基于WIFI網絡的自動化氣象設備校準系統研究

李建宇 袁 帥

（湖南省氣象技術裝備中心，湖南 長沙 410007）

自動氣象站觀測數據的準確性已經引起各級氣象部門的高度重視，按照中國氣象局要求，每年都要開展計量檢定。從2012～2017年，中國氣象局利用山洪建設等項目為全國300多個地市氣象局配備了移動校準系統，為全國各地市開展自動氣象站的現場校準和核查提供了條件。

地市級移動校準系統都是一些獨立的標準器具和設備，技術人員使用起來比較麻煩，操作上也很不規范。2015年，中國氣象局綜合觀測司下發了《區域自動氣象站現場核查方法（試行）》，為自動氣象站現場核查提供了技術指導。伴隨著氣象觀測設備自動化的成熟與普及，目前中國氣象局正提出實現裝備保障的信息化和自動化想法，如果能依據中國氣象局下發的核查方法，通過一個集成的控制系統來實現對自動氣象站現場核查標準和設備的統一管理，實現自動氣象站溫度、濕度、風向、風速、氣壓、雨量傳感器以及采集器的現場校準和核查的自動化管理，具有十分重要的意義。

1 系統技術路線

本項目主要研究地市級移動校準系統的自動控制技術，通過無線網絡，實現對地市級移動校準系統的標準設備進行控制，按照規定的業務流程實現自動氣象站的檢定和核查。通過主控電腦和分控器無線連接，自動控制各要素的校準或核查設備，實現區域自動氣象站實驗室檢定和現場核查的自動化操作，從而完成檢定和核查的自動化管理與數據交互。

地市級移動校準維修系統具備溫度、濕度、風向、風速、氣壓、雨量傳感器及采集器的校準或核查設備，各設備均具有RS232通信接口，要實現系統集成關鍵是要掌握各種標準設備和標準器的通信技術，通過控制器（RS232轉無線WIFI模塊）實現主控單元與各要素計量檢定單元之間的無線自適應組網，從而實現主控單元對各校準和核查設備的自動控制，完成各要素的自動校準和核查。

系統包括主控單元、采集器現場校準設備、溫度計量核查設備、濕度計量核查設備、雨量計量校準設備、風計量核查設備，系統之間通過控制器進行連接。各標準設備和標準器通過工作臺進行組合，使之形成一個統一的整體，方便對標準設備和標準器的管理。主控單元上的控制軟件能實時控制校準設備實現校準和核查的環境條件，如進行溫度校準（核查）時參加檢定規程或核查規范控制干體爐調節到所需要的校準溫度點，按要求讀取標準器和傳感器的溫度數據，通過自動比對來實現對溫度傳感器的校準和核查。

2 系統設計

本系統采用先進成熟無線通信技術，配備高精度、高可靠性、高穩定性的測量設備與一體化控制管理軟件，實現了自動氣象站溫度、濕度、風向、風速、氣壓、雨量傳感器的現場計量核查校準的自動化管理。各計量檢定設備通過無線通信控制器完成各要素計量檢定單元與主控單元的自適應組網，實現各要素現場計量檢定的無線控制。根據標準的計量檢定流程對各要素傳感器以及采集器進行現場核查校準，并完成結果判定，報表生成打印等操作。系統結構如圖1所示。

圖1 自動化地市級移動校準系統結構圖

2.1 系統軟件設計

主控軟件功能結構圖如圖2所示。

圖2 主控軟件功能結構圖

地市級移動校準維修系統在主控單元中配備了專業定制開發的移動計量核查校準控制系統軟件。該軟件通過模塊化的架構設計，以多線程技術手段予以實現，配以簡潔明了的用戶交互界面。操作簡便快捷，幫助現場測試人員最快速地完成計量檢定測試工作。

