CN105932655B - 一种基于arm9的防雷电自动气象站及其操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于ARM9的防雷电自动气象站，包括：第一支架，第二支架，固定于第一支架的顶端的发电储电组件，固定于第一支架上的气象站采集器、双层电磁防护箱、传感器组件，固定于第二支架上并单独引线的避雷针，置于第一支架旁的雨量计，连接于气象站采集器的普通接地点和接地电阻，连接于发电储电组件与气象站采集器之间的防雷击保护电路。本发明提供一种基于ARM9的防雷电自动气象站及其操作方法，本气象站具有抗雷电能力，减少浪涌电压和电流对气象站采集器的损害，提高气象站在雷电天气运行的稳定性。

Description

一种基于ARM9的防雷电自动气象站及其操作方法

技术领域

一种气象站及其操作方法，特别是一种自动化气象站及其操作方法。

背景技术

自动气象站是一种能自动进行地面气象观测、存储和发送观测数据，并能根据需要将观测数据转换成气象电报和编制成气象表报的地面气象观测设备。地面气象观测是综合气象观测的重要组成部分，是我国各级气象观测站所承担的主要任务之一，自动气象站则是地面观测的重要手段，它在气象预警、防灾减灾中发挥着不可替代的作用。由于自动气象站大多工作在公路、山区、沙漠等空旷的室外环境中，而且，气象站中的风速、风向传感器又必须安装在一定的高度，所以自动气象站很容易受到雷电的危害和干扰。自动气象站采集器是气象站系统中的核心设备，所有的数据都是通过采集器的采集，然后进行数据处理、发送和存储，如果采集器遭到雷击和干扰，将影响到自动气象站的正常工作。

近年来，气象站遭到雷击或者干扰的事故时有发生，究其原因，主要有以下几个方面。首先，硬件电路中的浪涌保护措施单一，无法实现实现可靠保护，在气象站遭遇雷击时，强大的浪涌电流和电压时常直接侵入气象站采集器，造成采集器的严重损坏。其次，在气象站设施布局布线时，仅考虑到节约原材料和美观的需要，很多自动气象站风向、风速等信号线与避雷针引线在同一个金属管内并行引下，因此，尽管风向、风速信号线采用带有屏蔽层的电缆，由于其防雷的安全距离不足，其屏蔽层无法将避雷针接闪后的雷击电磁脉冲完全屏蔽掉。最后，自动气象站装置一般设有避雷针对气象站设备进行防雷保护，然而，当避雷针附近出现雷电时，附近区域的所有设备均处于雷电防护区，由于本区内的电磁场强度没有得到衰减，仍然给气象站的正常工作带来了很大干扰和影响，为防止雷电产生的脉冲电磁场从空中直接辐射进入气象站电子设备，所以还要采取更加有效的雷击电磁脉冲防护措施；现有技术还未解决这样的问题。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于ARM9的防雷电自动气象站及其操作方法，本气象站具有抗雷电能力，减少浪涌电压和电流对气象站采集器的损害，提高气象站在雷电天气运行的稳定性。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

一种基于ARM9的防雷电自动气象站，包括：第一支架，第二支架，固定于第一支架的顶端的发电储电组件，固定于第一支架上的气象站采集器、双层电磁防护箱、传感器组件，固定于第二支架上并单独引线的避雷针，置于第一支架旁的雨量计，连接于气象站采集器的普通接地点和接地电阻，连接于发电储电组件与气象站采集器之间的防雷击保护电路。

前述的一种基于ARM9的防雷电自动气象站，发电储电组件组成有：发电风机，发电太阳电池板，接收发电风机和发电太阳电池板的电力的蓄电池。

前述的一种基于ARM9的防雷电自动气象站，避雷针的高度高于发电储电组件，第一支架与第二支架之间具有安全距离，安全距离为8 m到15 m。

前述的一种基于ARM9的防雷电自动气象站，双层电磁防护箱组成有：接地的里层电磁防护箱，接地的外层电磁防护箱，设于里层电磁防护箱与外层电磁防护箱之间的绝缘层。

前述的一种基于ARM9的防雷电自动气象站，传感器组件组成有：风向传感器、风速传感器、气压传感器温、温湿度传感器；温湿度传感器上设置有防护罩。

前述的一种基于ARM9的防雷电自动气象站，防雷击保护电路组成有：连接于蓄电池的电量采集控制装置和继电器，连接于气象站采集器的限流电阻R和电源指示灯LED。

前述的一种基于ARM9的防雷电自动气象站，防雷击保护电路还组成有：作为一级浪涌保护器件的气体放电管LA151N，作为二级保保护器件的压敏电阻RV，作为三级保护器件的瞬态抑制二极管TVS。

