中小尺度自动气象站用户手册解读

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1、ZQZ-A 系列 中小尺度自动气象站 用户手册 江苏省无线电科学研究所有限公司 2006 年 10 月 前前 言言 本手册主要介绍了本公司 ZQZ-A 系列中小尺度自动气象站的组成和一般工作原理、安装、 日常维护和维修等相关的工程技术内容，重点更集中于安装、维护和维修等三个方面，以方 便用户更好地选型和使用好各种自动气象站，让您的每一台自动气象站能健康地工作！ 中心站硬件建设方案、中心站软件的操作和维护指南用户可自行到我公司网站上下载最 新版本,网址见第五章。 本手册谨作使用说明参考，如有疑问，欢迎与我公司联系咨询。 目目 录录 第一章 概述.1 第二章 ZQZ-A 系列中小尺度自动气象站产品

2、介绍 .2 2.1 产品分类 .2 2.1.1 自动雨量站 .2 2.1.2 自动温雨站.2 2.1.3 自动测风站.2 2.1.4 多要素自动气象站.2 2.2 产品的组成和工作原理 .3 2.2.1 数据采集器.4 2.2.2 传感器.5 2.2.2.1 雨量传感器.5 2.2.2.2 温度传感器.5 2.2.2.3 风向传感器.5 2.2.2.4 风速传感器.6 2.2.2.5 湿度传感器.6 2.2.2.6 气压传感器.7 2.2.3 电源.7 2.2.3.1 交流供电方式.7 2.2.3.2 太阳能供电方式.7 2.2.4 通信模块.8 2.3 主要功能和技术性能 .8 2.3.1

3、主要功能.8 2.3.1.1 数据采集.8 2.3.1.2 数据处理.8 2.3.1.3 数据存贮.8 2.3.1.4 数据传输.8 2.3.2 主要技术性能.8 2.3.2.1 测量性能.8 2.3.2.2 采集器时钟精度.9 2.3.2.3 电源电压.9 2.3.2.4 功耗.9 2.3.2.5 数据存贮容量.9 2.3.3 环境条件.9 第三章 安装.10 3.1 选址指南 10 3.1.1 关于场地10 3.1.2 关于通信10 3.1.3 关于设备安全10 3.1.4 关于电源10 3.1.5 关于防雷11 3.2 基础施工 11 3.3 安装准备工作 11 3.3.1 设备成套性检

4、查11 3.3.2 中心站建设11 3.3.3 通信模块配置12 3.3.4 使用自制风杆或风塔的注意事项12 3.3.5 现场调试工具的配备12 3.4 现场安装过程 12 3.4.1 部件安装12 3.4.1.1 雨量传感器的安装12 3.4.1.2 立柱和采集器的安装13 3.4.1.3 风传感器的安装13 3.4.1.4 太阳能电池的安装13 3.4.1.5 防辐射罩和温（湿）度传感器的安装14 3.4.1.6 通信模块的安装15 3.4.1.7 蓄电池的安装16 3.4.2 现场接线和复查16 3.4.2.1 交流电源接线16 3.4.2.2 太阳能输出电源线接入17 3.4.2.3

5、 传感器信号线的输入17 3.4.2.4 接线检查17 3.4.3 开机试运行17 3.4.4 现场确认和离开前检查18 第四章 维护和维修指南19 4.1 维护指南 19 4.1.1 周期性维护19 4.1.2 传感器标定19 4.1.3 其它事项19 4.2 维修指南 20 4.2.1 中心站远程监控20 4.2.2 现场维修20 4.2.3 疑难问题20 4.2.3.1 通信问题20 4.2.3.2 电源问题22 第五章 技术支持23 附录 基础施工图24 附图 1 多要素中尺度自动站观测场布局示意图（一）.24 附图 2 多要素中尺度自动站观测场布局示意图（二）.24 附图 3 自动温

6、雨站/单雨量站观测场布局示意图25 附图 4 观测场穿线管示意图.25 附图 5 风杆基座混凝土浇铸示意图.26 附图 6 风杆拉索基座混凝土浇铸示意图.26 附图 7 雨量筒基座混凝土浇铸示意图.27 1 第一章第一章 概述概述 根据中国气象局业务技术体制改革的有关精神，中小尺度自动气象站及其组网系统是我 国新一代综合观测系统“三站四网”中的重要组成部分。作为“三站”中的区域天气观测站 应该实现高时效全自动化观测和运行，以提供区域性的天气和气候观测资料、服务性观测资 料，同时最大限度地兼顾对中小尺度天气系统的实时监测。 区域天气观测站在空间和时间密度分布上达到规定的要求组成了区域天气观测网。

