橫山水庫自動氣象站系統(tǒng)設(shè)計及關(guān)鍵技術(shù)分析

錢 昊， 徐 興

（1.國網(wǎng)電力科學(xué)研究院/南京南瑞集團(tuán)公司 江蘇 南京 211106；2.江蘇省水文水資源勘測局無錫分局 江蘇 無錫 214031）

橫山水庫是一座以防洪、灌溉、供水為主，結(jié)合水產(chǎn)養(yǎng)殖、發(fā)電和第三產(chǎn)業(yè)綜合利用的水利樞紐[1-2]。為了提高水利設(shè)施對災(zāi)害性天氣的監(jiān)測和防災(zāi)減災(zāi)能力，為灌溉和下游防洪提供及時的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和決策依據(jù)[3]，迫切需要開展先進(jìn)可靠、功能強(qiáng)大、精度高、長期穩(wěn)定運(yùn)行的氣象監(jiān)測站對橫山水庫的氣候系統(tǒng)進(jìn)行長期連續(xù)的觀測。目前，自動氣象站越來越多的應(yīng)用到氣象部門，尤其在條件艱苦的高山、沙漠、海島等不適宜有人值守的地區(qū)更需要大量能實(shí)現(xiàn)自動采集、無線傳輸?shù)淖詣託庀笳?。近年來，隨著GPRS無線通信技術(shù)的快速發(fā)展[4-5]，使氣象數(shù)據(jù)無線傳輸變成了可能。同時，微功耗、強(qiáng)操作性的數(shù)據(jù)采集器的應(yīng)用也進(jìn)一步推動了自動氣象站的發(fā)展。

本文詳細(xì)介紹了橫山水庫自動氣象站設(shè)計方案，闡述了數(shù)據(jù)采集、通信、時鐘同步及可靠性設(shè)計等關(guān)鍵技術(shù)，集成了先進(jìn)的氣象傳感器、數(shù)據(jù)采集器、控制處理器和GPRS無線裝置，可實(shí)現(xiàn)全天候24小時不間斷監(jiān)測，并將環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、風(fēng)向、風(fēng)速等氣象要素數(shù)據(jù)及時傳至氣象業(yè)務(wù)綜合處理平臺，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測與傳輸同步進(jìn)行，從而有效的提高了橫山水庫防范和應(yīng)對自然災(zāi)害的能力。

1 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，系統(tǒng)主要由傳感器模塊，數(shù)據(jù)采集模塊，通訊模塊以及電源模塊4個部分構(gòu)成。系統(tǒng)模塊化框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)模塊化框圖Fig.1 The block diagram of modular system

傳感器模塊主要由各類氣象傳感器組成，不同的傳感器可測量到不同的氣象要素數(shù)據(jù)。傳感器在完成氣象要素測量后，按照模擬信號和數(shù)字信號的區(qū)別，分別將傳感器信號通過模擬適配器和數(shù)字適配器接入到數(shù)據(jù)采集器。數(shù)據(jù)采集器對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和統(tǒng)計計算，并利用通訊模塊，將監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)采集平臺，而電源模塊則是為氣象站正常工作提供動力。

1.1 傳感器模塊

本自動氣象站主要采用風(fēng)速風(fēng)向傳感器、溫濕度傳感器、墑情傳感器和蒸發(fā)傳感器4類傳感器分別對風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度、墑情、蒸發(fā)6個氣象要素進(jìn)行測量，如圖2所示。

圖2 傳感器模塊總線圖Fig.2 The diagram of sensor module

從水文氣象的角度，監(jiān)測水庫的降水和蒸發(fā)是水文部門監(jiān)視水庫水利運(yùn)行情況，了解各水域的水文特征的重要手段；從氣象角度，風(fēng)速、風(fēng)向、溫度和濕度等是氣象監(jiān)測的重要指標(biāo)。因此，本自動氣象站在設(shè)計過程中，結(jié)合橫山水庫自身特點(diǎn)，從風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度、墑情、蒸發(fā)6個方面對橫山水庫的氣象系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。

1.2 數(shù)據(jù)采集模塊

傳感器模塊完成6種氣象要素測量后，按照模擬信號和數(shù)字信號的區(qū)別，分別將傳感器信號通過模擬適配器和數(shù)字適配器接入到核心數(shù)據(jù)采集器。

數(shù)據(jù)采集器是自動氣象站的關(guān)鍵設(shè)備，自動氣象站的全部功能幾乎都體現(xiàn)在數(shù)據(jù)采集器上。為此，本氣象站選用先進(jìn)可靠、功能強(qiáng)大、易操作、易維護(hù)的數(shù)據(jù)采集終端——南京南瑞集團(tuán)公司的ACS300-MM數(shù)據(jù)采集器。

