CN202166753U

CN202166753U - 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

Info

Publication number: CN202166753U
Application number: CN2011201188999U
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: 2012-03-14
Anticipated expiration: 2021-04-21

Abstract

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，主处理模块由单片机系统构成，特征是主处理模块上连接有：传感器模块、数据存储模块、无线收发模块和太阳能电源管理模块；传感器模块由大气压传感器、温湿度传感器和风速传感器组成。本实用新型使用太阳能供电，可以在-35℃以上正常工作，除即实时采集向上位机传输气象数据以外，还可自动采集并存储气象数据，在收到提取数据指令后能够将所采集的全部气象数据通过无线方式传送给上位机，并且有断电保护功能，断电后不丢失存储的气象数据及工作状态信息。本实用新型能够满足在条件艰苦的高原地区实现气象数据长时间稳定的自动采集的技术要求，从而评估建立天文望远镜的台址。

Description

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

技术领域

本实用新型涉及一种气象站，具体涉及一种用于亚毫米波段天文台前期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。因此，一个前期的选址办法就是采用三要素（大气压、温度和湿度）气象站测得不同地址的气象参数，通过计算得到该测量地址的大气垂直水汽含量，从而可以粗略地估计出该地址是否适合亚毫米波射电天文观测，考虑到风速会使天线面板产生一定的力学形变，对观测精度产生一定的影响，因此用于前期天文选址的气象站通常是包括大气压、温度、湿度和风速测量的四要素气象站。

现在市场上有一些自动气象站产品，它们的通讯模式通常为有线通讯或GPRS无线通讯，采用的电源多通过220V交流电转换得到，气象站的质量和体积一般也较大，只适合一般地区的气象观测和记录而无法在超低温环境下工作。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，现有技术中的一般气象传感器在极限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，市场上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，在条件艰苦的高原地区能够持续长时间稳定工作，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；3.长时间的数据存储能力；4.可在超低温度下工作的宽范围、高精度的测量传感器；5.断电不丢数据，并且能够自动重启采集程序。目前的现有技术中，没有同时能够满足以上条件的自动气象站的技术方案。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种无人值守小型自动气象站，特别是一种用于亚毫米波段天文台前期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即实时的采集传输气象数据外，还可以实现气象数据的自动采集及存储，断电再复电后能自动恢复工作。该技术方案能够满足在条件艰苦的高原地区实现气象数据长时间稳定的自动采集的技术要求，从而粗略的评估某个台址是否适合亚毫米波段天文观测、建立天文望远镜。

完成上述发明任务的技术方案是：一种用于亚毫米波段天文台前期选址的无人值守小型自动气象站，设有主处理模块、传感器模块、数据存储模块、无线收发模块和太阳能电源管理模块，其中主处理模块由单片机系统构成，其特征在于，在该主处理模块上连接有：传感器模块、数据存储模块、无线收发模块和太阳能电源管理模块；所述的传感器模块由大气压传感器、温度传感器、湿度传感器和风速传感器组成。

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；

传感器模块用来将各种物理气象信号转换为标准的电信号；

数据存储模块由掉电非易失的存储器构成，用来保存采集到的气象信息；

无线收发模块由无线收发器和天线组成，用来实现数据的远程无线传输；

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。

由于本实用新型设计的自动气象站是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自动采集并存储大量的气象数据，在收到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上位机，如遇断电情况，复电后能自动恢复断电之前状态继续工作；另外它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上位机传送该数据。考虑到以上的需求，我们的自动气象站需要有以下两种功能即工作方式。

工作方式一：离线工作方式。在当前工作方式下，气象站根据上位机设置的采样间隔（最小间隔为1s），采集气象数据并存储于主处理板上的Flash中，当上位机请求数据后，将Flash中存储的全部气象数据通过无线收发器发送给上位机接收。如遇连续阴雨天气出现，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，自动气象站应该在断电后不丢失数据，并且通电后自动复位并按照断电前的配置参数继续工作。

