综合硬件集成控制器在地面气象观测集成系统的应用研究

李永刚 辛羽婷 满红艳

摘要：针对目前地面气象观测设备集成度不高、可扩展性不强等问题，中国气象局在气象台站布设了综合硬件集成控制器，已随着新型气象站建设投入业务运行。本文主要介绍综合硬件集成控制器的工作原理和性能，探讨在地面气象观测集成系统中扩展应用的问题，希望对台站综合气象业务人员在实际工作中有所帮助。

关键词：综合硬件集成控制器;地面气象观测;新型自动气象站;闪电定位仪

中图分类号： TP393                                  文献标识码：  A                     DOI编号：   10.14025/j.cnki.jlny.2019.14.068

综合硬件集成控制器是高度集成多串口通信、信号转换、光电隔离、数据转换和光电转换（光猫）等功能模块，通过光纤将采用不同通信方式的多个设备数据进行远距离传输，有效解决了气象业务原有观测系统“四多”和“四低”的实际问题，满足业务发展要求。在实际业务中，地面气象观测场布设综合硬件集成控制器后，相当于把以太网扩展到了观测场，除了现有新型自动气象站，其他一些观测设备也可以通过综合硬件集成控制器进行集中传输，实现地面气象观测集成系统。

1 工作原理和结构

1.1 综合集成硬件控制器工作原理

ISOS-HC/A综合集成硬件控制器是地面气象观测系统综合集成的硬件平台，主要任务是实现对自动气象站、云、能见度、天气现象、辐射等气象自动观测设备的集约化管理，通过串口服务器实现各观测设备观测数据的RS-232/485/422传输到以太网传输模式的转换，再通过光电转换器实现电信号和光信号的相互传输，减少布线，提高地面气象综合观测系统的集成化程度、可扩展性能、稳定性、可靠性、观测数据的利用效率等。

1.2 综合集成硬件控制器结构和功能

串口通信：串口服务器提供了8个物理串口，可以保证8套串口设备同时通信，满足现有的地面气象自动观测设备接入需求。

串口虚拟功能：串口服务器自带虚拟串口驱动程序，能够在计算机上虚拟8个串口，这些虚拟串口与串口服务器的物理串口一一对应，相当于在计算机上添加了8个串口。

数据格式转换：将非数据字典格式的气象观测数据转换为数据对象字典格式的气象观测数据。

通信协议转换：将串口通信协议转换成网络通信协议，计算机与串口服务器之间通过以太网可实现相互间通信。

网络交换：综合硬件控制器自带网络扩展交换机，可实现网络交换和网络集线功能。

光电转换：集成了光纤接口，将网络电信号转换为光纤信号。

2 新型自动气象站集成应用

目前布设综合硬件控制器的台站均安装了新型自动气象站，新型站的主采集器通过串口服务器与计算机相互通信，云、能见度、天气现象、辐射等观测设备也通过串口服务器与同一台计算机通信，实现了新型自动气象站集成，减少了观测场到值班室的布线，有效降低了线路问题带来的故障率。

对于布设双套新型自动气象站的台站，由于串口服务器仅能接受一台计算机在线连接，为保证数据传输稳定，实际业务中需要两台计算机分别挂接两套新型站，一套为现用、一套备份，而增加一套综合硬件控制器，既增加了采购成本，又增加了布线和维护成本，与地面气象观测自动化改革的初衷不符。解决方法是在备份站数据通讯口增加一套串口转网络设备（小型串口服务器），通过综合硬件控制器的网络交换机功能接入内网交换机，设置好备用串口服务器IP地址，利用现有光纤—以太网引入备份计算机，实现两套新型自动气象站的独立运行。

3 闪电定位系统集成应用

按照《地面气象观测场规范化图册》要求，闪电定位仪布设在观测场，数据传输通过地沟引入值班室，信号采用电缆传输，通过NPORT5110模块将串口信号处理后转换为网络信号发送到省级和国家级中心站服务器。

将硬件控制器布设在观测场后，网络也相应地延伸到观测场。2017年1月，舒兰市气象局闪电定位仪出现故障，无数据传输，多方查找原因最终确定为通讯电缆断路，由于冬季无法检查近百米长的通信线路断路点，只能整根更换通讯电缆，且冬季难以将线缆埋入地沟，只能明线敷设，既影响美观，又存在安全隐患。经过认真分析和测试，转换工作思路，将闪电定位仪的通信模块NPORT5110从值班室机柜迁移到综合硬件控制器机箱内，采用综合硬件控制器12V电源给NPORT5110模块供电，同时将闪电定位仪的数据传输信号线接入综合硬件控制器机箱，NPORT5110模块输出网线直接接入综合硬件控制器网络交换机，故障得到解决，数据恢复正常上传。经过连续几个月运行，数据传输稳定可靠，实现了闪电定位观测系统与综合硬件控制器的完美集成。

目前，吉林省部分站點分别布设了国家级闪电定位观测系统和三维闪电定位观测系统，两套系统数据通过气象内网上传数据到中心站的传输方式相同，均可采用综合硬件控制器网络交换功能进行内网传输数据。另外，三维闪电定位系统不仅需要内网传输数据，还需互联网发送到中国科学院电工研究所，解决方法是通过目前预留的光纤，增加一套光纤—网络转换设备，将互联网引入观测场，即在综合硬件控制器机箱内增加一台独立的光纤—网络交换机（4口即可），可实现三维闪电定位系统的正常数据传输。

4 结语

通过对ISOS-HC/A综合集成硬件控制器工作原理的了解，结合实际工作将气象观测场内新型自动气象站和闪电定位系统不同信号集成传输，能够利用现有的设备以较小的成本解决通信线路多、串口信号线长距离传输故障率高、电缆防雷安全隐患大、维修维护困难等问题，值得在台站业务工作中推广。

参考文献

[1]黄思源，刘均.新型自动气象站观测业务技术[M].北京：气象出版社，2016，8-20.

[2]张鑫，李艳，包坤.综合集成硬件控制器的设计与实现[J].黑龙江气象，2016，33（03）：34-36.

作者简介：李永刚，本科学历，工程师，研究方向：气象数据可视化应用、软件开发。