前述的一种基于ARM9的防雷电自动气象站，防雷击保护电路还组成有：为了抑制雷击时电路电流迅速增大的电感L1和L2，起到滤波作用的电容C1和C2，当电路电流过大时断开电路的自恢复保险丝PTC。

前述的一种基于ARM9的防雷电自动气象站，还包括：连接于气象站采集器的无线定位器，无线通讯器，FLASH存储单元，复位电路，时钟。

前述的一种基于ARM9的防雷电自动气象站的操作方法， 包括如下步骤：

步骤一，打开电源，ARM9处理器进行初始化配置，包括时钟、通讯端口、定时器、ADC等初始化；

步骤二，通过GPS获取时间、海拔、经纬度数值。数据采集的最小采集周期是0.25S，数据处理是一分钟一次，数据采集部分包括每0.25S一次的风速采集、每1S一次的风向采集、每2S一次的温度、湿度、气压的采集以及每分钟一次的雨量，每采集一个数据都会将数据打包，1分钟到后将当前时间和采集的数据打包在一起，再进行下一分钟数据的采集；

步骤三，6种气象要素采集完成后，将实时时间和所采集的数据打包，然后按气象要素对数据进行分类检查；

步骤四，检查后的数据按照气象局要求计算各气象要素的瞬时值、算术平均值、极值、滑动平均值等，计算完成后对所得出的值进行数据检查，检查完成后将数据和时间重新打包；

步骤五，进行数据的存储和数据发送，ARM9处理器通过SPI方式与SD卡通信，将打包的数据存储至SD卡，并驱动GPRS模块将数据发送至服务器。

本发明的有益之处在于：本发明提供一种基于ARM9的防雷电自动气象站及其操作方法，本气象站具有抗雷电能力，通过设置防雷击保护电路，使得电路能够承受大的浪涌电流，同时还具有滤波、自恢复供电功能，实现了在有雷电干扰等特殊情况下对自动气象站采集器的可靠保护；减少浪涌电压和电流对气象站采集器的损害，提高气象站在雷电天气运行的稳定性；本发明重新设计了气象站风向、风速信号线和避雷针引线布线方式，保证了防雷的安全距离，降低了避雷针引线中雷击电磁脉冲对风向、风速信号的干扰；本发明设计出的气象站采集器双层电磁防护箱有效地降低了雷电发生时，雷电防护区内电磁场对采集器的干扰。

附图说明

图1是本发明的一种实施例的结构示意图；

图2是本发明的一种实施例的工作流程图；

图3是本发明气象要素采集原理框图；

图4是本发明防雷击保护电路的一种实施例的电路图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。

一种基于ARM9的防雷电自动气象站，包括：第一支架，第二支架，固定于第一支架的顶端的发电储电组件，固定于第一支架上的气象站采集器、双层电磁防护箱、传感器组件，固定于第二支架上并单独引线的避雷针，置于第一支架旁的雨量计，连接于气象站采集器的普通接地点和接地电阻，连接于发电储电组件与气象站采集器之间的防雷击保护电路。作为一种优选，气象站采集器为ARM9处理器，雨量计为翻斗式雨量计。传感器组件组成有：风向传感器、风速传感器、气压传感器温、温湿度传感器；温湿度传感器上设置有防护罩。温湿度传感器与A/D转换芯片相连接，A/D转换芯片与处理器相连接，其余模块均通过各种接口与ARM9处理器相连。

