Vaisala MAWS201 型便攜式自動(dòng)氣象站的研究與使用

蘇小浩

（民航河南空管分局氣象臺(tái)，河南 鄭州 450000）

民航氣象對(duì)于氣象數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性有較高的要求，氣象設(shè)備管理人員必須為用戶提供穩(wěn)定可靠的氣象數(shù)據(jù)。當(dāng)室外氣象自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)和備份氣象探測(cè)設(shè)備故障時(shí)，便攜式自動(dòng)氣象站能夠?yàn)闅庀笥^測(cè)人員觀測(cè)天氣和編發(fā)氣象報(bào)文提供數(shù)據(jù)參考。本研究以Vaisala 公司的MAWS201 型便攜式自動(dòng)氣象站為研究對(duì)象，對(duì)其設(shè)計(jì)特點(diǎn)、傳感器結(jié)構(gòu)原理和數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行分析，結(jié)合工作實(shí)際總結(jié)了使用方法，對(duì)于氣象設(shè)備人員了解自動(dòng)氣象站工作原理和提高應(yīng)急保障能力具有重要意義。

1 自動(dòng)氣象站的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)民用航空氣象地面觀測(cè)規(guī)范的要求，便攜式自動(dòng)氣象站主要實(shí)現(xiàn)氣象六要素的測(cè)量，即風(fēng)向、風(fēng)速、溫度、濕度、氣壓和雨量[1]。MAWS201 型便攜式自動(dòng)站除了常規(guī)氣象六要素的觀測(cè)外，還可通過(guò)選配傳感器組件，測(cè)量例如多級(jí)土壤溫度、土壤水分、太陽(yáng)總輻射、水位等氣象要素。限于工作環(huán)境對(duì)氣象要素的需求，本研究只對(duì)該自動(dòng)站的基本套件進(jìn)行研究。

數(shù)據(jù)采集器是自動(dòng)氣象站的核心部件[2]，它由CPU、接口電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路、時(shí)鐘電路、控制電路等組成[3]。數(shù)據(jù)采集器采集氣象傳感器的電信號(hào)和頻率信號(hào)后，通過(guò)公式運(yùn)算、計(jì)數(shù)、線性處理等，將信號(hào)轉(zhuǎn)化為觀測(cè)的氣象要素值，再通過(guò)通信接口與外部計(jì)算機(jī)連接，輸出觀測(cè)數(shù)據(jù)，圖1 為便攜式自動(dòng)氣象站的結(jié)構(gòu)框圖。

圖1 便攜式自動(dòng)氣象站結(jié)構(gòu)框圖

1.2 便攜性設(shè)計(jì)

MAWS201 型便攜式自動(dòng)站采用三腳架式結(jié)構(gòu)[4]，由基本傳感器、數(shù)據(jù)采集處理模塊、電源模塊及電纜組成，如圖2 所示。在折疊打包狀態(tài)下，只需一個(gè)防水尼龍背包和一個(gè)套件工具箱即可容納，非常適合搬運(yùn)和戶外使用。

圖2 MAWS201 型便攜式自動(dòng)站

與常規(guī)自動(dòng)氣象站最大的不同在于，將數(shù)據(jù)采集與處理模塊和通信模塊集成到三腳架中間的立柱中，電源模塊安裝到其中一個(gè)支架底部，減少了大量體積。支架、風(fēng)桿和橫臂采用耐腐蝕的陽(yáng)極鋁材質(zhì)，具有堅(jiān)固防水的特點(diǎn)，能夠適應(yīng)室外復(fù)雜天氣環(huán)境，其余部件由不銹鋼制成，可耐受風(fēng)化侵蝕。雨量筒和溫濕度計(jì)防輻射罩外殼為塑料材質(zhì)，尺寸較小，重量輕，能夠很好抵抗紫外輻射和霜降侵蝕。數(shù)據(jù)采集器的功耗在連接五個(gè)傳感器的情況下小于10 mA/12 V，采用間隔時(shí)間采集的方式最大限度減少能耗，保證戶外長(zhǎng)時(shí)間使用。

1.3 易架設(shè)性設(shè)計(jì)