ACS300-MM具有性能高、功耗低的特點(diǎn)[6]，是一款集成了USB HOST接口的高可靠性、高智能化、完全滿足工業(yè)級標(biāo)準(zhǔn)的（工作溫度范圍：-35～+65℃，高于行業(yè)內(nèi)任何一款數(shù)據(jù)采集終端）微功耗數(shù)據(jù)采集器。

ACS300-MM數(shù)據(jù)采集器具有完善的遠(yuǎn)程通信能力。4個RS-232接口可同時提供3信道遠(yuǎn)程通信服務(wù) （包括各信道之間數(shù)據(jù)交換或轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)）和1信道本地通信服務(wù)（或4信道遠(yuǎn)程通信服務(wù)），滿足用戶對微功耗數(shù)據(jù)采集器遠(yuǎn)程通信能力的需求。同時，ACS300-MM增強(qiáng)了對設(shè)備操作安全性和“防愚”的設(shè)計：采用堅固的獨(dú)立封裝，防止野外操作時不慎損壞設(shè)備；系統(tǒng)的防愚設(shè)計保證在用戶誤操作的情況下對設(shè)備不會造成永久性損壞，使沒有ACS300-MM使用經(jīng)驗(yàn)（或合適培訓(xùn)）的用戶在搭建系統(tǒng)時可以大膽操作，并有效減少系統(tǒng)安裝維護(hù)工作量。

1.3 通訊模塊

ACS300-MM在完成數(shù)據(jù)采集和統(tǒng)計計算等工作后，需要驅(qū)動通訊模塊，才能將監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)采集平臺。在本自動氣象站，選用GPRSDTU進(jìn)行通訊。在軟件設(shè)計上，GPRSDTU封裝了協(xié)議棧內(nèi)容并且具有嵌入式操作系統(tǒng)[7]；在硬件設(shè)計上，可看作是嵌入式PC加無線接入部分的結(jié)合，用于串口數(shù)據(jù)可靠傳輸[8]。GPRSDTU具有四個核心功能：1）內(nèi)部集成TCP/IP協(xié)議棧；2）提供串口數(shù)據(jù)雙向轉(zhuǎn)換功能；3）支持自動心跳，保持永久在線；4）支持參數(shù)配置，永久保存。

GPRSDTU通過數(shù)據(jù)中心的IP地址（如果是采用中心域名的話，先通過中心域名解析出中心IP地址）以及端口號等參數(shù)，向數(shù)據(jù)中心發(fā)起TCP或UDP通信請求，在得到中心的響應(yīng)后，GPRSDTU即認(rèn)為與中心握手成功，然后就保持這個通信連接一直存在，如果通信連接中斷，GPRSDTU將立即重新與中心握手。由于TCP/UDP通信連接已經(jīng)建立，就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)雙向通信了。

對于GPRSDTU來說，只要建立了與數(shù)據(jù)中心的雙向通信，完成用戶串口數(shù)據(jù)與GPRS網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)換就相對簡單了。一旦接收到用戶的串口數(shù)據(jù)，GPRSDTU就立即把串口數(shù)據(jù)封裝在一個TCP/UDP包里，發(fā)送給數(shù)據(jù)中心。反之，當(dāng)GPRSDTU收到數(shù)據(jù)中心發(fā)來的TCP/UDP包時，從中取出數(shù)據(jù)內(nèi)容，立即通過串口發(fā)送給用戶設(shè)備。通訊原理如圖3所示。

圖3 通訊原理圖Fig.3 The diagram of communication fundamentals

1.4 電源模塊

考慮到橫山水庫自動氣象站的建站地點(diǎn)沒有220 V市電，故電源模塊采用蓄電池加太陽能電池板浮充的方式。蓄電池采用容量為65 Ah/12 V的蓄電池，太陽能電池板采用規(guī)格為80 W/17 V的太陽能電池板。

因橫山水庫自動氣象站采用的數(shù)據(jù)采集器及通信終端均是低功耗設(shè)備，因此按80W太陽能電池板加上65 Ah蓄電池配置，可保證設(shè)備在30天無日照的條件下正常工作。

該氣象站設(shè)該氣象站在30天無日照條件下正常工作的耗電量

由于本氣象站每5分鐘采集一次氣象數(shù)據(jù)，而只有在氣象數(shù)據(jù)監(jiān)測時，系統(tǒng)的平均電流約為1.5 A，且每次采集數(shù)據(jù)的持續(xù)時間不超過15 s，其余285 s時間的系統(tǒng)電流僅為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，

