DZZ5型生態氣象自動觀測站使用與維護

馬召偉

(呼和浩特市氣象局，內蒙古 呼和浩特 010000)

內蒙古地區于2021年上半年建成了全區首批共13個DZZ5型生態氣象自動觀測站。該觀測站觀測要素包括：溫度、相對濕度、氣壓、風向、風速、雨量、紅外溫度、土壤水分、光合有效、總輻射、土壤溫度、土壤濕度、作物圖像。觀測資料的收集可有效助力內蒙古自治區生態文明建設。

該生態氣象自動觀測站包括主采集器和分采集器、常規6要素傳感器、紅外溫度傳感器、3層地溫傳感器、3層土壤水分傳感器、光合有效傳感器、總輻射傳感器、圖像采集器、高清攝像機、供電系統、數據傳輸系統等。

1 觀測站組成

觀測站由供電系統、采集系統、傳感器系統、通信系統及上位機軟件構成。

供電系統：將太陽能轉換成+12 V DC作為主電源，配以蓄電池作為后備電源，為觀測站供電。

采集系統：采集要觀測的氣象要素值并對采樣數據進行控制運算、數據計算處理、數據質量控制等。

通信系統：與終端微機或遠程數據中心進行數據交互。

1.1 供電系統

站點供電采用太陽能供電。由太陽能板、太陽能控制器和蓄電池3部分組成。

太陽能板，用于提供日間充電功能，保證系統白天的供電及給電池充電使用。太陽能控制器，提供系統所需12 V直流供電電壓并為電池提供13 V直流充電及電池充電保護和采集器供電保護功能。蓄電池，夜間為系統供電，并在太陽能板沒有輸出時為系統提供續航所需電能。

太陽能板輸出：12 V～20 V直流電壓；功率：80 W/12 V；電流：3 A～4 A。

太陽能控制器是專為野外環境工作、無人值守的自動站而設計，可為傳感器及自動氣象站系統供電。它通過太陽能電池輸入，以+12 V直流電源形式輸出，具有抗干擾、防雷擊等功能。該電源工作時，對12 V鉛酸電池控制充電，使其充電控制在10.8 V～13.8 V之間，能不間斷地向負載供電。

蓄電池輸出：12 V直流100 A·h，負責在沒有日照或太陽能板沒有輸出時為整套系統提供供電。

1.2 采集器系統

采集系統由HY1300采集器、HY1306采集器和HY900采集器組成。

HY1300數據采集器作為整站數據的收集及處理單元，可以完成對10 m的風速、風向、空氣溫度、相對濕度、降水(0.1 mm的翻斗式雨量)、氣壓、輻射等氣象要素的觀測數據采集，并對所有類型和途徑采集到的氣象數據進行質量控制、打包等數據處理，最終將數據處理完成的數據包進行上傳。

HY1300數據采集器采用嵌入式系統，以高性能CPU為核心處理器，嵌入操作系統，配置相關的外圍組件，構成單板電腦系統，是整個系統的核心控制單元。承擔系統時序流程控制、接收各分采集器的測量數據，對測量數據進行各種計算、存儲、傳輸處理。

HY1306數據采集器采集自動站地溫數據。負責接入傳感器對應氣象要素的測量，在工作狀態對掛接的傳感器按預定的采樣頻率進行掃描，收到主采集器發送的同步信號后，將獲得的采樣數據通過總線發送給主采集器。與主采集器之間的數據通信采用的是CAN通信方式，執行CANopen協議。CAN總線(Controller Area Network 控制器局域網絡)帶有硬件控制器可以避免競爭沖突，可以實現多主方式[1]。

HY900 圖像采集器具備對局域網內FTP客戶端文件的收集功能，并進行存儲、轉發到遠程廣域網的FTP服務器上。

1.3 傳感器系統

傳感器系統由常規6要素傳感器、紅外溫度傳感器、3層地溫傳感器、3層土壤水分傳感器、光合有效傳感器、總輻射傳感器組成。常規6要素傳感器、地溫傳感器和土壤水分傳感器與常規氣象自動站相同，下面重點介紹一下其特有的傳感器。

溫度傳感器采用HY-T型溫度傳感器，用于空氣溫度觀測。熱敏元件為鉑電阻傳感器PT100，感應部件位于傳感器頂端，傳感器安裝于百葉箱內。鉑電阻的阻值范圍：80 Ω～120 Ω。精度：0.05 ℃。鉑電阻為100 Ω時，溫度為0 ℃，溫度每升高1 ℃，電阻增大0.385 Ω[2]。

濕度傳感器使用HYHMP-155溫濕度傳感器。測濕元件是聚合物薄膜電容傳感器HUMICAP180。濕度傳感器位于探頭的頂端，由一個燒結的聚四氟乙烯過濾器保護。傳感器安裝于百葉箱內。測量范圍：0% RH～100% RH。分辨力：1% RH。最大允許誤差：±3% RH(≤80%)±5% RH(>80%)。工作電壓：12 V DC。輸出電壓為0～1 V,對應濕度為0～100%[2]。

