CN102253427A

CN102253427A - 一种无人值守小型自动气象站

Info

Publication number: CN102253427A
Application number: CN2011101007004A
Authority: CN
Inventors: 李升�; 姚骑均; 杨戟
Original assignee: Purple Mountain Observatory of CAS
Current assignee: Purple Mountain Observatory of CAS
Priority date: 2011-04-21
Filing date: 2011-04-21
Publication date: 2011-11-23

Abstract

一种无人值守小型自动气象站，由主处理模块及与之连接的其它模块构成，其它模块包括：传感器模块、时钟模块、数据存储模块、系统参数存储模块、无线收发模块和太阳能电源管理模块；主处理模块用来进行数据的处理及控制各个模块之间的通讯；传感器模块用来将物理气象信号转换为标准的电信号；所述的传感器模块由气压传感器、温度传感器、湿度传感器和风速传感器组成；所述时钟模块是由记录时间信息的实时时钟RTC构成；数据存储模块用来保存采集到的气象信息；所述系统参数存储模块用来保存系统的工作状态参数；无线收发模块由无线收发器和天线组成；所述太阳能电源管理模块用来为整个系统提供电能。

Description

一种无人值守小型自动气象站

技术领域

本发明涉及一种气象站，具体涉及一种用于前期亚毫米波段天文选址的无人值守小型自动气象站。

背景技术

天文选址是在建设天文台站之前对不同地区天文观测条件做评估的一个过程，目的是为建造特定波段望远镜找到合适的观测台址，而评估一个台址好坏的重要指标就是要看该台址在观测波段的大气不透明度。

在亚毫米波波段，大气对信号的吸收非常显著，影响亚毫米波大气不透明度的参量主要有大气压、环境温度以及大气垂直水汽含量（PWV）。大气压主要由测量地点的海拔高度决定，环境温度与测量地点的海拔高度、经纬度以及周围地理环境有关，大气垂直水汽含量与天顶方向的大气不透明度有着直接关系。通常情况下，我们可以根据测量地点的大气压、环境温度和相对湿度求出其地表附近的水汽密度，从而根据经验公式近似的得到测量地点的大气垂直水汽含量。然而好的亚毫米波天文观测台址，一般都处在高海拔（3000米以上）的无人区域，这些地方的共同特点是交通很不便利，没有电力供应，没有有线通讯网络，移动信号也无法覆盖，一般气象传感器在极端条件下精度很差甚至无法工作（目标地区冬日极限温度可至零下三四十度），这样，现有的各种自动气象站在这些条件艰苦的高原地区就无法发挥其功效。

用于天文选址的自动气象站除了能在一般地区能够使用以外，更重要的是克服各种不利条件，在高原等极端环境下长时间稳定工作，这样它必须具备以下新的特点：1.脱离有线及移动通讯方式，采用新的无线通讯方式实现远程采集及控制；2.使用太阳能电源等不依赖于市电网络的电源，断电不丢数据，并且能够自动重启采集程序。3.可在超低温度下工作的宽范围、高精度的气象传感器。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于前期亚毫米波段天文选址的无人值守小型自动气象站，它除了具备一般气象站的基本功能在线采集即实时采集传输气象数据外，还可以实现离线采集即脱机自动采集及存储气象数据，遭遇断电时不丢失数据及工作状态，待复电后能自动重启并恢复到断电前的工作状态。该技术方案能够满足在极端条件地区实现气象数据长时间稳定的自动采集的技术要求，而不受低温、无电力供应、交通条件差、无通讯网络覆盖等众多不利因素的影响，从而完成亚毫米波段天文选址的前期评估工作。

完成上述发明任务的技术方案是：一种无人值守小型自动气象站，由以单片机系统为核心的主处理模块以及与主处理模块连接的其它模块构成，其特征在于，所述其它模块包括：传感器模块、时钟模块、数据存储模块、系统参数存储模块、无线收发模块和太阳能电源管理模块；所述主处理模块、时钟模块、数据存储模块和系统参数存储模块设置在主处理板上；

