CN201611393U - 地面气象遥测仪状态数据采集模块 - Google Patents
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Abstract
一种地面气象遥测仪状态数据采集模块，其特征是它主要由地面气象遥测仪的数据采集器和串行口/网络口数据通信协议转换器组成，串行口/网络口数据通信协议转换器的第一串行端口R1连接地面气象遥测仪的数据采集器的数据发送端，串行口/网络口数据通信协议转换器的第二串行端口R2连接地面气象遥测仪的数据采集器的数据接收端，地面气象遥测仪的数据采集器的地线连接串行口/网络口数据通信协议转换器的地线接口，串行口/网络口数据通信协议转换器的网络端口通过RJ-45端口连接观探测终端。本实用新型的地面气象遥测仪状态数据采集模块针对地面气象遥测仪接口结构简单，直接与地面气象遥测仪通过RS-232接口连接，对于其状态数据进行提取采集，易于实现。
Description
技术领域
本实用新型涉及气象装备监控管理领域，尤其是一种地面气象遥测仪状态数据采集模块。
背景技术
观探测设备是诸多气象要素的源头，可实时采集大气、海洋等常规与非常规资料，是获取气象观探测资料的核心，也是整个气象信息系统正常工作的基础。
美国等发达国家建设有观测内容齐全、密度适宜、布局合理、自动化程度高的气象综合观测体系，建有完善的国家基本地面天气站网、中小尺度天气监测站网、城市天气监测站网、高速公路监测网及气象资料空白区(沙漠、高原、深山、海洋、滩涂等)的无人自动气象站网，在实现气象要素数据的快速传递和交换的同时，整个系统的管理涉及到系统中的所有软硬件模块，有些已经达到传感器级，观探测系统的网络建设将数据传输与系统管理并重，极大地提高了系统的使用效率和可用性。
国际上最主要的气象观测系统是于1992年建立的全球气候观测系统GCOS(Global Climate Observing System)，是由WMO、UNESCO、UNEP、ICSU共同发起的。主要进行气候系统监测、气候变化的检测和响应监测，尤其是陆地生态系统和平均海平面的监测；收集用于经济发展决策的气候数据；改进对气候系统的理解、模拟及预测的研究；以气候预报为目标的综合性观测系统。该系统的信息采集能力和系统管理水平，完全达到了自动化，观探测系统的网络化已能实现对传感器级的在线故障诊断、远程参数设定、计量检定和修改等功能，观探测系统的数据采集能力和设备完好率达到99％以上，确保了气象保障工作的发展。
我国目前气象台站的观探测设备如地面气象遥测仪、气象雷达系统等虽然通过人工或自动的方式实时上报数据，但缺乏与气象水文信息网络系统之间的设备运行状态信息交互的接口，气象业务部门还不能通过气象水文信息网络系统对观探测装备的运行状况进行监控、考核与评估。装备运行状况的监测与管理主要靠人工的方法，自动化程度低，针对全国范围的气象水文装备的实时监测系统还没有建立，全局性的各类设备运行状态的实时监测还缺乏手段，影响了装备保障能力的提高。
因此，将气象水文网络系统和所有的观探测设备实现连接，实现对全局性的重要的观探测装备的监控，就必须将地面气象遥测仪等气象观探测设备的状态数据通过专用模块进行实时采集，以便将分散的气象观探测设备的状态数据汇总收集上传，进行实时自动化上报数据，进而实现全局性的各类设备运行状态的实时监测。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种地面气象遥测仪状态数据采集模块，该模块针对地面气象遥测仪的的硬件和接口特点而设计，可以提取地面气象遥测仪的各传感器的测量信息和工作状态，又不影响地面气象遥测仪正常工作。
本实用新型的技术方案是：
对于地面气象遥测仪进行硬件改造，主要在预处理器和监控终端的传输线路上进行。RS-232的接口标准，允许最大的通信设备为两台，所以，在对数据进行分流导出时要考虑到：第一，分流数据线尽量保持在较短的长度，减少负载，以避免影响数据的准确性以及对原有设备正常工作的影响；第二，数据线引出后，另一台PC终端，即观探测终端的接口要符合RJ-45标准。第三、接入的观探测终端计算机应按照数据预处理器规定，对其进行波特率、通信端口、采样频率等进行设置，为了实现监控设备既能得到各传感器的测量信息和工作状态，又要不影响型地面气象遥测仪的工作，采用旁路RS-232C信号并监听的方案。
