横山水库自动气象站系统设计及关键技术分析

钱 昊， 徐 兴

（1.国网电力科学研究院/南京南瑞集团公司 江苏 南京 211106；2.江苏省水文水资源勘测局无锡分局 江苏 无锡 214031）

横山水库是一座以防洪、灌溉、供水为主，结合水产养殖、发电和第三产业综合利用的水利枢纽[1-2]。为了提高水利设施对灾害性天气的监测和防灾减灾能力，为灌溉和下游防洪提供及时的基础数据和决策依据[3]，迫切需要开展先进可靠、功能强大、精度高、长期稳定运行的气象监测站对横山水库的气候系统进行长期连续的观测。目前，自动气象站越来越多的应用到气象部门，尤其在条件艰苦的高山、沙漠、海岛等不适宜有人值守的地区更需要大量能实现自动采集、无线传输的自动气象站。近年来，随着GPRS无线通信技术的快速发展[4-5]，使气象数据无线传输变成了可能。同时，微功耗、强操作性的数据采集器的应用也进一步推动了自动气象站的发展。

本文详细介绍了横山水库自动气象站设计方案，阐述了数据采集、通信、时钟同步及可靠性设计等关键技术，集成了先进的气象传感器、数据采集器、控制处理器和GPRS无线装置，可实现全天候24小时不间断监测，并将环境温度、环境湿度、风向、风速等气象要素数据及时传至气象业务综合处理平台，实现监测与传输同步进行，从而有效的提高了横山水库防范和应对自然灾害的能力。

1 系统组成

本系统采用模块化设计，系统主要由传感器模块，数据采集模块，通讯模块以及电源模块4个部分构成。系统模块化框图如图1所示。

图1 系统模块化框图Fig.1 The block diagram of modular system

传感器模块主要由各类气象传感器组成，不同的传感器可测量到不同的气象要素数据。传感器在完成气象要素测量后，按照模拟信号和数字信号的区别，分别将传感器信号通过模拟适配器和数字适配器接入到数据采集器。数据采集器对数据进行采集和统计计算，并利用通讯模块，将监测数据发送到数据采集平台，而电源模块则是为气象站正常工作提供动力。

1.1 传感器模块

本自动气象站主要采用风速风向传感器、温湿度传感器、墒情传感器和蒸发传感器4类传感器分别对风速、风向、温度、湿度、墒情、蒸发6个气象要素进行测量，如图2所示。

图2 传感器模块总线图Fig.2 The diagram of sensor module

从水文气象的角度，监测水库的降水和蒸发是水文部门监视水库水利运行情况，了解各水域的水文特征的重要手段；从气象角度，风速、风向、温度和湿度等是气象监测的重要指标。因此，本自动气象站在设计过程中，结合横山水库自身特点，从风速、风向、温度、湿度、墒情、蒸发6个方面对横山水库的气象系统进行实时监测。

1.2 数据采集模块

传感器模块完成6种气象要素测量后，按照模拟信号和数字信号的区别，分别将传感器信号通过模拟适配器和数字适配器接入到核心数据采集器。

数据采集器是自动气象站的关键设备，自动气象站的全部功能几乎都体现在数据采集器上。为此，本气象站选用先进可靠、功能强大、易操作、易维护的数据采集终端——南京南瑞集团公司的ACS300-MM数据采集器。

ACS300-MM具有性能高、功耗低的特点[6]，是一款集成了USB HOST接口的高可靠性、高智能化、完全满足工业级标准的（工作温度范围：-35～+65℃，高于行业内任何一款数据采集终端）微功耗数据采集器。

ACS300-MM数据采集器具有完善的远程通信能力。4个RS-232接口可同时提供3信道远程通信服务 （包括各信道之间数据交换或转发服务）和1信道本地通信服务（或4信道远程通信服务），满足用户对微功耗数据采集器远程通信能力的需求。同时，ACS300-MM增强了对设备操作安全性和“防愚”的设计：采用坚固的独立封装，防止野外操作时不慎损坏设备；系统的防愚设计保证在用户误操作的情况下对设备不会造成永久性损坏，使没有ACS300-MM使用经验（或合适培训）的用户在搭建系统时可以大胆操作，并有效减少系统安装维护工作量。