經(jīng)計算可得W耗=54.068 4 Ah*12 V

而蓄電池在30天的供電量

其中 U供=12 V，I供*T=65 Ah， 經(jīng)計算可得 W供=65 Ah*12 V，所以W供＞W(wǎng)耗，因此，該蓄電池配置，可保證設(shè)備在30天無日照的條件下正常工作。

2 軟件設(shè)計

本自動氣象站數(shù)據(jù)采集管理軟件在數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示和存儲上均采用模塊化設(shè)計，且模塊可以根據(jù)用戶需求進(jìn)行升級。

其中采集管理軟件可自動接收系統(tǒng)內(nèi)各自動氣象站發(fā)送的數(shù)據(jù)，也可以根據(jù)設(shè)置的通訊間隔定時讀取各站數(shù)據(jù)，支持采用數(shù)據(jù)庫與文本文件雙備份的方式存儲數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)還可以對中心站參數(shù)和戶外臺站參數(shù)進(jìn)行設(shè)置、對自動氣象站控制及遠(yuǎn)程狀態(tài)實(shí)時監(jiān)控。同時，還可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)補(bǔ)要、數(shù)據(jù)上傳或下發(fā)的功能，并支持操作員設(shè)置、相關(guān)資料錄入、權(quán)限管理、日志維護(hù)等其它輔助功能。

本自動氣象站的數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)主要用于實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)各種來源、不同類型的數(shù)據(jù)進(jìn)行在線實(shí)時采集。作為一個長期在線運(yùn)行的子系統(tǒng)，要求其運(yùn)行穩(wěn)定、可靠性高、處理速度快、資源占用盡可能少。南瑞集團(tuán)自主研發(fā)的ACSCOMM采集平臺是集成了多種通信信道和多種RTU協(xié)議的通用遙測數(shù)據(jù)采集、查詢分析與數(shù)據(jù)處理的平臺。本系統(tǒng)采用的ACSCOMM采集平臺具有ACCESS后臺數(shù)據(jù)庫，可獨(dú)立運(yùn)行。

3 關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1 數(shù)據(jù)采集

橫山水庫自動氣象站觀測的氣象要素種類較多，包括風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度、墑情、蒸發(fā)速度，因此涉及的傳感器種類也較多，故本氣象站采用的不同類型傳感器的接入方式也不盡相同：超聲波風(fēng)速風(fēng)向計采用數(shù)據(jù)總線方式接入；溫濕度計采用模擬量接入方式；墑情計采用模擬量方式接入；超聲波蒸發(fā)器采用模擬量方式接入。除此以外，本系統(tǒng)還支持開關(guān)量接入方式的翻斗式雨量計等類型傳感器。

本自動氣象站數(shù)據(jù)采集難點(diǎn)在于：在考慮功耗及自動氣象站可靠性的前提下，遙測終端可任意接入以上各種傳感器的組合，且具有互換性，這就要求自動氣象站應(yīng)能同時接入模擬量、開關(guān)量、總線等各種類型的信號。

對于以上難點(diǎn)，本站采用的遙測終端在設(shè)計上已充分考慮了數(shù)據(jù)種類和存儲量，兼容各種傳感器，采用模塊化設(shè)計，各種傳感器類型均有單獨(dú)定義，可做到傳感器測量相互獨(dú)立，且分別設(shè)置傳感器參數(shù)，如加報條件、預(yù)熱時間、傳感器類型等等特定參數(shù)，并將之與系統(tǒng)參數(shù)（如定時報時間、站號等）區(qū)分開來。

3.2 通信體制

自動氣象站的通信體制設(shè)計是保證系統(tǒng)實(shí)時性、可靠性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本氣象站系統(tǒng)采用的自動氣象遙測終端在通信組網(wǎng)方面支持GPRS/CDMA、以太網(wǎng)、PSTN、北斗、VHF等各種遙測通信方式，并支持各種信道組合成主備信道、同發(fā)信道的組網(wǎng)通信方式。在主備方式下，遙測終端通過主信道發(fā)送失敗的數(shù)據(jù)會通過備用信道發(fā)出，從而提高數(shù)據(jù)通信的可靠性。

本系統(tǒng)在保證GPRS通信的同時，還可以實(shí)現(xiàn)短信備份功能，從而在信道條件不佳時自動切換到短信信道發(fā)送氣象數(shù)據(jù)，在信道恢復(fù)正常時恢復(fù)使用GPRS信道發(fā)送，從而降低系統(tǒng)對GPRS信道條件的要求。