发电储电组件组成有：发电风机，发电太阳电池板，接收发电风机和发电太阳电池板的电力的蓄电池。

避雷针的高度高于发电储电组件，第一支架与第二支架之间具有安全距离，安全距离为8 m到15 m。双层电磁防护箱组成有：接地的里层电磁防护箱，接地的外层电磁防护箱，设于里层电磁防护箱与外层电磁防护箱之间的绝缘层。传统的气象站常常仅考虑到节约原材料和布线美观的需要，避雷针引线和传感器引线在同一个金属管内并行引下，导致防雷的安全距离不足，其屏蔽层无法将避雷针接闪后的雷击电磁脉冲完全屏蔽掉。本自动气象站避雷针单独引线，采用独立支架，避雷针高度高于气象站设施并与气象站设施水平方向保持安全距离，既可以起到保护气象站设施，又可以大大降低避雷针接闪后的雷击电磁脉冲对信号线的干扰。与此同时，当避雷针附近出现雷电时，附近区域的所有设备均处于雷电防护区，仍然给气象站的正常工作带来了很大干扰和影响，本发明设计了双层电磁防护箱对雷击电磁脉冲进行屏蔽，里层电磁防护箱和外层电磁防护箱分别接地，中间为绝缘层，当雷电产生时，变电磁场通过外层电磁防护箱表面时由于感应电动势而形成涡流，这个涡流所产生的磁场，正好与原来的磁场方向相反，从而抵消了部分原来的磁场，另外，由于电磁防护箱具有一定的电阻，其内部产生的热消耗减少了部分入射的电磁波，同样也起到了屏蔽的作用。同理，里层电磁防护箱对外层屏蔽遗留的少量电磁干扰进一步屏蔽、削弱和消耗，从而大大降低了电磁波对采集器的干扰和影响。

防雷击保护电路组成有：连接于蓄电池的电量采集控制装置和继电器，连接于气象站采集器的限流电阻R和电源指示灯LED；作为一级浪涌保护器件的气体放电管LA151N，作为二级保保护器件的压敏电阻RV，作为三级保护器件的瞬态抑制二极管TVS；为了抑制雷击时电路电流迅速增大的电感L1和L2，起到滤波作用的电容C1和C2，当电路电流过大时断开电路的自恢复保险丝PTC。保护电路共分为三级，气体放电管LA151N放在电路前端，做为一级浪涌保护器件，承受大的浪涌电流。二级保保护器件采用压敏电阻RV，当电路承受过压时，在极短时间内进行电压钳制，吸收多余的电流。三级保护器件为瞬态抑制二极管TVS，具有相当高的浪涌吸收能力。当雷电等浪涌到来时，瞬态抑制二极管TVS首先起动，会把瞬间过电压精确控制在一定的水平，如果浪涌电流大，则压敏电阻RV起动，并泄放一定的浪涌电流，两端的电压会有所提高，直至推动前级气体放电管LA151N的放电，把大电流泄放到地。电路中的电感L1和L2是为了抑制雷击时电路电流迅速的增大。电容C1和C2主要是滤波的作用，电路中若存在交流成分则会通过C1和C2泄放。自恢复保险丝PTC进一步对电路进行保护，当电路发生过载、断路等情况引起的电流过大时，自恢复保险丝发热断开，电路断路。当故障排除后，自恢复保险丝重新冷确自动恢复，电路导通。通过以上一系列措施，实现了雷电干扰等情况下对自动气象站系统的可靠保护。

自动气象站，还包括：连接于气象站采集器的无线定位器（GPS），无线通讯器（GPRS），FLASH存储单元，复位电路，时钟。

如图2所示，一种基于ARM9的防雷电自动气象站的操作方法，具体包括如下步骤：

步骤一，打开电源，ARM9处理器进行初始化配置，包括时钟、通讯端口、定时器、ADC等初始化；

步骤二，通过GPS获取时间、海拔、经纬度数值。数据采集的最小采集周期是0.25S，数据处理是一分钟一次，数据采集部分包括每0.25S一次的风速采集、每1S一次的风向采集、每2S一次的温度、湿度、气压的采集以及每分钟一次的雨量，每采集一个数据都会将数据打包，1分钟到后将当前时间和采集的数据打包在一起，再进行下一分钟数据的采集；