工作方式二：在线工作方式。在当前工作方式下，气象站工作在待机状态下，接收到上位机发送来的采集数据指令后立即采集当前各项气象数据并发送给上位机接收。

本实用新型克服了现有技术的不足，在条件艰苦的高原地区能够持续长时间稳定工作，本设计具备：脱离有线及移动通讯方式；使用不依赖于市电网络的电源；长时间的数据存储能力；可在超低温度下工作的宽范围、高精度的测量传感器；断电不丢数据，并且能够自动重启采集程序。除了用于亚毫米波段天文台前期选址外，还可以用于其它地区作为无人值守小型自动气象站。

附图说明

图1为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结构示意图。

具体实施方式

实施例1，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主要包含以下模块：主处理模块、传感器模块、数据存储模块、无线收发模块和太阳能电源管理模块。传感器模块由大气压传感器、温度传感器、湿度传感器和风速传感器组成，用来将各种物理气象信号转换为标准的电压信号；主处理模块由单片机系统构成，用来进行数据的处理及控制各个模块之间的通讯；数据存储模块由掉电非易失的存储器构成，用来保存采集到的气象信息；无线收发模块由无线收发器和天线组成，用来实现数据的远程无线传输；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。系统的结构图如图1所示。

硬件设计

由于各种传感器、无线收发器、天线、太阳能电源管理系统等在工业界都有比较成熟的产品，因此只需根据我们的要求选取合适的产品应用，鉴于气象站工作的环境比较恶劣，因此选用的各种传感器及芯片的工作环境温度下限都是最低的，设计中所有的硬件都可以保证在-35 ℃时正常工作。硬件系统的核心部分主处理板和机械结构部分为我们自主设计。

1.1气象传感器

温度和湿度传感器我们选用了瑞士Sensirion公司最高精度的温湿度传感器SHT75，这是一款集成了温度和湿度测量的传感器芯片，工作温度-40 ℃ ~ 123.8 ℃。温度测量精度在0 ~ 50℃环境下基本上保持在±0.5 ℃以内，在-40 ℃的极端环境下还可以达到±1.5 ℃。湿度测量在10 ~ 90 %内都保持在±1.8 %，低温可能对湿度测量精度带来一定的影响，-20 ℃以上时温度对湿度测量带来的不确定性保持在3 %以下。温湿度传感器SHT75在芯片中集成了一个14位ADC，温度测量分辨率最高为14 bit，湿度为12 bit，采用其特有的串行通讯协议。SHT75已经经过校准，在测量到原始的温湿度数据后需要按照特有的定义进行后处理，其中湿度需要分别进行线性补偿和温度补偿处理，以得到真实的湿度值。

气压传感器采用HopeRF公司生产的高精度气压传感器HP03SA。HP03SA工作时的温度环境要求为-40 ~ 85 ℃，设计中将传感器直接焊接在控制电路板上，然后在控制盒的下方开有小孔，保证控制盒内外大气压强一致。该芯片已经进行了气压的校准，并且将校准参数存储在内部的一片EEPROM上，它内部还集成了一个温度传感器，温度值在计算最终气压值时也会用到，它还可以用来监测电路板的温度。HP03SA的测量范围是300 ~ 1100 hpa，其在0 ~ 50 ℃时测量精度为±0.5 hpa。HP03SA还包含了一片16位的ADC，它采用标准的I2C串行接口，每次读取气压时需要分两次分别读取16位的气压值和温度值。

风速传感器采用石家庄亚鹏机电生产的STM型风速传感器，工作温度-55 ℃ ~ 150 ℃，工作电压为12 V，输出为TTL电平信号，可通过上拉电阻加直流电源控制在3.3 V或5 V。STM是通过测量输出频率来得到风速的，最大启动风速为1.5 m/s，最大测量风速为30 m/s，测量精度为±0.5 %，我们可以通过单片机的精确计时，将风速的测量分辨率定在0.1 m/s，小于测量误差0.15 m/s。