一种地面气象遥测仪状态数据采集模块，它主要由地面气象遥测仪的数据采集器和串行口/网络口数据通信协议转换器组成，串行口/网络口数据通信协议转换器的第一串行端口R1连接地面气象遥测仪的数据采集器的数据发送端，串行口/网络口数据通信协议转换器的第二串行端口R2连接地面气象遥测仪的数据采集器的数据接收端，地面气象遥测仪的数据采集器的地线连接串行口/网络口数据通信协议转换器的地线接口，串行口/网络口数据通信协议转换器的网络端口通过RJ-45端口连接观探测终端。
串行口/网络口数据通信协议转换器为2口串口设备联网服务器。
观探测终端为计算机，串行口/网络口数据通信协议转换器的网络端口通过RJ-45端口连接计算机的网络端口。所述地面气象遥测仪的数据采集器的数据发送端为RS-232接口。所述地面气象遥测仪的数据采集器的数据接收端为RS-232接口。
本实用新型的有益效果是：
本实用新型的地面气象遥测仪状态数据采集模块针对地面气象遥测仪接口结构简单，且采用具有电气标准和物理标准的RS-232串行通信接口的特点，直接与地面气象遥测仪通过RS-232接口连接，对于其状态数据进行提取采集，可以通过硬件改造的方法实现，代价较小，不用深入分析监控软件内部结构，易于实现。
本实用新型的地面气象遥测仪状态数据采集模块可有效采集地面气象遥测仪的外部传感器以及其所探测到的各种环境气象要素，包括温度、气压、湿度、风速、风向、雨量，并将各要素的数值用模拟电压进行表示，将数据传输到管探测终端计算机，实现实时监控。
本实用新型按照装备管理系统化与信息化的要求，在不改变硬、软件的前提下，对地面气象遥测仪设计和加载设备状态数据采集模块，实时收集地面气象遥测仪系统运行状态等关键信息，可再借助于气象水文信息网络系统，进而实现对气象台站气象水文装备的实时监控与管理。可以改变对基层台站装备管理和监控缺乏有效手段的现状，为今后进行气象水文装备管理系统化与信息化起到了示范作用。
附图说明
图1是地面气象遥测仪组成结构示意图。
图2是地面气象遥测仪数据传输流程图。
图3是地面气象遥测仪硬件改造部分示意图。
图4是本实用新型的地面气象遥测仪状态数据采集模块原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作进一步描述：
一种地面气象遥测仪状态数据采集模块，它主要由地面气象遥测仪的数据采集器和串行口/网络口数据通信协议转换器组成，串行口/网络口数据通信协议转换器的第一串行端口R1连接地面气象遥测仪的数据采集器的数据发送端，如图4，数据采集器的T端口为其数据发送端，串行口/网络口数据通信协议转换器的第二串行端口R2连接地面气象遥测仪的数据采集器的数据接收端，如图4，数据采集器的R端口为其数据接收端，地面气象遥测仪的数据采集器的地线连接串行口/网络口数据通信协议转换器的地线接口，串行口/网络口数据通信协议转换器的网络端口通过RJ-45端口连接观探测终端。
串行口/网络口数据通信协议转换器为2口串口设备联网服务器。可选用Moxa公司生产的NPort5210型2口RS-232C串行口联网服务器。
观探测终端为计算机，串行口/网络口数据通信协议转换器的网络端口通过RJ-45端口连接计算机的网络端口，即计算机的以太网端口。地面气象遥测仪的数据采集器的数据发送端为RS-232接口。地面气象遥测仪的数据采集器的数据接收端为RS-232接口。
地面气象遥测仪工作状态数据如表1所示。
表1遥测仪工作状态
| 参数序号 | 参数名称 | 参数缺测值 | 数据类型 | 备注 |
| 1 | 内部温度 | -99.0 | Float | 1位小数 |
| 2 | 工作电压 | -99.0 | Float | 1位小数 |
| 3 | 温度 | -99.0 | Float | 1位小数 |
| 4 | 湿度 | -99 | Int | |
| 5 | 风向 | -99 | Int | |