軟件主要功能包括：

（1）溫度計量核查：系統設定溫度核查點為-20、0、50 ℃。用戶通過開始按鈕一鍵完成三個點的核查測試。（2）濕度計量核查：系統設定溫度核查點為10%、60%、95%。用戶通過開始按鈕一鍵完成三個點的核查測試。（3）氣壓計量核查：系統設定氣壓核查點為600、800、1 050 hPa。用戶通過開始按鈕一鍵完成三個點的核查測試。（4）雨量校準：用戶設定好流量以及流速后，通過開始測試按鈕完成雨量校準測試的流程。（5）風速核查：系統設定風速核查點為2、5、10、30 m/s。用戶通過開始按鈕一鍵完成四個點的核查測試。（6）風向核查：系統設定風向核查點為0、121、239°。用戶通過開始按鈕一鍵完成三個點的核查測試。（7）啟動風速核查：用戶調整好傳感器測量角度后，通過開始測試按鈕完成啟動風速測試流程。（8）系統參數管理：系統參數管理主要包括系統技術參數配置、本地的數據參數配置、遠程服務器參數配置等內容，用戶可根據自身需求配置不同的參數，使系統滿足使用要求。（9）核查報表管理功能：用戶可根據核查類型或設備編號對核查報表進行查詢、查看、打印。

2.2 系統集控設備的設計

為了實現移動計量系統的自動控制，設計了通用型移動計量核查檢定控制器，該控制器內置無線WIFI模塊、藍牙模塊，與主控單元自組網，快速連接。通過改變撥碼開關就可以實現對不同要素控制器的設置，簡便快捷。

控制器內部包括1路RJ45接口，2路RS232接口，1路無線WIFI，1路頻率采集端口，WIFI傳輸距離在空曠狀態下最大可達280 m。WIFI天線可選擇板載或者外置。具有AP、STA、AT+STA三種模式。控制器可實現溫度、濕度、氣壓、雨量、示值風速、啟動風速、風向及采集器校準儀8個單元與主控設備組網。在使用維護方面，硬件維護只需改變撥碼開關就可以實現不同要素控制器的設置，簡便快捷；從電路角度來講，模塊化的設計使得線路板的維修和維護變得更加簡單。軟件維護用戶可以通過控制器的串口對程序進行升級。

設備通過撥碼開關選擇對應的設備，比如撥碼到“溫度”檔時，USR_TCP_232_T、U6模塊和P2端口（標準 RS232 接口）被使能。控制器通過U6加入主控器的WIFI網絡中，接收主控器發來的命令，并解析轉化成符合干體爐標準的協議通過USR_TCP232_T模塊發送給干體爐。待環境穩定以后，通過P2的標準RS232接口獲取溫度標準表的標準溫度和被測溫度，并通過WIFI網絡發送給主控器。

2.3 系統集成工作臺的設計

為了實現系統的集成，設計了集成控制工作臺，方便對地移動校準系統的設備進行安裝和操作。工作臺采用模塊化設計，整體可拼接結構，安裝搬運較為便捷；全鋼框架設計，保證設備穩定性；機架底部采用重型可調平帶輪地腳（福馬腳輪），即輪子可以便于移動，地腳起到固定穩固作用，同時可以兼顧機架調平功能。

配套有商務臺式機與19.5寸寬屏高清顯示器內嵌中間柜中；臺式機正面露出 DVD 盤倉位置以及開關、USB 接口，臺式機后部接口接到預留有接口位置，可根據需要搭配不同模塊；同時預留接口設計有220VAC電源插座。

3 先進性與創新性

該系統首次實現了對地市級移動校準設備的自動控制和集成，大大方便了技術人員對自動氣象站的校準操作。

（1）完成了對地市級移動校準系統標準設備的通信技術研究，實現了對地市級移動校準系統設備的自動控制，提高了校準的自動化水平，實現了校準流程的規范化。

（2）完成了自動校準軟件編制，校準過程不再需要人工干預，減少了人為的操作環節，數據可靠性更高。實現了與省級業務系統的數據對接，為業務應用提供了基礎。

（3）實現了室內檢定與室外檢定的有機結合。根據自動站校準的特點，設計的自動化工作臺方便室內檢定，設備又可直接拿到室外校準，方便了自動站校準工作的開展。

4 結語

通過該系統設計，實現了對地市級移動校準系統的自動控制，保證了自動氣象站核查和校準工作無須人工干預，整個過程實現了標準化、規范化操作，對于提高自動氣象站觀測數據的準確可靠，確保為自動氣象觀測在預測預報、災害預警等方面發揮更加重要的作用。