1.3 通讯模块

ACS300-MM在完成数据采集和统计计算等工作后，需要驱动通讯模块，才能将监测数据发送到数据采集平台。在本自动气象站，选用GPRSDTU进行通讯。在软件设计上，GPRSDTU封装了协议栈内容并且具有嵌入式操作系统[7]；在硬件设计上，可看作是嵌入式PC加无线接入部分的结合，用于串口数据可靠传输[8]。GPRSDTU具有四个核心功能：1）内部集成TCP/IP协议栈；2）提供串口数据双向转换功能；3）支持自动心跳，保持永久在线；4）支持参数配置，永久保存。

GPRSDTU通过数据中心的IP地址（如果是采用中心域名的话，先通过中心域名解析出中心IP地址）以及端口号等参数，向数据中心发起TCP或UDP通信请求，在得到中心的响应后，GPRSDTU即认为与中心握手成功，然后就保持这个通信连接一直存在，如果通信连接中断，GPRSDTU将立即重新与中心握手。由于TCP/UDP通信连接已经建立，就可以进行数据双向通信了。

对于GPRSDTU来说，只要建立了与数据中心的双向通信，完成用户串口数据与GPRS网络数据包的转换就相对简单了。一旦接收到用户的串口数据，GPRSDTU就立即把串口数据封装在一个TCP/UDP包里，发送给数据中心。反之，当GPRSDTU收到数据中心发来的TCP/UDP包时，从中取出数据内容，立即通过串口发送给用户设备。通讯原理如图3所示。

图3 通讯原理图Fig.3 The diagram of communication fundamentals

1.4 电源模块

考虑到横山水库自动气象站的建站地点没有220 V市电，故电源模块采用蓄电池加太阳能电池板浮充的方式。蓄电池采用容量为65 Ah/12 V的蓄电池，太阳能电池板采用规格为80 W/17 V的太阳能电池板。

因横山水库自动气象站采用的数据采集器及通信终端均是低功耗设备，因此按80W太阳能电池板加上65 Ah蓄电池配置，可保证设备在30天无日照的条件下正常工作。

该气象站设该气象站在30天无日照条件下正常工作的耗电量

由于本气象站每5分钟采集一次气象数据，而只有在气象数据监测时，系统的平均电流约为1.5 A，且每次采集数据的持续时间不超过15 s，其余285 s时间的系统电流仅为0.1 mA，故由此可得

其中 U=12 V，I1=1.5 A，t1=15/300*30*24 h=36 h，I2=0.1 mA，t2=285/300*30*24 h=684 h，

经计算可得W耗=54.068 4 Ah*12 V

而蓄电池在30天的供电量

其中 U供=12 V，I供*T=65 Ah， 经计算可得 W供=65 Ah*12 V，所以W供＞W耗，因此，该蓄电池配置，可保证设备在30天无日照的条件下正常工作。

2 软件设计

本自动气象站数据采集管理软件在数据接收、数据处理、数据显示和存储上均采用模块化设计，且模块可以根据用户需求进行升级。

其中采集管理软件可自动接收系统内各自动气象站发送的数据，也可以根据设置的通讯间隔定时读取各站数据，支持采用数据库与文本文件双备份的方式存储数据。本系统还可以对中心站参数和户外台站参数进行设置、对自动气象站控制及远程状态实时监控。同时，还可实现数据补要、数据上传或下发的功能，并支持操作员设置、相关资料录入、权限管理、日志维护等其它辅助功能。

本自动气象站的数据采集子系统主要用于实现对系统各种来源、不同类型的数据进行在线实时采集。作为一个长期在线运行的子系统，要求其运行稳定、可靠性高、处理速度快、资源占用尽可能少。南瑞集团自主研发的ACSCOMM采集平台是集成了多种通信信道和多种RTU协议的通用遥测数据采集、查询分析与数据处理的平台。本系统采用的ACSCOMM采集平台具有ACCESS后台数据库，可独立运行。

3 关键技术分析

3.1 数据采集

横山水库自动气象站观测的气象要素种类较多，包括风速、风向、温度、湿度、墒情、蒸发速度，因此涉及的传感器种类也较多，故本气象站采用的不同类型传感器的接入方式也不尽相同：超声波风速风向计采用数据总线方式接入；温湿度计采用模拟量接入方式；墒情计采用模拟量方式接入；超声波蒸发器采用模拟量方式接入。除此以外，本系统还支持开关量接入方式的翻斗式雨量计等类型传感器。

本自动气象站数据采集难点在于：在考虑功耗及自动气象站可靠性的前提下，遥测终端可任意接入以上各种传感器的组合，且具有互换性，这就要求自动气象站应能同时接入模拟量、开关量、总线等各种类型的信号。