| 6 | 风速 | -99.0 | Float | 1位小数 |
| 7 | 气压 | -99.0 | Float | 1位小数 |
| 8 | 雨量 | -99.0 | float | 1位小数 |
如图1，地面气象遥测仪主要由四部分组成，外部传感器、数据采集器、数据预处理器、地面遥测监控终端计算机。地面气象遥测仪可为上海市气象科学研究所和江苏省无线电科学研究所研制的ZQZ-CII型地面气象遥测仪。
下面分别对四个部分进行分析：
①传感器：外部传感器组件，主要由温度传感器、气压传感器、湿度传感器、测雨传感器、测风传感器等几部分组成。通过温、压、湿、测风、测雨传感器，对气象环境中的温度、气压、湿度、风速、风向、雨量等气象要素进行探测。
②数据采集器：数据采集器对传感器探测所得到的数据进行采集。为了避免在数据传输过程中产生误差，采集器将代表气象要素数值的模拟电压，转换为数字信号，并通过RS-485标准串行通信接口将数据发送到数据预处理器进行处理。
③数据预处理器：数据预处理器接收来自数据采集器的数据(包括温度、湿度、气压、风速、风量、雨量等)，并对数据进行预处理。数据预处理器在对数据进行分析之后，按照规定的算法，转换为气象六要素。完成预处理后，通过RS-232标准串行通信接口，将数据发送到地面遥测监控终端计算机。
④地面遥测监控终端计算机：地面遥测监控终端机算机接收经过预处理的数据，按照数据结构定义(气象六要素数据以ASCII码进行表示)，对数据进行分析，将气象六要素：环境温度、环境气压、环境湿度、风速、风向以及雨量(降水量)在计算机终端进行显示，以便于掌握气象环境的变化情况。
地面气象遥测仪状态数据采集
(1)地面气象遥测仪状态数据导出
地面气象遥测仪状态数据处理主要流程如下所述：
如图2，传感器包括：温度传感器、气压传感器、湿度传感器、测雨传感器、测风传感器，探测环境各种气象要素，包括温度、气压、湿度、风速、风向、雨量，将温度、气压、湿度、风速、风向、雨量这些六要素的数值用模拟电压进行表示，发送到数据采集器。数据采集器对六要素值进行转换，使之成为便于远距离传输的数字信号，随之将转换后的数据一起发送到数据预处理器。预处理器按照相应的算法进行计算，得到用ASCII码表示的六要素值，一分钟一次向地面遥测监控终端计算机发送。
地面气象遥测仪接口结构简单，且采用具有电气标准和物理标准的RS-232串行通信接口，对于其状态数据的获取，可以通过硬件改造的方法实现，代价较小，不用深入分析监控软件内部结构，易于实现。
RS-232标准是通用标准，现今使用和发展的其他几种串行通信接口标准，都是在RS-232标准的基础上经过改进而形成。RS-232是异步串行通信中应用最广的标准总线。该标准的全称是EIA-RS-232标准(Electronic IndustrialAssociate-Recommended Standard-232C)，它是美国EIA(电子工业联合会)与BELL等公司一起开发和发布的通信协议，主要适合于数据传输速率在0-20Kb/s范围内的通信。RS-232连接器引脚信号定义如表2所示。
表2RS-232连接器引脚信号定义
| 引脚(9针) | 引脚(25针) | 信号 | 信号源 | 类型 | 描述 |
| 1 | 8 | CD | DCE | 控制 | 载波信号检测 |
| 2 | 3 | RD | DCE | 数据 | 接收到的数据 |
| 3 | 2 | TD | DTE | 数据 | 发送的数据 |
| 引脚(9针) | 引脚(25针) | 信号 | 信号源 | 类型 | 描述 |
| 4 | 20 | DTR | DTE | 控制 | 数据终端准备好 |
| 5 | 7 | GND | - | 控制 | 信号地 |
| 6 | 6 | DSR | DCE | 控制 | 数据设置准备好 |
| 7 | 4 | RTS | DTE | 控制 | 请求发送 |
| 8 | 5 | CTS | DCE | 控制 | 清除以便发送 |
| 9 | 22 | RI | DCE | 控制 | 铃声信号指示器 |
| - | 1、9-19、21、23-25 | 未用 | - | - | - |
