錢(qián) 昊， 徐 興

（1.國(guó)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(cè)局無(wú)錫分局 江蘇 無(wú)錫 214031）

橫山水庫(kù)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(duì)災(zāi)害性天氣的監(jiān)測(cè)和防災(zāi)減災(zāi)能力，為灌溉和下游防洪提供及時(shí)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和決策依據(jù)[3]，迫切需要開(kāi)展先進(jìn)可靠、功能強(qiáng)大、精度高、長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的氣象監(jiān)測(cè)站對(duì)橫山水庫(kù)的氣候系統(tǒng)進(jìn)行長(zhǎng)期連續(xù)的觀測(cè)。目前，自動(dòng)氣象站越來(lái)越多的應(yīng)用到氣象部門(mén)，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(dòng)采集、無(wú)線傳輸?shù)淖詣?dòng)氣象站。近年來(lái)，隨著GPRS無(wú)線通信技術(shù)的快速發(fā)展[4-5]，使氣象數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸變成了可能。同時(shí)，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(dòng)了自動(dòng)氣象站的發(fā)展。

本文詳細(xì)介紹了橫山水庫(kù)自動(dòng)氣象站設(shè)計(jì)方案，闡述了數(shù)據(jù)采集、通信、時(shí)鐘同步及可靠性設(shè)計(jì)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(wú)線裝置，可實(shí)現(xiàn)全天候24小時(shí)不間斷監(jiān)測(cè)，并將環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、風(fēng)向、風(fēng)速等氣象要素?cái)?shù)據(jù)及時(shí)傳至氣象業(yè)務(wù)綜合處理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)與傳輸同步進(jìn)行，從而有效的提高了橫山水庫(kù)防范和應(yīng)對(duì)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(jì)，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(gè)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(lèi)氣象傳感器組成，不同的傳感器可測(cè)量到不同的氣象要素?cái)?shù)據(jù)。傳感器在完成氣象要素測(cè)量后，按照模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)的區(qū)別，分別將傳感器信號(hào)通過(guò)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和統(tǒng)計(jì)計(jì)算，并利用通訊模塊，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)采集平臺(tái)，而電源模塊則是為氣象站正常工作提供動(dòng)力。

1.1 傳感器模塊

本自動(dòng)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(lèi)傳感器分別對(duì)風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度、墑情、蒸發(fā)6個(gè)氣象要素進(jìn)行測(cè)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(cè)水庫(kù)的降水和蒸發(fā)是水文部門(mén)監(jiān)視水庫(kù)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(cè)的重要指標(biāo)。因此，本自動(dòng)氣象站在設(shè)計(jì)過(guò)程中，結(jié)合橫山水庫(kù)自身特點(diǎn)，從風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度、墑情、蒸發(fā)6個(gè)方面對(duì)橫山水庫(kù)的氣象系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

1.2 數(shù)據(jù)采集模塊

傳感器模塊完成6種氣象要素測(cè)量后，按照模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)的區(qū)別，分別將傳感器信號(hào)通過(guò)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(dòng)氣象站的關(guān)鍵設(shè)備，自動(dòng)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(mǎn)足工業(yè)級(jí)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(gè)RS-232接口可同時(shí)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(mǎn)足用戶(hù)對(duì)微功耗數(shù)據(jù)采集器遠(yuǎn)程通信能力的需求。同時(shí)，ACS300-MM增強(qiáng)了對(duì)設(shè)備操作安全性和“防愚”的設(shè)計(jì)：采用堅(jiān)固的獨(dú)立封裝，防止野外操作時(shí)不慎損壞設(shè)備；系統(tǒng)的防愚設(shè)計(jì)保證在用戶(hù)誤操作的情況下對(duì)設(shè)備不會(huì)造成永久性損壞，使沒(méi)有ACS300-MM使用經(jīng)驗(yàn)（或合適培訓(xùn)）的用戶(hù)在搭建系統(tǒng)時(shí)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(jì)計(jì)算等工作后，需要驅(qū)動(dòng)通訊模塊，才能將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)采集平臺(tái)。在本自動(dòng)氣象站，選用GPRSDTU進(jìn)行通訊。在軟件設(shè)計(jì)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(jì)上，可看作是嵌入式PC加無(wú)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(gè)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(dòng)心跳，保持永久在線；4）支持參數(shù)配置，永久保存。