所述主处理模块用来进行数据的处理及控制各个模块之间的通讯；

所述传感器模块用来将物理气象信号转换为标准的电信号；所述的传感器模块由气压传感器、温度传感器、湿度传感器和风速传感器组成；

所述时钟模块是由记录时间信息的实时时钟（RTC，Real Time Clock）构成；

所述数据存储模块由掉电非易失的FLASH存储器构成，用来保存采集到的气象信息；

所述系统参数存储模块由静态随机存取存储器（SRAM，Static Random Access Memory）构成，用来保存系统的工作状态参数；

所述无线收发模块由无线收发器和天线组成，用来实现自动气象站和控制机之间的数据远程无线传输；

所述太阳能电源管理模块由太阳能电池板、蓄电池和电源控制器组成，用来为整个系统提供电能。

作为本发明的进一步改进，所述气压传感器的安装结构是：气压传感器焊接在主处理板上，将主处理板设在控制盒内，在控制盒的下方开有小孔，保证控制盒内外大气压强一致。

作为本发明的进一步改进，所述主处理模块执行下列步骤：在气象站待机状态下，接收到控制机发来的指令，根据预先的指令定义对其进行判断，根据判断结果做出以下相应反应：设置工作参数、提取存储器中的气象数据、进行在线采集气象数据或进行离线采集气象数据。所述设置工作参数包括设置RTC时间信息、读取气象传感器参数以及设置离线采集工作参数等。所述提取存储器中的气象数据包括了读取存储器中已存储数据的深度、设置控制机要提取的数据深度、发出提取数据指令、初始化存储器地址指针及擦除存储器数据等。

所述在线采集气象数据包括：接收到控制机发送来的在线采集数据指令后，进行气压、温度、湿度和风速气象数据采集以及时间信息采集，并将采集数据发送给控制机接收。这是常规自动气象站所能实现的基本功能。

所述离线采集气象数据包括：接收到控制机发送来的离线采集工作参数后，独立地进行气压、温度、湿度和风速气象数据采集以及时间信息采集，并将采集数据存储于主处理板上的存储单元中，当收到控制机远程发来的请求数据指令后，将存储单元中已存储的气象数据通过无线收发器发送给控制机接收。离线采集时主处理模块按照SRAM中记录的离线采集时间间隔控制各传感器进行气象数据的采集，此时可以脱离控制机自动工作，直到接收到控制机的停止离线采集指令后进入待机状态。

如遇连续阴雨天气情况出现，太阳能电源系统无法正常充电，当蓄电池中的电能消耗完后会导致系统断电关闭，自动气象站在断电后数据不丢失，并且在天气转好太阳能电源系统恢复正常供电后，系统自动复位并按照断电前的配置参数继续工作。配置信息记录在SRAM中，SRAM有备用电路支持不会因断电而丢失数据。

作为本发明的进一步改进，所述主处理模块通电后执行下列步骤：先进行一些基本参数的初始化，再读取SRAM中记录的自动气象站最近一次断电前的工作状态参数；如果根据自动气象站最近一次断电前的工作状态参数，判断出前一次断电时自动气象站处于离线采集气象数据状态，且是由于非正常原因导致系统断电的，则自动气象站读取前一次工作时的配置参数恢复工作状态，继续进行离线采集气象数据；如判断自动气象站为首次通电或正常待机状态下断电，则自动气象站进入待机状态下，等待控制机发出指令。

由于本发明所涉及的自动气象站要在无人值守的偏远地区工作，所以它要有一个功能就是可以脱离控制机控制，自动采集并存储大量的气象数据，在收到控制机的提取数据指令后能够将之前采集的气象数据通过无线方式传送给控制机。由于使用太阳能供电，如遇连续阴雨天气则可能导致断电情况，在天气转好系统恢复供电后气象站能自动恢复到断电前的状态继续工作。除此之外，本发明还应该具备一般气象站的基本功能，即实时的采集气象数据并通过无线方式向控制机传送该组数据。

附图说明

图1是本发明的系统结构图；

图2是本发明实现两种不同工作方式的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、所采用的技术方案以及创新点更加清晰，以下结合附图进行更加详细的解释。应当说明，下面的内容主要是以实例的方式对本发明进行解释，并不是所有内容都仅限于本发明。

实施例1

如图1所示，一种无人值守小型自动气象站，由以单片机系统为核心的主处理模块以及与主处理模块连接的其它模块构成，其它模块包括：传感器模块、时钟模块、数据存储模块、系统参数存储模块、无线收发模块和太阳能电源管理模块；主处理模块、时钟模块、数据存储模块和系统参数存储模块设置在主处理板上；

主处理模块用来进行数据的处理及控制各个模块之间的通讯；

传感器模块用来将物理气象信号转换为标准的电信号；所述的传感器模块由气压传感器、温度传感器、湿度传感器和风速传感器组成；

时钟模块是由记录时间信息的实时时钟（RTC，Real Time Clock）构成；实时时钟选用带有开放静态随机存取存储器（SRAM，Static Random Access Memory）的RTC；