对于以上难点，本站采用的遥测终端在设计上已充分考虑了数据种类和存储量，兼容各种传感器，采用模块化设计，各种传感器类型均有单独定义，可做到传感器测量相互独立，且分别设置传感器参数，如加报条件、预热时间、传感器类型等等特定参数，并将之与系统参数（如定时报时间、站号等）区分开来。

3.2 通信体制

自动气象站的通信体制设计是保证系统实时性、可靠性的关键环节。本气象站系统采用的自动气象遥测终端在通信组网方面支持GPRS/CDMA、以太网、PSTN、北斗、VHF等各种遥测通信方式，并支持各种信道组合成主备信道、同发信道的组网通信方式。在主备方式下，遥测终端通过主信道发送失败的数据会通过备用信道发出，从而提高数据通信的可靠性。

本系统在保证GPRS通信的同时，还可以实现短信备份功能，从而在信道条件不佳时自动切换到短信信道发送气象数据，在信道恢复正常时恢复使用GPRS信道发送，从而降低系统对GPRS信道条件的要求。

本系统采用的遥测终端支持等待中心平台回执以判断数据可靠抵达，并可设置通信失败重发次数，以保证气象信息在信道条件较差的情况下仍能可靠送达中心站。与此同时，系统遥测终端具备自动补发功能。遥测终端将发信失败的数据存储在本地，在下次发信成功后补发该条数据，从而大大提高系统的数据畅通率。除此以外，遥测终端还具备多中心的功能，可以实现一个自动气象站最多同时往三个中心平台发送数据，从而可以最简单的方式实现气象数据共享。

无论采用定时、自报、加报、应答、回执、多中心、多信道及以上各种通信体制的组合，本自动气象站遥测终端均可简单通过参数配置直接实现，无需做生产性开发。

3.3 系统时钟同步

由于横山水库自动气象站时钟为本地时钟，为保证数据精确性，本自动气象站设有完整的机制保证系统时钟同步，主要表现在以下3个方面：

1）自动气象站主动请求校时。由本自动气象站每天在固定时间点（可任意设置），主动发起一条请求对时的指令，平台接收到该指令后下发对时命名进行时钟同步；

2）平台软件自动或手动下发对时指令进行时钟同步；

3）卫星授时。增加GPS校时模块，即可通过GPS卫星校时。

3.4 可靠性设计

自动气象站作为野外观测设备，往往会遇到盐度大、湿度大、雷雨多发、冰冻天气等各种恶劣条件，因此对系统可靠性的要求较高。本气象站系统所涉及的可靠性设计涵盖了传感器可靠性设计、供电可靠性设计、防雷设计、抗电磁干扰设计和防腐设计等。

在传感器可靠性设计方面，本系统中气象传感器经过沿海地区、高山地区、高海拔地区多个工程的考验，其中风速风向计选用免维护的超声波风速风向计，具有抗强风、可靠性高的特点，避免了传统的风杯、风标式风速风向计易出故障，冰冻天气无法工作的问题；温湿度传感器为高可靠产品，避免了一些传感器在沿海高盐度高湿地区容易出故障的问题。

在供电可靠性设计方面，本系统采用的ACS300-MM核心数据采集器具有极低的功耗，在交流电或太阳能中断情况下能保证设备连续正常工作30天，同时系统具备电池电压检测功能，能在蓄电池欠压情况下减少发信甚至中断工作，从而保证蓄电池不被损坏。

在防雷和抗电磁干扰设计方面，本系统设备在电源和传感器通道上都设计了相应的避雷器和浪涌抑制器，配合现场可靠的接地方式，能起到很好的防雷效果。

在防腐设计方面，本自动气象站的机箱均采用不锈钢喷塑工艺，固定金具均采取热镀锌工艺，能有效地避免沿海高盐高湿地区的腐蚀问题。

4 结束语

本文主要介绍了横山水库自动气象站的系统组成和软件框架，并针对数据采集、通信体制、时钟同步和可靠性设计的问题，着重阐述了其所采用的关键技术。随着越来越多的微功耗、可实时通信并且具有高可靠性的水文气象站顺利投运，太湖流域防洪与水资源调度系统建设将得到有力的支撑，同时为建设流域主要控制线监控及重点水利工程自动控制系统，提高流域统一调度能力和洪水调度水平打下基础。

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