DZZ5型生态气象自动观测站使用与维护

马召伟

(呼和浩特市气象局，内蒙古 呼和浩特 010000)

内蒙古地区于2021年上半年建成了全区首批共13个DZZ5型生态气象自动观测站。该观测站观测要素包括：温度、相对湿度、气压、风向、风速、雨量、红外温度、土壤水分、光合有效、总辐射、土壤温度、土壤湿度、作物图像。观测资料的收集可有效助力内蒙古自治区生态文明建设。

该生态气象自动观测站包括主采集器和分采集器、常规6要素传感器、红外温度传感器、3层地温传感器、3层土壤水分传感器、光合有效传感器、总辐射传感器、图像采集器、高清摄像机、供电系统、数据传输系统等。

1 观测站组成

观测站由供电系统、采集系统、传感器系统、通信系统及上位机软件构成。

供电系统：将太阳能转换成+12 V DC作为主电源，配以蓄电池作为后备电源，为观测站供电。

采集系统：采集要观测的气象要素值并对采样数据进行控制运算、数据计算处理、数据质量控制等。

通信系统：与终端微机或远程数据中心进行数据交互。

1.1 供电系统

站点供电采用太阳能供电。由太阳能板、太阳能控制器和蓄电池3部分组成。

太阳能板，用于提供日间充电功能，保证系统白天的供电及给电池充电使用。太阳能控制器，提供系统所需12 V直流供电电压并为电池提供13 V直流充电及电池充电保护和采集器供电保护功能。蓄电池，夜间为系统供电，并在太阳能板没有输出时为系统提供续航所需电能。

太阳能板输出：12 V～20 V直流电压；功率：80 W/12 V；电流：3 A～4 A。

太阳能控制器是专为野外环境工作、无人值守的自动站而设计，可为传感器及自动气象站系统供电。它通过太阳能电池输入，以+12 V直流电源形式输出，具有抗干扰、防雷击等功能。该电源工作时，对12 V铅酸电池控制充电，使其充电控制在10.8 V～13.8 V之间，能不间断地向负载供电。

蓄电池输出：12 V直流100 A·h，负责在没有日照或太阳能板没有输出时为整套系统提供供电。

1.2 采集器系统

采集系统由HY1300采集器、HY1306采集器和HY900采集器组成。

HY1300数据采集器作为整站数据的收集及处理单元，可以完成对10 m的风速、风向、空气温度、相对湿度、降水(0.1 mm的翻斗式雨量)、气压、辐射等气象要素的观测数据采集，并对所有类型和途径采集到的气象数据进行质量控制、打包等数据处理，最终将数据处理完成的数据包进行上传。

HY1300数据采集器采用嵌入式系统，以高性能CPU为核心处理器，嵌入操作系统，配置相关的外围组件，构成单板电脑系统，是整个系统的核心控制单元。承担系统时序流程控制、接收各分采集器的测量数据，对测量数据进行各种计算、存储、传输处理。

HY1306数据采集器采集自动站地温数据。负责接入传感器对应气象要素的测量，在工作状态对挂接的传感器按预定的采样频率进行扫描，收到主采集器发送的同步信号后，将获得的采样数据通过总线发送给主采集器。与主采集器之间的数据通信采用的是CAN通信方式，执行CANopen协议。CAN总线(Controller Area Network 控制器局域网络)带有硬件控制器可以避免竞争冲突，可以实现多主方式[1]。

HY900 图像采集器具备对局域网内FTP客户端文件的收集功能，并进行存储、转发到远程广域网的FTP服务器上。

1.3 传感器系统

传感器系统由常规6要素传感器、红外温度传感器、3层地温传感器、3层土壤水分传感器、光合有效传感器、总辐射传感器组成。常规6要素传感器、地温传感器和土壤水分传感器与常规气象自动站相同，下面重点介绍一下其特有的传感器。

温度传感器采用HY-T型温度传感器，用于空气温度观测。热敏元件为铂电阻传感器PT100，感应部件位于传感器顶端，传感器安装于百叶箱内。铂电阻的阻值范围：80 Ω～120 Ω。精度：0.05 ℃。铂电阻为100 Ω时，温度为0 ℃，温度每升高1 ℃，电阻增大0.385 Ω[2]。

湿度传感器使用HYHMP-155温湿度传感器。测湿元件是聚合物薄膜电容传感器HUMICAP180。湿度传感器位于探头的顶端，由一个烧结的聚四氟乙烯过滤器保护。传感器安装于百叶箱内。测量范围：0% RH～100% RH。分辨力：1% RH。最大允许误差：±3% RH(≤80%)±5% RH(>80%)。工作电压：12 V DC。输出电压为0～1 V,对应湿度为0～100%[2]。