GPRSDTU通過(guò)數(shù)據(jù)中心的IP地址（如果是采用中心域名的話(huà)，先通過(guò)中心域名解析出中心IP地址）以及端口號(hào)等參數(shù)，向數(shù)據(jù)中心發(fā)起TCP或UDP通信請(qǐng)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(gè)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(duì)于GPRSDTU來(lái)說(shuō)，只要建立了與數(shù)據(jù)中心的雙向通信，完成用戶(hù)串口數(shù)據(jù)與GPRS網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)換就相對(duì)簡(jiǎn)單了。一旦接收到用戶(hù)的串口數(shù)據(jù)，GPRSDTU就立即把串口數(shù)據(jù)封裝在一個(gè)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(lái)的TCP/UDP包時(shí)，從中取出數(shù)據(jù)內(nèi)容，立即通過(guò)串口發(fā)送給用戶(hù)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(kù)自動(dòng)氣象站的建站地點(diǎn)沒(méi)有220 V市電，故電源模塊采用蓄電池加太陽(yáng)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(yáng)能電池板采用規(guī)格為80 W/17 V的太陽(yáng)能電池板。

因橫山水庫(kù)自動(dòng)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(yáng)能電池板加上65 Ah蓄電池配置，可保證設(shè)備在30天無(wú)日照的條件下正常工作。

該氣象站設(shè)該氣象站在30天無(wú)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(cè)時(shí)，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(shí)間不超過(guò)15 s，其余285 s時(shí)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(jì)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(jì)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(wú)日照的條件下正常工作。

2 軟件設(shè)計(jì)

本自動(dòng)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(chǔ)上均采用模塊化設(shè)計(jì)，且模塊可以根據(jù)用戶(hù)需求進(jìn)行升級(jí)。

其中采集管理軟件可自動(dòng)接收系統(tǒng)內(nèi)各自動(dòng)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(shí)讀取各站數(shù)據(jù)，支持采用數(shù)據(jù)庫(kù)與文本文件雙備份的方式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)還可以對(duì)中心站參數(shù)和戶(hù)外臺(tái)站參數(shù)進(jìn)行設(shè)置、對(duì)自動(dòng)氣象站控制及遠(yuǎn)程狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控。同時(shí)，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(dòng)氣象站的數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)主要用于實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)各種來(lái)源、不同類(lèi)型的數(shù)據(jù)進(jìn)行在線實(shí)時(shí)采集。作為一個(gè)長(zhǎng)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(tái)是集成了多種通信信道和多種RTU協(xié)議的通用遙測(cè)數(shù)據(jù)采集、查詢(xún)分析與數(shù)據(jù)處理的平臺(tái)。本系統(tǒng)采用的ACSCOMM采集平臺(tái)具有ACCESS后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，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(kù)自動(dòng)氣象站觀測(cè)的氣象要素種類(lèi)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(lèi)也較多，故本氣象站采用的不同類(lèi)型傳感器的接入方式也不盡相同：超聲波風(fēng)速風(fēng)向計(jì)采用數(shù)據(jù)總線方式接入；溫濕度計(jì)采用模擬量接入方式；墑情計(jì)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(kāi)關(guān)量接入方式的翻斗式雨量計(jì)等類(lèi)型傳感器。

本自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)采集難點(diǎn)在于：在考慮功耗及自動(dòng)氣象站可靠性的前提下，遙測(cè)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(dòng)氣象站應(yīng)能同時(shí)接入模擬量、開(kāi)關(guān)量、總線等各種類(lèi)型的信號(hào)。

對(duì)于以上難點(diǎn)，本站采用的遙測(cè)終端在設(shè)計(jì)上已充分考慮了數(shù)據(jù)種類(lèi)和存儲(chǔ)量，兼容各種傳感器，采用模塊化設(shè)計(jì)，各種傳感器類(lèi)型均有單獨(dú)定義，可做到傳感器測(cè)量相互獨(dú)立，且分別設(shè)置傳感器參數(shù)，如加報(bào)條件、預(yù)熱時(shí)間、傳感器類(lèi)型等等特定參數(shù)，并將之與系統(tǒng)參數(shù)（如定時(shí)報(bào)時(shí)間、站號(hào)等）區(qū)分開(kāi)來(lái)。