7、区域 天气观测网在地方更多的以地面中小尺度灾害性天气监测系统的形式出现，图 1 是其组成拓 扑图。系统由四部分组成：各种自动气象站组成的监测子系统、通信子系统、中心站（包括 采集软件、数据库和业务应用软件等） 、信息发布子系统。 系统中的自动气象站以单要素自动站（单雨量站） 、二要素站（温雨站、测风站） 、四要 素站（温度、雨量、风向、风速）为主，同时也可兼容一些其它要素如相对湿度、气压、紫 外线、能见度等组成多要素站，也可以包括移动式自动站。 目前系统组网所用的通信技术主要采用无线 GPRS/CDMA 1X 技术，在没有无线 GPRS/CDMA 1X 网络的地方可以采用卫星 DCP 平台，在

8、少数站点，也可以采用或兼容有线通 信方式，如 RS232/RS485、CAN、PSTN 等。 中心站主要负责数据的采集、数据质量检查、自动站状态监控管理、数据库管理、业务 应用产品的生成等。 信息发布平台主要通过 GSM（SMS 短信）/GPRS/CDMA 1X 无线网络和 Internet 发布各种 预警信息和监控管理信息。 图 1 地面中小尺度自动气象站组网系统拓扑图 2 第二章第二章 ZQZ-AZQZ-A 系列中小尺度自动气象站产品介绍系列中小尺度自动气象站产品介绍 ZQZ-A 系列中小尺度自动气象站是一款真正适用于野外无人值守环境、全天候、全自动 化运行的中小尺度自动气象站。它具有以下

9、特点： 全自动、野外工作，工作环境温度-4050 微功耗，采集器功耗仅 0.4W 支持交流供电，更适合太阳能供电 支持多种通信方式。无线有 GSM（SMS）/GPRS/CDMA 1X，卫星 DCP；各种有线通信 方式 大容量数据存储 模块化设计，易于安装和维护 2.1 产品分类 ZQZ-A 系列自动气象站产品可以根据观测要素的多少分为下列多种规格： 2.1.1 自动雨量站 自动雨量站专用于雨量单要素观测，现已经中国气象局考核通过并颁发使用许可证，型 号按中国气象局精神统一为“DSD6 型” 。 其实物效果图见图 2(a)，主要技术性能见 2.3 节。 2.1.2 自动温雨站 自动温雨站专用于测

10、量气温和雨量二个要素。 其实物效果图见图 2(b)，主要技术性能见 2.3 节。 2.1.3 自动测风站 自动测风站专用于测量风向、风速二个要素，选用我公司 ZQZ-TFH 型测风传感器后，可 以组成海岛测风站。 其实物效果图见图 2(c)，主要技术性能见 2.3 节。 2.1.4 多要素自动气象站 ZQZ-A 自动气象站是一款典型的中尺度多要素自动气象站，最多的应用是配置雨量、气 温、风向和风速四个要素，也可以根据用户需求添加湿度、气压等其它要素。 其实物效果图见图 2(d)，主要技术性能见 2.3 节。 3 2.2 产品的组成和工作原理 ZQZ-A 系列中小尺度自动站有数据采集器、传感器、

11、通信模块、电源和安装结构件等组 成，组成原理见图 3。 图 3 ZQZ-A 系列中小尺度自动站组成原理图 雨量传感器 温度传感器 湿度传感器 风向、风速传感器 气压传感器 数据采集器 （ZQZ-A 主控器） 电 源 通信模块 图 2 ZQZ-A 系列自动站气象站实物效果图 （太阳能） a. 单雨量站实物效果图 b. 自动温雨站实物效果图 c. 自动测风站实物效果图 d. 多要素自动站实物效果图 4 2.2.1 数据采集器 数据采集器是自动站的核心，其主要功能是数据采集、数据处理、数据存储和数据传输。 本系列自动站采用 ZQZ-A 主控器作为数据采集器，这是一款微功耗设计、高度集成化、模块 化的