整個(gè)自動(dòng)站重約為15 kg，可由一人單獨(dú)架設(shè)完成。三腳架采用可伸縮結(jié)構(gòu)，便于折疊和升降，風(fēng)桿與橫臂通過(guò)固定螺釘與主支撐架連接。每種傳感器均通過(guò)防水快拆的航空插頭與主支撐架上的接口連接，為了保證傳感器的插頭與采集器的插孔對(duì)應(yīng)上，在每個(gè)插孔的下方均有英文標(biāo)識(shí)要測(cè)量的氣象要素，同時(shí)采用不同的針腳和針孔來(lái)區(qū)分，整個(gè)架設(shè)過(guò)程無(wú)需任何工具。為了最大限度節(jié)省架設(shè)時(shí)間，防輻射罩和太陽(yáng)能板已預(yù)先安裝到位。

1.4 通信方式設(shè)計(jì)

為了滿足不同環(huán)境的使用要求，MAWS201 型便攜式自動(dòng)氣象站支持無(wú)線和有線2 種通信方式。有線方式支持RS232、RS485 串行通信和網(wǎng)絡(luò)通信，無(wú)線方式支持GPRS/GSM 通信方式，還可通過(guò)可選配件實(shí)現(xiàn)UHF 等無(wú)線通信方式。

2 各傳感器及組件

2.1 風(fēng)向/風(fēng)速傳感器

測(cè)量風(fēng)向和風(fēng)速的傳感器為WMS302，是一種能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量風(fēng)向和風(fēng)速的機(jī)械風(fēng)組件[5]，測(cè)風(fēng)向的原理是一個(gè)紅外發(fā)光二極管一個(gè)光敏三極管分別安裝在風(fēng)向標(biāo)軸上編碼盤碼軌的兩端，風(fēng)向標(biāo)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生格雷碼脈沖，根據(jù)編碼規(guī)則得出風(fēng)向數(shù)據(jù)。風(fēng)速測(cè)量的原理是利用風(fēng)杯轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，鋸齒形圓盤不斷遮擋發(fā)光二極管發(fā)出的光線，使光敏三極管輸出高低交替的信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)過(guò)處理后得到風(fēng)速值。其性能指標(biāo)見表1。

表1 WMS302 性能指標(biāo)

2.2 溫濕度傳感器

HMP155 是一種能夠測(cè)量溫度和相對(duì)濕度的探頭，該探頭由測(cè)量溫度的電阻性鉑傳感器PT100 和電容性高分子薄膜傳感器構(gòu)成[6]，傳感器都位于該探頭的頂端，由一個(gè)燒結(jié)的聚四氟乙烯過(guò)濾器保護(hù)，可以應(yīng)用于降水、灰塵及臟污的環(huán)境中。在濕度接近飽和的情況下，受霧、雨等的影響，測(cè)量濕度的探頭有可能會(huì)被打濕，為了避免探頭被打濕后測(cè)量誤差較大的情況，Vaisala 公司為探頭設(shè)計(jì)加熱功能，通過(guò)對(duì)探頭頭部持續(xù)加熱，使傳感器的濕度低于外界環(huán)境的濕度，提高測(cè)量的精確度。HMP155 提供有緣輸出和無(wú)源輸出兩種方式，相對(duì)濕度輸出均為電壓輸出，但溫度輸出分為為有源輸出或無(wú)源阻抗輸出，支持RS485 通信方式。其性能指標(biāo)見表2，其中溫度為電壓輸出形式。

表2 HMP155 性能指標(biāo)

2.3 降水傳感器

降水傳感器的型號(hào)為QMR101-D，外殼為塑料材質(zhì)，尺寸較小，重量輕。能夠很好抵抗紫外輻射和霜降侵蝕。QMR101 安裝在便攜式自動(dòng)站支架的橫梁上，并配有自帶連接器的線纜。其內(nèi)部包含一個(gè)0.2 mm容量的自動(dòng)翻斗，雨水收集進(jìn)翻斗的上半部分，當(dāng)收集的雨水達(dá)到預(yù)定的水量時(shí)，受重力影響，翻斗將傾斜排出收集的水，并使排水翻斗下方的另外一半翻斗復(fù)位，準(zhǔn)備下次加注，如此反復(fù)，每一次翻斗反轉(zhuǎn)都使干簧開關(guān)通斷一次，將降雨量轉(zhuǎn)換為以開關(guān)量形式表示的數(shù)字信息量輸出。降水傳感器測(cè)量的精度為±2%，測(cè)量敏感度為0.2 mm。