步骤三，6种气象要素采集完成后，将实时时间和所采集的数据打包，然后按气象要素对数据进行分类检查；

步骤四，检查后的数据按照气象局要求计算各气象要素的瞬时值、算术平均值、极值、滑动平均值等，计算完成后对所得出的值进行数据检查，检查完成后将数据和时间重新打包；

步骤五，进行数据的存储和数据发送，ARM9处理器通过SPI方式与SD卡通信，将打包的数据存储至SD卡，并驱动GPRS模块将数据发送至服务器。

本发明提供一种基于ARM9的防雷电自动气象站及其操作方法，本气象站具有抗雷电能力，通过设置防雷击保护电路，使得电路能够承受大的浪涌电流，同时还具有滤波、自恢复供电功能，实现了在有雷电干扰等特殊情况下对自动气象站采集器的可靠保护；减少浪涌电压和电流对气象站采集器的损害，提高气象站在雷电天气运行的稳定性；本发明重新设计了气象站风向、风速信号线和避雷针引线布线方式，保证了防雷的安全距离，降低了避雷针引线中雷击电磁脉冲对风向、风速信号的干扰；本发明设计出的气象站采集器双层电磁防护箱有效地降低了雷电发生时，雷电防护区内电磁场对采集器的干扰。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于ARM9的防雷电自动气象站，其特征在于，包括：第一支架，第二支架，固定于上述第一支架的顶端的发电储电组件，固定于上述第一支架上的气象站采集器、双层电磁防护箱、传感器组件，固定于上述第二支架上并单独引线的避雷针，置于上述第一支架旁的雨量计，连接于上述气象站采集器的普通接地点和接地电阻，连接于上述发电储电组件与气象站采集器之间的防雷击保护电路。

2.根据权利要求1所述的一种基于ARM9的防雷电自动气象站，其特征在于，上述发电储电组件组成有：发电风机，发电太阳电池板，接收上述发电风机和发电太阳电池板的电力的蓄电池。

3.根据权利要求1所述的一种基于ARM9的防雷电自动气象站，其特征在于，上述避雷针的高度高于发电储电组件，上述第一支架与第二支架之间具有安全距离，上述安全距离为8m到15 m。

4.根据权利要求1所述的一种基于ARM9的防雷电自动气象站，其特征在于，上述双层电磁防护箱组成有：接地的里层电磁防护箱，接地的外层电磁防护箱，设于上述里层电磁防护箱与外层电磁防护箱之间的绝缘层。

5.根据权利要求1所述的一种基于ARM9的防雷电自动气象站，其特征在于，传感器组件组成有：风向传感器、风速传感器、气压传感器温、温湿度传感器；上述温湿度传感器上设置有防护罩。

6.根据权利要求2所述的一种基于ARM9的防雷电自动气象站，其特征在于，上述防雷击保护电路组成有：连接于上述蓄电池的电量采集控制装置和继电器，连接于上述气象站采集器的限流电阻R和电源指示灯LED。

7.根据权利要求6所述的一种基于ARM9的防雷电自动气象站，其特征在于，上述防雷击保护电路的组成还有：作为一级浪涌保护器件的气体放电管LA151N，作为二级保保护器件的压敏电阻RV，作为三级保护器件的瞬态抑制二极管TVS。

8.根据权利要求7所述的一种基于ARM9的防雷电自动气象站，其特征在于，上述防雷击保护电路的组成还有：为了抑制雷击时电路电流迅速增大的电感L1和L2，起到滤波作用的电容C1和C2，当电路电流过大时断开电路的自恢复保险丝PTC。

9.根据权利要求1所述的一种基于ARM9的防雷电自动气象站，其特征在于，还包括：连接于上述气象站采集器的无线定位器，无线通讯器，FLASH存储单元，复位电路，时钟。

10.根据权利要求1所述的一种基于ARM9的防雷电自动气象站的操作方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，打开电源，ARM9处理器进行初始化配置，包括时钟、通讯端口、定时器、ADC初始化；

步骤二，通过GPS获取时间、海拔、经纬度数值；数据采集的最小采集周期是0.25S，数据处理是一分钟一次，数据采集部分包括每0.25S一次的风速采集、每1S一次的风向采集、每2S一次的温度、湿度、气压的采集以及每分钟一次的雨量，每采集一个数据都会将数据打包，1分钟到后将当前时间和采集的数据打包在一起，再进行下一分钟数据的采集；

步骤三，6种气象要素采集完成后，将实时时间和所采集的数据打包，然后按气象要素对数据进行分类检查；

步骤四，检查后的数据按照气象局要求计算各气象要素的瞬时值、算术平均值、极值、滑动平均值，计算完成后对所得出的值进行数据检查，检查完成后将数据和时间重新打包；

步骤五，进行数据的存储和数据发送，ARM9处理器通过SPI方式与SD卡通信，将打包的数据存储至SD卡，并驱动GPRS模块将数据发送至服务器。