12、微型单片机嵌入式系统，具有体积小、集成度高、微功耗、可靠性高等优点。 ZQZ-A 主控器采用 ARM 系列单片机，组成原理见图 4，实物图见图 5。 图 4 ZQZ-A 型主控器组成原理图 由图可见 ZQZ-A 主控器与外界的接口只有三种：一是直流电源输入部分，输入电压范围： 直流输入接口 气压信号接线端 雨量信号接线端 风向风速信号 接线端 温湿度信号 接线端 RS232 串口 运行指示灯 无线通信模块 连接扁线 接地点 图 5 ZQZ-A 主控器实物图（以六要素为例） 防 雷 接 口 信号调理 A/D 信号调理数字量传感器 （如雨量、风） 模拟量传感器 （如温度） CPU 实时时钟 看门狗

13、 DC/DC 数据 存储器 通信模块 直流电源输入 5 10.5V18V；二是传感器信号输入部分，三是与通信模块的接口，实际上是一个标准的 RS232 串行通信口。 2.2.2 传感器 2.2.2.1 雨量传感器 雨量传感器一般采用双翻斗雨量计，输出为脉冲信号，计量翻斗翻一下，输出一个脉冲， 代表 0.1mm 雨量。 雨量传感器工作原理如下： 雨量传感器的核心部件是上下排列的三个翻斗，从上而下 分别称为上翻斗、计量翻斗、计数翻斗。计量翻斗翻转一次， 表示下了 0.1mm 的雨。为了计量正确,上有上翻斗作为过渡,以 保证无论大雨小雨,计量翻斗受到相同的冲击力。下有计数翻 斗,装有计数用的磁钢,计

14、量翻斗翻转一次,计数翻斗也翻转一 次,并使安装在固定支架上的干簧管通断一次,输出一个脉冲。 雨量传感器和采集器之间用 2 芯屏蔽信号电缆连接。 雨量传感器的详细情况请阅读雨量传感器的使用说明书！ 2.2.2.2 温度传感器 温度传感器采用 Pt100 铂电阻,0时电阻值为 100,其它温度点电阻值近似为 R=100+0.39t,式中 t 为温度值。例:10时电阻值为 103.9 左右,-10时电阻值为 96.1 左右。为提高温度测量精度,温度传感器一般采用四线制接法,见图 7(b)。 温度传感器安装在防辐射罩（百叶箱）内使用。 2.2.2.3 风向传感器 风向传感器的信号发生装置由格雷码盘、发

15、光管、光敏管等组成。风标通过转轴带动格 雷码盘转动，码盘是一个圆形金属薄片，上面有七个不同等分的同心圆，同心圆由内到外分 别作 2、4、8、16、32、64、128 等分，每个相邻等分不是被挖空就是未被挖空，或者说不 是透光就是不透光。对应每个同心圆的上下面有一组发光管和光敏管，共 7 组。风标转动时， 由于同心圆的透光或不透光，7 个光敏管上接受到或接受不到光，7 根信号线上或是“1”或 是“0” ，这就完成了风向到格雷码的转换。 图 7 温度传感器 a. 温度传感器实物图b. 温度传感器接线图(四线制） 图 6 雨量传感器 6 每组格雷码有 7 位，代表一个风向。由于外圈是 128 等分，

16、故风向分辨力为 360 /1282.8。 2.2.2.4 风速传感器 风速传感器的感应元件为三杯式风杯组件，信号变换电路为霍尔集成电路。在水平风力 的驱动下，风杯组旋转，通过轴带动磁棒盘旋转，其上的数十只小磁体形成若干个旋转的磁 场，在霍尔磁敏元件中感应出脉冲信号，其频率随风速的增大而线性增加。测出频率就可以 计算出风速，一般为线性关系。 风传感器详细情况请阅读风传感器使用说明书！ 2.2.2.5 湿度传感器 湿度传感器一般采用芬兰 Vaisala 公司的 HMP45D 温湿传感器。HMP45D 温湿传感器可同 时测量温度和相对湿度，其中测温元件为 Pt100 铂电阻（四线制接法） ，测湿元件为高分子 湿敏电容。 湿度传感器工作原理如下： 高分子湿敏电容的电容 CH随高分子膜的吸、放湿而变化，CH是 RC 振荡电路中的重要参 数。测出 RC 振荡电路的频率即可计算出 CH值，从而计算出大气相对湿度值。进行温度补偿 和其他计算处理后，相对湿度值将更为精确。 湿度传感器输入电源电压为+12V，输出信号电压为 01V（对应 0100%R