2.4 大氣壓力傳感器

大氣壓力傳感器的型號(hào)為BARO-QML，其內(nèi)部采用硅電容壓力傳感器BAROCAP進(jìn)行大氣壓力的測(cè)量，具有良好的穩(wěn)定性。當(dāng)大氣壓強(qiáng)發(fā)生變化時(shí)，傳感器里面真空膜盒的彈性單晶硅膜片產(chǎn)生形變，引起真空墨盒內(nèi)真空間隙距離的減少或增加。真空間隙的兩個(gè)相對(duì)平面起到電極的作用，當(dāng)兩側(cè)電極間距發(fā)生變化時(shí)，傳感器電容就會(huì)發(fā)生變化，利用電容變化與氣壓變化的對(duì)應(yīng)關(guān)系，得出氣壓的數(shù)值，性能指標(biāo)見表3。

表3 氣壓傳感器性能指標(biāo)

2.5 電源模塊

該型便攜式自動(dòng)氣象站具備太陽(yáng)能供電和電源供電兩種供電模式，主電源模塊為QMP201C，可輸入85～264 VAC，配備了一塊12 W 的太陽(yáng)能板和7Ah的備用鋰電池。在主電源模塊上，有一個(gè)小窗口指示電源狀態(tài)，上方的綠色指示燈常亮，表示備用電池正在充電；中間的指示燈綠色表示備用電池電量正常，橙色表示備用電池電量低，紅色表示無(wú)直流輸出。

3 數(shù)據(jù)采集與處理

QML201 是Vaisala 公司生產(chǎn)的一款低功耗，易擴(kuò)展，具備多種通信接口的數(shù)據(jù)采集器[7]，目前，國(guó)內(nèi)大多數(shù)民用機(jī)場(chǎng)的外場(chǎng)自動(dòng)氣象觀測(cè)設(shè)備都在使用該型數(shù)據(jù)采集器，該數(shù)采器包含一個(gè)用于數(shù)據(jù)處理的32 位摩托羅拉CPU 處理器和10 個(gè)模擬/數(shù)字輸入接口（CH0-CH7，CHA，CHB），每個(gè)輸入端都有一個(gè)壓敏電阻（VDR），對(duì)電路進(jìn)行過(guò)電壓保護(hù)[8]。 此外，QMLQ201 還有兩個(gè)頻率傳感器接口、24 位A/D 轉(zhuǎn)換器、3.3 MB 的閃存用于存儲(chǔ)需要進(jìn)行計(jì)算和處理的數(shù)據(jù)，最大支持2GB 的CF 卡擴(kuò)展內(nèi)存。其內(nèi)部的激勵(lì)電源可以對(duì)傳感器和內(nèi)部備用電池進(jìn)行充電，能夠適應(yīng)高濕度環(huán)境，支持RS232 和RS485 數(shù)據(jù)通信方式。在使用數(shù)據(jù)采集器之前，需要使用配套的Lizard Setup Software 軟件對(duì)數(shù)據(jù)采集器的配置文件進(jìn)行修改[9]，根據(jù)不同傳感器類型和輸出信號(hào)的不同，自定義id 號(hào)、通道號(hào)、數(shù)據(jù)發(fā)送周期和計(jì)算方法等。鄭州機(jī)場(chǎng)氣象自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)中使用的QML201 各傳感器接入設(shè)置如圖3 所示，其中，由于風(fēng)速和雨量輸出的為脈沖信號(hào)，所以風(fēng)速風(fēng)向和雨量接入帶有頻率端子的CHA、CHB 接口。QML201 內(nèi)置有氣壓測(cè)量的專用接口，也可以通過(guò)選裝MOD1 和MOD2 的通訊模塊接入氣壓的電壓與頻率信號(hào)。

圖3 QML201 接口示意圖

4 使用方法

4.1 架設(shè)環(huán)境選擇

在使用便攜式自動(dòng)氣象站進(jìn)行保障時(shí)，需要將其整體放置于氣象觀測(cè)平臺(tái)。根據(jù)《民用航空氣象探測(cè)設(shè)施及探測(cè)環(huán)境管理辦法》規(guī)定，氣象觀測(cè)平臺(tái)應(yīng)當(dāng)緊鄰觀測(cè)值班室設(shè)立，觀測(cè)平臺(tái)與機(jī)場(chǎng)標(biāo)高的高度差應(yīng)當(dāng)小于20 m。在觀測(cè)平臺(tái)上觀測(cè)員應(yīng)當(dāng)能夠目視至少一條跑道及其航空器最后進(jìn)近區(qū)域。