本系統(tǒng)采用的遙測終端支持等待中心平臺回執(zhí)以判斷數(shù)據(jù)可靠抵達(dá)，并可設(shè)置通信失敗重發(fā)次數(shù)，以保證氣象信息在信道條件較差的情況下仍能可靠送達(dá)中心站。與此同時，系統(tǒng)遙測終端具備自動補(bǔ)發(fā)功能。遙測終端將發(fā)信失敗的數(shù)據(jù)存儲在本地，在下次發(fā)信成功后補(bǔ)發(fā)該條數(shù)據(jù)，從而大大提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)暢通率。除此以外，遙測終端還具備多中心的功能，可以實(shí)現(xiàn)一個自動氣象站最多同時往三個中心平臺發(fā)送數(shù)據(jù)，從而可以最簡單的方式實(shí)現(xiàn)氣象數(shù)據(jù)共享。

無論采用定時、自報、加報、應(yīng)答、回執(zhí)、多中心、多信道及以上各種通信體制的組合，本自動氣象站遙測終端均可簡單通過參數(shù)配置直接實(shí)現(xiàn)，無需做生產(chǎn)性開發(fā)。

3.3 系統(tǒng)時鐘同步

由于橫山水庫自動氣象站時鐘為本地時鐘，為保證數(shù)據(jù)精確性，本自動氣象站設(shè)有完整的機(jī)制保證系統(tǒng)時鐘同步，主要表現(xiàn)在以下3個方面：

1）自動氣象站主動請求校時。由本自動氣象站每天在固定時間點(diǎn)（可任意設(shè)置），主動發(fā)起一條請求對時的指令，平臺接收到該指令后下發(fā)對時命名進(jìn)行時鐘同步；

2）平臺軟件自動或手動下發(fā)對時指令進(jìn)行時鐘同步；

3）衛(wèi)星授時。增加GPS校時模塊，即可通過GPS衛(wèi)星校時。

3.4 可靠性設(shè)計

自動氣象站作為野外觀測設(shè)備，往往會遇到鹽度大、濕度大、雷雨多發(fā)、冰凍天氣等各種惡劣條件，因此對系統(tǒng)可靠性的要求較高。本氣象站系統(tǒng)所涉及的可靠性設(shè)計涵蓋了傳感器可靠性設(shè)計、供電可靠性設(shè)計、防雷設(shè)計、抗電磁干擾設(shè)計和防腐設(shè)計等。

在傳感器可靠性設(shè)計方面，本系統(tǒng)中氣象傳感器經(jīng)過沿海地區(qū)、高山地區(qū)、高海拔地區(qū)多個工程的考驗(yàn)，其中風(fēng)速風(fēng)向計選用免維護(hù)的超聲波風(fēng)速風(fēng)向計，具有抗強(qiáng)風(fēng)、可靠性高的特點(diǎn)，避免了傳統(tǒng)的風(fēng)杯、風(fēng)標(biāo)式風(fēng)速風(fēng)向計易出故障，冰凍天氣無法工作的問題；溫濕度傳感器為高可靠產(chǎn)品，避免了一些傳感器在沿海高鹽度高濕地區(qū)容易出故障的問題。

在供電可靠性設(shè)計方面，本系統(tǒng)采用的ACS300-MM核心數(shù)據(jù)采集器具有極低的功耗，在交流電或太陽能中斷情況下能保證設(shè)備連續(xù)正常工作30天，同時系統(tǒng)具備電池電壓檢測功能，能在蓄電池欠壓情況下減少發(fā)信甚至中斷工作，從而保證蓄電池不被損壞。

在防雷和抗電磁干擾設(shè)計方面，本系統(tǒng)設(shè)備在電源和傳感器通道上都設(shè)計了相應(yīng)的避雷器和浪涌抑制器，配合現(xiàn)場可靠的接地方式，能起到很好的防雷效果。

在防腐設(shè)計方面，本自動氣象站的機(jī)箱均采用不銹鋼噴塑工藝，固定金具均采取熱鍍鋅工藝，能有效地避免沿海高鹽高濕地區(qū)的腐蝕問題。

4 結(jié)束語

本文主要介紹了橫山水庫自動氣象站的系統(tǒng)組成和軟件框架，并針對數(shù)據(jù)采集、通信體制、時鐘同步和可靠性設(shè)計的問題，著重闡述了其所采用的關(guān)鍵技術(shù)。隨著越來越多的微功耗、可實(shí)時通信并且具有高可靠性的水文氣象站順利投運(yùn)，太湖流域防洪與水資源調(diào)度系統(tǒng)建設(shè)將得到有力的支撐，同時為建設(shè)流域主要控制線監(jiān)控及重點(diǎn)水利工程自動控制系統(tǒng)，提高流域統(tǒng)一調(diào)度能力和洪水調(diào)度水平打下基礎(chǔ)。

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