数据存储模块由掉电非易失的FLASH存储器构成，用来保存采集到的气象信息；

系统参数存储模块由静态随机存取存储器SRAM构成，用来保存系统的工作状态参数；

无线收发模块由无线收发器和天线组成，用来实现自动气象站和控制机之间的数据远程无线传输；

太阳能电源管理模块由太阳能电池板、蓄电池和电源控制器组成，用来为整个系统提供电能。

除此之外，自动气象站的主处理板上还包含电源电路、必要的晶振，电平转换电路及备用电池等。主处理板为一块电路板，其上主要包括了主处理模块、时钟模块、数据存储模块和系统参数存储模块的相关器件。

为了使自动气象站符合中华人民共和国气象行业标准中的《地面气象观测规范》的要求，我们需要将温度传感器、湿度传感器以及风速传感器固定在自动气象站的固定高度处，由于该规范中对气压传感器的安装位置没有特殊要求，为了使系统集成度更高，我们可以将它直接焊接在主处理板上，并将主处理板固定于密封的金属盒内，同时在金属盒底部开一小孔，保证金属盒内外大气压强一致，同时可以防风防雨。

由于RTC的时间数据实时的保存在其内部的SRAM中，为了简化电路，选择有开放SRAM的RTC器件，这样气象站状态及配置参数亦可以保存在其空闲的开放SRAM中。因为RTC正常工作需要有持续的电源供电，如断电时间数据会出现错乱并且开放SRAM中的系统参数数据也会丢失，而这些数据都是气象站正常工作所不可或缺的，因此必须对RTC加保护电路，即在RTC的专用管脚连接有小容量镍氢蓄电池，保证断电时各数据保持正常。与此同时，可以利用二极管的正向压降特性，在镍氢蓄电池和主处理板的电源电路之间串联二极管及小电阻，实现简单的充电电路，这样镍氢蓄电池在太阳能电源系统正常工作时会被持续充电至饱和，从而保证镍氢蓄电池电量不会耗尽，系统时间信息和工作状态不会因为断电而发生错乱。

主处理模块实现在线采集气象数据（工作方式一）和离线采集气象数据（工作方式二）两种工作方式的流程图如图2所示。

在线采集气象数据（工作方式一）包括：气象站工作在待机状态下，接收到控制机发送来的采集数据指令后，进行气压、温度、湿度和风速气象数据采集以及时间信息采集，并将采集数据发送给控制机接收。这是常规自动气象站所能实现的基本功能。

离线采集气象数据（工作方式二）包括：气象站工作在待机状态下，根据控制机设置的离线采集工作参数，独立地进行气压、温度、湿度和风速气象数据采集以及时间信息采集，并将采集数据存储于主处理板上的存储单元FLASH中，当收到控制机远程发来的请求数据指令后，将FLASH中已存储的气象数据通过无线收发器发送给控制机接收。

自动气象站通电后，先进行一些基本参数的初始化，再读取SRAM中记录的自动气象站最近一次断电前的工作状态参数；如果根据自动气象站最近一次断电前的工作状态参数，判断出前一次断电时自动气象站处于离线采集气象数据状态，且是由于非正常原因导致系统断电的，则自动气象站读取前一次工作时的配置参数恢复工作状态，继续进行离线采集气象数据；如判断自动气象站为首次通电或正常待机状态下断电，则自动气象站进入待机状态下，等待控制机发出指令。

若自动气象站在待机状态接收到控制机发来的指令，则根据预先的指令定义对其进行判断，然后做出不同的相应，如设置工作参数、提取存储器中的气象数据、按工作方式一在线采集一组气象数据及进入工作方式二的离线采集等。设置工作参数包括设置RTC时间信息、读取气象传感器参数以及设置离线采集工作参数等；提取存储器中的气象数据包括了读取存储器中已存储数据的深度、设置控制机要提取的数据深度、发出提取数据指令、初始化存储器地址指针及擦除存储器数据等。

当自动气象站收到控制机指令按工作方式一在线采集一次数据时，它会采集一组数据并返回给控制机，并再次进入待机状态。当自动气象站收到控制机指令按工作方式二开始离线采集时，其按照SRAM中记录的离线采集间隔开始气象数据的采集，此时可以脱离控制机自动工作，直到接收到控制机的停止离线采集指令后进入待机状态。自动气象站的一些工作参数都实时地记录在SRAM中，其中存储器中已存储数据的深度参数是根据实际工作情况自动变化，而采样间隔等其它参数的修改，是根据控制机发出的指令而进行的。