RS-232通信的三个基本信号如下：
TD。将数据从DTE传输到DCE。也被称为TX和TXD。
RD。将数据从DCE传输到DTE。也被称为RX和RXD。
SG。信号地。也被成为GND和SGDN。
RS-232的逻辑电平用正负电压表示，而不是只用5VTTL和CMOS逻辑的正负电压信号表示。在一个RS-232的数据输出(TD)，一个逻辑0被定义为等于或者高于+5V，而一个逻辑1被定义为等于-5V或者低于-5V。换言之，信号使用负逻辑，在这种逻辑中，负的电压为逻辑1。
对于地面气象遥测仪进行硬件改造，主要在预处理器和监控终端的传输线路上进行。RS-232的接口标准，允许最大的通信设备为两台，所以，在对数据进行分流导出时要考虑到：第一，分流数据线尽量保持在较短的长度，减少负载，以避免影响数据的准确性以及对原有设备正常工作的影响；第二，数据线引出后，另一台PC终端，即观探测终端的接口要符合RJ-45标准。第三、接入的观探测终端计算机应按照数据预处理器规定，对其进行波特率、通信端口、采样频率等进行设置。改造部分示意图如图3所示。
为了实现监控设备既能得到各传感器的测量信息和工作状态，又要不影响型地面气象遥测仪的工作，采用旁路RS-232C信号并监听的方案，如图4所示。
NPort5210是Moxa公司生产的2口RS-232C串行口联网服务器，信号端口提供15KV静电放电(ESD)保护；工作电源12V～30V；以太网可10/100Mbps自适应工作，并具有1.5KV电磁隔离。Moxa公司还提供了PC机的虚拟串行口驱动程序，使用户在PC机上只要用COM口的工作软件即可，而不必专门编写网络程序(尤其适合于已经完善的使用COM口控制程序)。
本实用新型的地面气象遥测仪状态数据采集模块与地面气象遥测仪连接后，通过编写相应的协议，对地面气象遥测仪内部数据进行解码，然后将解码后的数据传输至观探测终端。
(2)地面气象遥测仪状态数据读取
在硬件部分，数据完成分流之后，需要对发送到观探测终端的数据进行读取。在PC机内部，均通过硬件电路来实现接口，即采用USART接口芯片。因此，通过软件程序实现数据的读取。读取程序主要完成以下工作：
①配置：传送的波特率、字符格式、时钟脉冲周期与数据位周期的比例系数、采用异步方式传送、命令和状态位；
②数据读取：对通信端口进行监测，有数据来到时，接收，并根据六要素的格式进行转换。
③地面气象遥测仪状态数据输出：在观探测终端启动后给出启动的时间，以后每隔1分钟输出读取到的状态信息，格式为：日期时间：参数1的状态(空1格)参数1的当前值，参数2的状态(空1格)参数2的当前值，……参数24的状态(空1格)参数24的当前值，写完所有当前状态后换行。然后重复执行以上操作，直至地面气象遥测仪关机。
Claims (5)
1.一种地面气象遥测仪状态数据采集模块，其特征是它主要由地面气象遥测仪的数据采集器和串行口/网络口数据通信协议转换器组成，串行口/网络口数据通信协议转换器的第一串行端口R1连接地面气象遥测仪的数据采集器的数据发送端，串行口/网络口数据通信协议转换器的第二串行端口R2连接地面气象遥测仪的数据采集器的数据接收端，地面气象遥测仪的数据采集器的地线连接串行口/网络口数据通信协议转换器的地线接口，串行口/网络口数据通信协议转换器的网络端口通过RJ-45端口连接观探测终端。
2.根据权利要求1所述的地面气象遥测仪状态数据采集模块，其特征是所述串行口/网络口数据通信协议转换器为2口串口设备联网服务器。
3.根据权利要求1所述的地面气象遥测仪状态数据采集模块，其特征是所述观探测终端为计算机，串行口/网络口数据通信协议转换器的网络端口通过RJ-45端口连接计算机的网络端口。
4.根据权利要求1所述的地面气象遥测仪状态数据采集模块，其特征是所述地面气象遥测仪的数据采集器的数据发送端为RS-232接口。
5.根据权利要求1所述的地面气象遥测仪状态数据采集模块，其特征是所述地面气象遥测仪的数据采集器的数据接收端为RS-232接口。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20101020 Termination date: 20140205 |