風傳感器采用EL15-1C風速傳感器和EL15-2C風向傳感器，用于10 m風觀測。風速傳感器采用軸式風杯，通過磁碼盤或光碼盤轉換方式。電源電壓：5 V DC。輸出信號類型：頻率。校準方程為：V=0.2315+0.0495 f。風向傳感器采用軸式風向標，通過光碼盤轉換方式。電源電壓：5 V DC。輸出信號類型：7位數字量(格雷碼)如：239度為1111111；0度為0000000[2]。

氣壓傳感器選用HYPTB210智能傳感器，用于測量大氣壓力。傳感器感應元件采用硅電容壓力傳感器。

翻斗雨量傳感器用于降水觀測。傳感器采用翻斗計數轉換方式。輸出信號類型：通斷信號(兩根信號線)。承雨口內徑尺寸：?200 mm。承雨口刃口銳角：40°～45°。傳感器感量：0.1 mm/斗。雨強：0～10 mm/min。分辨率：0.1 mm。精度：±0.4 mm(≤10mm時)，±4%(>10 mm時)。

輻射傳感器用于總輻射和光合有效輻射觀測。傳感器采用電熱堆轉換方式。信號輸出方式：10 μV～50 μV差分信號。感應面涂有高吸收無光黑色涂層，吸收輻射能，產生的熱量通過熱電阻，使溫度變化并轉化為電壓信號。

光合有效輻射傳感器，利用硅光探測器測定光譜范圍在400 nm～700 nm的光合有效輻射，該頻段光譜有利于植物進行光合作用。

紅外溫度傳感器是利用輻射熱效應，使探測器件接收輻射能后引起溫度升高，進而使傳感器中電壓隨溫度的性能發生變化。檢測其中電壓的變化，便可探測出溫度值。即地面溫度傳感器。

2 維護檢測

2.1 供電系統檢測

當發現自動站沒有供電時可從以下4個檢查：①檢查太陽能板輸出電壓；②檢查電池電壓；③檢查太陽能控制器運行情況；④檢查供電開關及保險。

2.1.1 太陽能板、電池、太陽能控制器的檢測。太陽能板在沒有接到控制器上時，輸出直流20 V電壓，電池在沒有接入控制器時輸出為直流12 V電壓，太陽能控制器在接了太陽能板及電池時，輸出為直流13.8 V電壓。

2.1.2 太陽能控制器檢測。太陽能控制器上有4個燈，最左側一個燈應為綠色常亮，右側3個連續的燈如果出現紅燈為故障，黃燈為饋電，綠燈是充電及飽和。具體含義見表1。

表1 太陽能控制器指示燈含義

2.2 采集器的檢測

采集器的檢測主要是通過串口發送命令的方式與采集器交互數據，通過對數據的分析獲取采集器的工作狀態。

常用命令：GETMINDATA!獲取分鐘數據

GETHOURDATA! 獲取整點數據

GETDEBUG10! 獲取秒數據

GETTIME! 獲取時間

SETTIME20171026133800! 設置采集器時鐘(到秒)14位數據位

2.2.1 HY1300采集器命令集

GETMINDATA! 獲取分鐘數據

GETMINDATA201710181016201710181017! 獲取分鐘歷史數據 (精確到分)

GETHOURDATA! 獲取小時數據

GETHOURDATA20171018092017101810! 獲取歷史小時數據(精確到時)

GETTIME! 獲取時鐘

TIME20171012111006 返回信息

SETTIME20171012111000! 設置時鐘(精確到秒)

TIME20171012111000 返回信息

LAT加回車 獲取緯度

//.//.//

LAT空格32.01.01加回車 設置緯度

T

LONG加回車 獲取經度

//.//.// 返回信息

LONG 123.01.01加回車 設置經度

T 返回信息

ALTP加回車 獲取氣壓表海拔高度

0.0 返回信息

ALTP 190 設置氣壓表高度

T 返回信息

OPENCHANNEL0! 開啟RS232串口監控 0：DEBUG口 1：RS232-1 2:RS232-2 3:RS232-3 4:CAN

UART1 Channel Open! 返回信息

CLOSECHANNEL! 關閉RS232串口監控

All Channel Close! 返回信息

2.2.2 HY900圖像采集器常用命令

①用于數據傳輸中心站設置：

例：SETCOMM00 222.74.231.206 10005 CMNETT!

回復：

SETCOMM00OK！

②用于FTP設置：

例：SETFTPPARA 222.74.231.206 10001 js1959 js1959radio/!

回復：

SETFTPPARAOK!

③區站號修改：

例：SETDEVICEID 99999NN!

設置成功返回：

SETDEVICEIDOK!

2.3 日常維護

①定期清理雨量傳感器，避免堵塞影響傳感器采集數據。②清洗溫濕度通風罩，保障溫濕度反應靈敏。③適當清潔輻射傳感器與光合有效傳感器，確保輻射能夠正常采集。④清理太陽能板，避免雜物或灰塵遮擋嚴重導致供電不足。

3 小結

文章重點介紹了生態氣象自動觀測站各部分的詳細構成，并對站點運行過程中常見故障進行了總結，對站點的穩定運行有一定的指導意義。