自动气象站指令的字长及具体含义，返回值的字长及具体含义，一组完整气象数据的字长及具体含义都可根据实际情况定义，这里简要给出在一个具体实例中的定义。控制机对自动气象站发出的控制指令都是以三个字节的定义的，其中第一个字节定义为要控制的自动气象站编号，二、三字节为指令实际内容。而自动气象站在接收到控制指令后，会有一个响应返回给气象站，这个返回值为十六字节，有的只是单纯的响应，告诉控制机已收到其指令并做出相应动作，有的包含了数据信息。一组完整的气象数据包含了温度、湿度、气压、风速以及时间信息，该具体实现中定义为十六个字节，前十五字节为数据信息，第十六字节为校验特征字，校验字的设置是为了防止无线收发过程中出现的数据错误。

对于本发明所提出的离线采集方式，可根据实际的采样频率及离线工作时长需求，选用不同存储深度的FLASH存储器。在完成一段时间的离线采集工作后，控制机提取数据时，可以选择全部提取或设定深度的数据读取。可以增加校验和特征字，自动气象站在发送数据的过程中进行校验和的计算，最终将校验和发送给控制机，控制机将其和收到数据的校验和做比较，以判断提取数据过程中是否有错误发生，如发生错误可要求自动气象站重新发送。

Claims

1.一种无人值守小型自动气象站，由以单片机系统为核心的主处理模块以及与主处理模块连接的其它模块构成，其特征在于，所述其它模块包括：传感器模块、时钟模块、数据存储模块、系统参数存储模块、无线收发模块和太阳能电源管理模块；主处理模块、时钟模块、数据存储模块和系统参数存储模块设置在主处理板上；

所述时钟模块是由记录时间信息的实时时钟RTC构成；

所述系统参数存储模块由静态随机存取存储器SRAM构成，用来保存系统的工作状态参数；

2.根据权利要求1所述的无人值守小型自动气象站，其特征在于，气压传感器焊接在主处理板上，将主处理板设在控制盒内，在控制盒的下方开有小孔。

3.根据权利要求1所述的无人值守小型自动气象站，其特征在于，所述主处理模块执行下列步骤：气象站在待机状态接收到控制机发来的指令，根据预先的指令定义对其进行判断，根据判断结果做出以下相应反应：设置工作参数、提取存储器中的气象数据、进行在线采集气象数据或进行离线采集气象数据。

4.根据权利要求3所述的无人值守小型自动气象站，其特征在于，所述离线采集气象数据包括：接收到控制机发送来的离线采集工作参数后，独立地进行气压、温度、湿度和风速气象数据采集以及时间信息采集，并将采集数据存储于主处理板上的存储单元中，当收到控制机远程发来的请求数据后，将存储单元中已存储的气象数据通过无线收发器发送给控制机接收。

5.根据权利要求3所述的无人值守小型自动气象站，其特征在于，所述在线采集气象数据包括：接收到控制机发送来的在线采集数据指令后，进行气压、温度、湿度和风速气象数据采集以及时间信息采集，并将采集数据通过无线收发器发送给控制机接收。

6.根据权利要求3所述的无人值守小型自动气象站，其特征在于，所述设置工作参数包括设置RTC时间信息、读取气象传感器参数以及设置离线采集工作参数。

7.根据权利要求3所述的无人值守小型自动气象站，其特征在于，所述提取存储器中的气象数据包括读取存储器中已存储数据的深度、设置控制机要提取的数据深度、发出提取数据指令、初始化存储器地址指针及擦除存储器数据。

8.根据权利要求3所述的无人值守小型自动气象站，其特征在于，所述主处理模块通电后执行下列步骤：先进行一些基本参数的初始化，再读取SRAM中记录的自动气象站最近一次断电前的工作状态参数；如果根据自动气象站最近一次断电前的工作状态参数，判断出前一次断电时自动气象站处于离线采集气象数据状态，且是由于非正常原因导致系统断电的，则自动气象站读取前一次工作时的配置参数恢复工作状态，继续进行离线采集气象数据；如判断自动气象站为首次通电或正常待机状态下断电，则自动气象站进入待机状态下，等待控制机发出指令。

9.根据权利要求3所述的无人值守小型自动气象站，其特征在于，所述时钟模块采用有开放SRAM的RTC器件，在RTC的专用管脚连接有小容量镍氢蓄电池。

10.根据权利要求4所述的无人值守小型自动气象站，其特征在于，所述主处理模块按照SRAM中记录的离线采集时间间隔控制所述传感器进行气象数据的采集。