1.2 时间及存储芯片

RTC时钟是用来记录测试时的标准时间，将连同测试的气象数据一起存储起来，以得到气象数据对应的时间。设计将采用Maxim生产的DS1338芯片，工作温度-40 ℃ ~ 85 ℃，它需外接32.768 KHz石英晶体工作。该芯片采用标准的I2C串行传输协议，输出BCD码的年月日星期和时分秒。DS1338不自带备用电池，考虑到电源系统偶然会出现断电的情况，这将导致时间记录出现问题，因此我们将会为RTC配备可充电的镍氢电池，保证时间记录不因电源出现问题而出错。

考虑到长时间存储的需求，设计中我们将采用Flash而非EEPROM。每组气象数据中包含时间数据六字节（年月日时分秒），气压数据四字节（气压、温度各两字节），温湿度各两字节，风速数据两字节，一组气象数据共需16个字节的存储量。如果每分钟进行一次数据采集，一天的数据存储空间需求为23.04 KB。设计中选用了Atmel公司的AT26DF321 Flash存储芯片，工作温度-40 ℃ ~ 85 ℃，它支持标准的SPI串行传输协议，存储容量为4 MB，大约可以记录半年的数据；若改为每小时采集一次气象数据，该Flash支持的存储时间将长达30年。

1.3 无线收发器及天线

无线收发器模块多采用半双工的通讯方式，载频选择433 MHz等开放的ISM频段。为了使无线传输距离尽可能大，选取的无线收发器模块可视传输距离需要大于2000米，并可配置高增益八木天线提升信号发送和接收效果。由于青藏高原障碍物较少，视野较开阔，所以一般的远距离无线收发模块基本都可满足距离要求。无线收发器除响应上位机要求发送气象数据时处于发送状态外，其他时刻均处于接收或休眠状态，该模块处于发送状态下最大功率为1.5W，接收状态下小于125mW，休眠状态下小于1mW。具体设计时可以考虑将其设定为周期性的休眠模式，每隔一定时间启动进入信号接收模式，如没有接收到主机发送的请求信号，则进入休眠模式，直至下一周期再次被启动，这将进一步减少其消耗的功率。

无线收发器将采用深圳市科易连通讯设备有限公司生产的工业级KYL-1020L，它可工作于发送和接收状态，工作温度为-35 ℃ ~ 75 ℃，接口方式为TTL 5V电平接口，可以直接与单片机的串口模块连接，按RS232串口传输协议进行数据的传输。我们对其进行了测试，在9600波特率，配置433MHz日本钻石牌A430S10R八木天线条件下，实测有效通讯距离大于2.7 km。

Claims

1.一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，主处理模块由单片机系统构成，其特征在于，在该主处理模块上连接有：传感器模块、数据存储模块、无线收发模块和太阳能电源管理模块；所述的传感器模块由大气压传感器、温湿度传感器和风速传感器组成。

2.根据权利要求1所述的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，其特征在于，所述的温湿度传感器是采用工作温度为-40 ℃ ~ 123.8 ℃的传感器芯片SHT75。

3.根据权利要求1所述的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，其特征在于，所述的气压传感器采用工作温度为-40 ℃ ~ 85 ℃的高精度气压传感器HP03SA。

4.根据权利要求3所述的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，其特征在于，所述的高精度气压传感器HP03SA的安装结构是：将传感器直接焊接在控制电路板上，然后在控制盒的下方开有小孔。

5.根据权利要求1所述的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，其特征在于，所述的风速传感器采用工作温度为-55 ℃ ~ 150 ℃的STM型风速传感器。

6. 根据权利要求1~5之一所述的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，其特征在于，所述的无线收发模块采用工作温度为-35 ℃ ~ 75 ℃的工业级KYL-1020L模块，并配备A430S10R型八木天线。