3.2 通信體制

自動(dòng)氣象站的通信體制設(shè)計(jì)是保證系統(tǒng)實(shí)時(shí)性、可靠性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本氣象站系統(tǒng)采用的自動(dòng)氣象遙測(cè)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(cè)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(cè)終端通過(guò)主信道發(fā)送失敗的數(shù)據(jù)會(huì)通過(guò)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(shí)，還可以實(shí)現(xiàn)短信備份功能，從而在信道條件不佳時(shí)自動(dòng)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(shí)恢復(fù)使用GPRS信道發(fā)送，從而降低系統(tǒng)對(duì)GPRS信道條件的要求。

本系統(tǒng)采用的遙測(cè)終端支持等待中心平臺(tái)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(shí)，系統(tǒng)遙測(cè)終端具備自動(dòng)補(bǔ)發(fā)功能。遙測(cè)終端將發(fā)信失敗的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(cè)終端還具備多中心的功能，可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)自動(dòng)氣象站最多同時(shí)往三個(gè)中心平臺(tái)發(fā)送數(shù)據(jù)，從而可以最簡(jiǎn)單的方式實(shí)現(xiàn)氣象數(shù)據(jù)共享。

無(wú)論采用定時(shí)、自報(bào)、加報(bào)、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(dòng)氣象站遙測(cè)終端均可簡(jiǎn)單通過(guò)參數(shù)配置直接實(shí)現(xiàn)，無(wú)需做生產(chǎn)性開(kāi)發(fā)。

3.3 系統(tǒng)時(shí)鐘同步

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

1）自動(dòng)氣象站主動(dòng)請(qǐng)求校時(shí)。由本自動(dòng)氣象站每天在固定時(shí)間點(diǎn)（可任意設(shè)置），主動(dòng)發(fā)起一條請(qǐng)求對(duì)時(shí)的指令，平臺(tái)接收到該指令后下發(fā)對(duì)時(shí)命名進(jìn)行時(shí)鐘同步；

2）平臺(tái)軟件自動(dòng)或手動(dòng)下發(fā)對(duì)時(shí)指令進(jìn)行時(shí)鐘同步；

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

3.4 可靠性設(shè)計(jì)

自動(dòng)氣象站作為野外觀測(cè)設(shè)備，往往會(huì)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(duì)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(jì)涵蓋了傳感器可靠性設(shè)計(jì)、供電可靠性設(shè)計(jì)、防雷設(shè)計(jì)、抗電磁干擾設(shè)計(jì)和防腐設(shè)計(jì)等。

在傳感器可靠性設(shè)計(jì)方面，本系統(tǒng)中氣象傳感器經(jīng)過(guò)沿海地區(qū)、高山地區(qū)、高海拔地區(qū)多個(gè)工程的考驗(yàn)，其中風(fēng)速風(fēng)向計(jì)選用免維護(hù)的超聲波風(fēng)速風(fēng)向計(jì)，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(jì)易出故障，冰凍天氣無(wú)法工作的問(wèn)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(wèn)題。

在供電可靠性設(shè)計(jì)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(yáng)能中斷情況下能保證設(shè)備連續(xù)正常工作30天，同時(shí)系統(tǒng)具備電池電壓檢測(cè)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(jì)方面，本系統(tǒng)設(shè)備在電源和傳感器通道上都設(shè)計(jì)了相應(yīng)的避雷器和浪涌抑制器，配合現(xiàn)場(chǎng)可靠的接地方式，能起到很好的防雷效果。

在防腐設(shè)計(jì)方面，本自動(dòng)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(wèn)題。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文主要介紹了橫山水庫(kù)自動(dòng)氣象站的系統(tǒng)組成和軟件框架，并針對(duì)數(shù)據(jù)采集、通信體制、時(shí)鐘同步和可靠性設(shè)計(jì)的問(wèn)題，著重闡述了其所采用的關(guān)鍵技術(shù)。隨著越來(lái)越多的微功耗、可實(shí)時(shí)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(shí)為建設(shè)流域主要控制線監(jiān)控及重點(diǎn)水利工程自動(dòng)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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