成各要素计量检定单元与主控单元的自适应组网，实现各要素现场计量检定的无线控制。根据标准的计量检定流程对各要素传感器以及采集器进行现场核查校准，并完成结果判定，报表生成打印等操作。系统结构如图1所示。2.1系统软件设计。主控软件功能结构图如图2所示。地市级移动校准维修系统在主控单元中配备了专业定制开发的移动计量核查校准控制系统软件。该软件通过模块化的架构设计，以多线程技术手段予以实现，配以简洁明了的用户交互界面。操作简便快捷，帮助现场测试人员最快速地完成计量检定测试工作。软件主要功能包括：（1）温度计量核查：系统设定温度核查点为-20、0、50℃。用户通过开始按钮一键完成三个点的核查测试。（2）湿度计量核查：系统设定温度核查点为10%、60%、95%。用户通过开始按钮一键完成三个点的核查测试。（3）气压计量核查：系统设定气压核查点为600、800、1050hPa。用户通过开始按钮一键完成三个点的核查测试。（4）雨量校准：用户设定好流量以及流速后，通过开始测试按钮完成雨量校准测试的流程。（5）风速核查：系统设定风速核查点为2、5、10、30m/s。用户通过开始按钮一键完成四个点的核查测试。（6）风向核查：系统设定风向核查点为0、121、239°。用户通过开始按钮一键完成三个点的核查测试。（7）启动风速核查：用户调整好传感器测量角度后，通过开始测试按钮完成启动风速测试流程。（8）系统参数管理：系统参数管理主要包括系统技术参数配置、本地的数据参数配置、远程服务器参数配置等内容，用户可根据自身需求配置不同的参数，使系统满足使用要求。（9）核查报表管理功能：用户可根据核查类型或设备编号对核查报表进行查询、查看、打印。2.2系统集控设备的设计。为了实现移动计量系统的自动控制，设计了通用型移动计量核查检定控制器，该控制器内置无线WIFI模块、蓝牙模块，与主控单元自组网，快速连接。通过改变拨码开关就可以实现对不同要素控制器的设置，简便快捷。控制器内部包括1路RJ45接口，2路RS232接口，1路无线WIFI，1路频率采集端口，WIFI传输距离在空旷状态下最大可达280m。WIFI天线可选择板载或者外置。具有AP、STA、AT+STA三种模式。控制器可实现温度、湿度、气压、雨量、示值风速、启动风速、风向及采集器校准仪8个单元与主控设备组网。在使用维护方面，硬件维护只需改变拨码开关就可以实现不同要素控制器的设置，简便快捷；从电路角度来讲，模块化的设计使得线路板的维修和维护变得更加简单。软件维护用户可以通过控制器的串口对程序进行升级。设备通过拨码开关选择对应的设备，比如拨码到“温度”档时，USR_TCP_232_T、U6模块和P2端口（标准RS232接口）被使能。控制器通过U6加入主控器的WIFI网络中，接收主控器发来的命令，并解析转化成符合干体炉标准的协议通过USR_TCP232_T模块发送给干体炉。待环境稳定以后，通过P2的标准RS232接口获取温度标准表的标准温度和被测温度，并通过WIFI网络发送给主控器。2.3系统集成工作台的设计。为了实现系统的集成，设计了集成控制工作台，方便对地移动校准系统的设备进行安装和操作。工作台采用模块化设计，整体可拼接结构，安装搬运较为便捷；全钢框架设计，保证设备稳定性；机架底部采用重型可调平带轮地脚（福马脚轮），即轮子可以便于移动，地脚起到固定稳固作用，同时可以兼顾机架调平功能。配套有商务台式机与19.5寸宽屏高清显示器内嵌中间柜中；台式机正面露出DVD盘仓位置以及开关、USB接口，台式机后部接口接到预留有接口位置，可根据需要搭配不同模块；同时预留接口设计有220VAC电源插座。

3先进性与创新性

该系统首次实现了对地市级移动校准设备的自动控制和集成，大大方便了技术人员对自动气象站的校准操作。（1）完成了对地市级移动校准系统标准设备的通信技术研究，实现了对地市级移动校准系统设备的自动控制，提高了校准的自动化水平，实现了校准流程的规范化。（2）完成了自动校准软件编制，校准过程不再需要人工干预，减少了人为的操作环节，数据可靠性更高。实现了与省级业务系统的数据对接，为业务应用提供了基础。（3）实现了室内检定与室外检定的有机结合。根据自动站校准的特点，设计的自动化工作台方便室内检定，设备又可直接拿到室外校准，方便了自动站校准工作的开展。

4结语

通过该系统设计，实现了对地市级移动校准系统的自动控制，保证了自动气象站核查和校准工作无须人工干预，整个过程实现了标准化、规范化操作，对于提高自动气象站观测数据的准确可靠，确保为自动气象观测在预测预报、灾害预警等方面发挥更加重要的作用。

参考文献

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[4]中国气象局监测网络司.自动气象站现场校准方法[S].北京：中国气象局监测网络司，2011.

作者:李建宇 袁帅 单位:湖南省气象技术装备中心