4.2 安裝使用步驟

（1）安裝并固定應(yīng)急自動(dòng)氣象站支架至平臺(tái)合適位置，使安裝太陽(yáng)能電池板的支架腳朝向南方，便于為內(nèi)置電池充電。

（2）將風(fēng)傳感器的數(shù)據(jù)線纜從風(fēng)桿頂部穿入，安裝風(fēng)傳感器到風(fēng)桿的頂部，擰緊固定卡環(huán)，注意安裝位置朝北，將數(shù)據(jù)線纜從風(fēng)桿下方的側(cè)孔穿出，接至支架的Wind 接口，風(fēng)桿固定在支架中間的插槽中；將溫濕度計(jì)從橫臂上的輻射防護(hù)罩下方插入固定，線纜接至支架的溫濕度雨量相應(yīng)接口；將降水傳感器固定在橫臂上，確保降水傳感器處于水平位置，降水傳感器的線纜插入支架的Precipitation 接口；數(shù)采器的供電插頭插入固定在支架的VDC Input 接口。

（3）電源線插頭插入市電插座，打開安裝有串行端口交互軟件的筆記本電腦，使用串口線連接至應(yīng)急自動(dòng)站，如果筆記本電腦未配備串行接口，需要一個(gè)USB 接口轉(zhuǎn)串口的轉(zhuǎn)接頭。

（4）打開串行端口交互系統(tǒng)。若以超級(jí)終端軟件為例，則通信參數(shù)設(shè)置為9600，8，N，1，運(yùn)行系統(tǒng)，超級(jí)終端上可自動(dòng)接收數(shù)據(jù)。

如需查看全部數(shù)據(jù)，輸入命令“total”就可以查看所有數(shù)據(jù)（風(fēng)向、風(fēng)速、溫度、濕度、氣壓、雨量），如圖4 所示。使用超級(jí)終端的文字捕獲功能可以留存數(shù)據(jù)及操作記錄。在total 命令下，各氣象要素傳感器的狀態(tài)STATUS 為0 時(shí)表示工作正常，為1 時(shí)表示存在故障，此時(shí)應(yīng)該及時(shí)檢查，判斷故障類型。

圖4 自動(dòng)站數(shù)據(jù)顯示

為了數(shù)據(jù)輸出的準(zhǔn)確性，風(fēng)傳感器通常每半年檢定一次，其他傳感器每年檢定一次。將該型自動(dòng)氣象站放置于鄭州機(jī)場(chǎng)跑道某端的觀測(cè)場(chǎng)中，由于便攜式自動(dòng)站的風(fēng)桿最高為3 m，而跑道端的風(fēng)桿為10 m，不具有可比性，這里不對(duì)比風(fēng)數(shù)據(jù)，將其采集到的2021年12月23日19 : 39 時(shí)刻的溫度、濕度、氣壓和1 h 雨量數(shù)據(jù)與該端的常規(guī)自動(dòng)氣象站MAWS301進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比，結(jié)果見表4。根據(jù)便攜式自動(dòng)氣象站行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和地面觀測(cè)規(guī)范的要求，可以看出，二者各項(xiàng)誤差均在最大允許誤差范圍內(nèi)，符合氣象業(yè)務(wù)觀測(cè)要求。如果出現(xiàn)較大誤差，需要對(duì)傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)與更換。

表4 氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

5 結(jié)束語(yǔ)

便攜式自動(dòng)氣象站作為室外自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)的重要備份，在應(yīng)急情況下能夠?yàn)闅庀笕藛T提供觀測(cè)數(shù)據(jù)，還可用于戶外科考和突發(fā)公共事件時(shí)的氣象保障。對(duì)Vaisala MAWS201 型進(jìn)行的研究尚有不足之處，下一步，將研究如何把便攜式自動(dòng)氣象站的通信方式以無(wú)線傳輸方式接入現(xiàn)有的自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)，進(jìn)一步提高應(yīng)急保障效率。