风传感器采用EL15-1C风速传感器和EL15-2C风向传感器，用于10 m风观测。风速传感器采用轴式风杯，通过磁码盘或光码盘转换方式。电源电压：5 V DC。输出信号类型：频率。校准方程为：V=0.2315+0.0495 f。风向传感器采用轴式风向标，通过光码盘转换方式。电源电压：5 V DC。输出信号类型：7位数字量(格雷码)如：239度为1111111；0度为0000000[2]。

气压传感器选用HYPTB210智能传感器，用于测量大气压力。传感器感应元件采用硅电容压力传感器。

翻斗雨量传感器用于降水观测。传感器采用翻斗计数转换方式。输出信号类型：通断信号(两根信号线)。承雨口内径尺寸：∅200 mm。承雨口刃口锐角：40°～45°。传感器感量：0.1 mm/斗。雨强：0～10 mm/min。分辨率：0.1 mm。精度：±0.4 mm(≤10mm时)，±4%(>10 mm时)。

辐射传感器用于总辐射和光合有效辐射观测。传感器采用电热堆转换方式。信号输出方式：10 μV～50 μV差分信号。感应面涂有高吸收无光黑色涂层，吸收辐射能，产生的热量通过热电阻，使温度变化并转化为电压信号。

光合有效辐射传感器，利用硅光探测器测定光谱范围在400 nm～700 nm的光合有效辐射，该频段光谱有利于植物进行光合作用。

红外温度传感器是利用辐射热效应，使探测器件接收辐射能后引起温度升高，进而使传感器中电压随温度的性能发生变化。检测其中电压的变化，便可探测出温度值。即地面温度传感器。

2 维护检测

2.1 供电系统检测

当发现自动站没有供电时可从以下4个检查：①检查太阳能板输出电压；②检查电池电压；③检查太阳能控制器运行情况；④检查供电开关及保险。

2.1.1 太阳能板、电池、太阳能控制器的检测。太阳能板在没有接到控制器上时，输出直流20 V电压，电池在没有接入控制器时输出为直流12 V电压，太阳能控制器在接了太阳能板及电池时，输出为直流13.8 V电压。

2.1.2 太阳能控制器检测。太阳能控制器上有4个灯，最左侧一个灯应为绿色常亮，右侧3个连续的灯如果出现红灯为故障，黄灯为馈电，绿灯是充电及饱和。具体含义见表1。

表1 太阳能控制器指示灯含义

2.2 采集器的检测

采集器的检测主要是通过串口发送命令的方式与采集器交互数据，通过对数据的分析获取采集器的工作状态。

常用命令：GETMINDATA!获取分钟数据

GETHOURDATA! 获取整点数据

GETDEBUG10! 获取秒数据

GETTIME! 获取时间

SETTIME20171026133800! 设置采集器时钟(到秒)14位数据位

2.2.1 HY1300采集器命令集

GETMINDATA! 获取分钟数据

GETMINDATA201710181016201710181017! 获取分钟历史数据 (精确到分)

GETHOURDATA! 获取小时数据

GETHOURDATA20171018092017101810! 获取历史小时数据(精确到时)

GETTIME! 获取时钟

TIME20171012111006 返回信息

SETTIME20171012111000! 设置时钟(精确到秒)

TIME20171012111000 返回信息

LAT加回车 获取纬度

//.//.//

LAT空格32.01.01加回车 设置纬度

T

LONG加回车 获取经度

//.//.// 返回信息

LONG 123.01.01加回车 设置经度

T 返回信息

ALTP加回车 获取气压表海拔高度

0.0 返回信息

ALTP 190 设置气压表高度

T 返回信息

OPENCHANNEL0! 开启RS232串口监控 0：DEBUG口 1：RS232-1 2:RS232-2 3:RS232-3 4:CAN

UART1 Channel Open! 返回信息

CLOSECHANNEL! 关闭RS232串口监控

All Channel Close! 返回信息

2.2.2 HY900图像采集器常用命令

①用于数据传输中心站设置：

例：SETCOMM00 222.74.231.206 10005 CMNETT!

回复：

SETCOMM00OK！

②用于FTP设置：

例：SETFTPPARA 222.74.231.206 10001 js1959 js1959radio/!

回复：

SETFTPPARAOK!

③区站号修改：

例：SETDEVICEID 99999NN!

设置成功返回：

SETDEVICEIDOK!

2.3 日常维护

①定期清理雨量传感器，避免堵塞影响传感器采集数据。②清洗温湿度通风罩，保障温湿度反应灵敏。③适当清洁辐射传感器与光合有效传感器，确保辐射能够正常采集。④清理太阳能板，避免杂物或灰尘遮挡严重导致供电不足。

3 小结

文章重点介绍了生态气象自动观测站各部分的详细构成，并对站点运行过程中常见故障进行了总结，对站点的稳定运行有一定的指导意义。