基于NPORT的地面综合气象观测系统通信测试方法及故障处理

匡昌武，陈卿才，高 涛，崔学林

(1.海南省气象探测中心，海口 570203；2.海南省南海气象防灾减灾重点实验室，海口 570203)

0 引言

随着气象探测技术的不断进步和地面观测设备自动化程度的不断提高，前向散射能见度仪、降水现象仪、辐射观测系统和日照观测仪等各种新型观测设备也已广泛应用于地面综合气象观测系统，这些智能化设备均采用RS-232/RS-485进行通信。新型自动气象站主采集器接入温度、湿度、气压、雨量、地温、蒸发、风向、风速等常规气象观测要素，通过增加串口服务器集成新型自动气象站、前向散射能见度仪、降水现象仪、辐射观测系统和日照观测仪等多种自动化观测设备。

地面综合气象观测系统通过增加串口服务器来集成各类自动化观测设备，综合集成硬件控制器的核心部件就是串口服务器。王玮、吕抒航[1，2]等分析了综合集成硬件控制器在DZZ5新型自动气象站中的应用；刘语嫣[3]等介绍了气象观测综合集成控制系统硬件设计；李毅聪、许杰文[4-6]等介绍了DPZ1综合集成硬件控制器常见故障排查和处理。国内文献多为研究分析DPZ1综合集成硬件控制器自动气象站的常见故障和维修方法，缺少ZQZ-PT1 通信转换器排查通信系统故障方法的研究。文章以NPORT串口服务器的ZQZ-PT1 通信转换器为主线分析地面综合气象观测系统通信部分的组成和数据传输流程，总结了通信设备和关键节点的故障测试方法，分析了通信部分故障原因和处理方法。

1 地面综合气象观测系统构成

地面综合气象观测系统通信部分包括观测设备中的串口光电转换器、综合集成硬件控制器、光纤交换机和光纤等，其中ZQZ-PT1通信转换器的通信设备主要由MOXA的NPORT 5650-8-DT串口服务器、TCF-142-ST串口光电转换器和光纤交换机等组成[7，8]。MOXA的NPORT 5650-8-DT串口服务器共有8个串行通信端口，因此最多可直连8个串口观测设备。新型自动气象站、降水现象仪、前向散射能见度仪、日照计等自动观测设备以串口通信方式通过光纤与串口服务器连接。

1.1 数据传输流程

终端计算机将数据采集命令发送至虚拟串口，通过网络发送至串口服务器，根据虚拟串口找到真正的串口，串口服务器将数据进行数据协议转换并传送至相关数据采集器，采集器收到采集指令采集数据，将数据通过串口通信传送至串口服务器，串口服务器将接收到的数据进行封装转化成TCP/IP协议格式的数据流返回终端计算机。

1.2 串口服务器

MOXA的NPORT 5650-8-DT串口服务器提供8个RS-232/422/485三合一串口，可以保证8个设备同时通信，满足现有的自动化设备接入需求；串口服务器通过虚拟串口软件在终端计算机上虚拟8个串口，虚拟串口和串口服务器端的物理串口一一对应，相当于在计算机上添加了8个串口。完成串口服务器虚拟串口映射，通信链路连接正常后，可以根据指示灯的状态判断串口服务器和通信链路是否正常，串口服务器状态指示灯见表1。

表1 串口服务器状态指示灯

1.3 串口光电转换器

ZQZ-PT1通信转换器内部安装有8个串口光电转换器模块，模块一端与串口服务器的8个串口相连，另一端通过光纤与观测设备内部的串口光电转换器相连，实现了RS-232电信号与光信号的相互转换，两端的串口光纤转换器保证了观测设备和通信转换器之间可以使用光纤通信。

1.4 光纤交换机

在终端计算机端配备1个光纤通信盒，用于 ZQZ-PT1 通信转换器与终端计算机之间的光电转换。光纤通信盒内置4口的光纤交换机，与 ZQZ-PT1 通信转换器内部的光纤交换机型号相同，可以把备份计算机也接入交换机，在终端计算机出现故障时快速替换，也可在数据缺测时远程诊断故障。

1.5 串口服务器通信端口监控

MOXA的NPORT 5650-8-DT串口服务器提供Web，telnet console进行设置和访问服务功能，在浏览器中输入串口服务器IP地址，就可以对串口服务器进行相关配置，包括监控串口工作状态、远程故障诊断和网络安全管理等功能。

2 通信设备测试方法

2.1 光纤测试方法

可以用光纤测试仪器检测光纤中间是否断开和对光的衰耗是否达标。最简单的方法是利用手机的手电筒或激光笔对准ST接口尾纤的一端，通过在另一端能否看到光来判断光纤是否正常。主光纤也可以通过查看光纤交换机的光纤指示灯状态判断其是否正常[9-11]。

2.2 串口服务器测试方法

根据表1查看串口服务器的指示灯是否正常，用网线将笔记本电脑与串口服务器连接，在IE浏览器输入串口服务器IP地址就可以看到串口服务器的工作状态。短接Port1串口的Tx和Rx脚，再用串口软件打开串口检查其收发状态，依次测量串口服务器各物理端口，从而判断串口服务器是否正常。

2.3 串口光电转换器测试方法

在通电情况下，可以用ST接口的尾纤短接光串口光电转换器的光纤Tx、Rx接口，将串口光纤转换器的串口端Tx、Rx与RS-232的Rx、Tx相连，通过笔记本运行串口调试软件，输入字符串ABCD，若能接收到ABCD，说明串口光电转换器正常。

2.4 关键测试点

以ZQZ-PT1通信转换器与新型自动气象站的测试为例，在ZQZ-PT1通信转换器内完成对通信链路和设备的测试。

1)将测试点1，即串口服务器的RJ45端口，通过网线连接到笔记本电脑，利用串口服务器测试方法，判断串口服务器是否正常；

2)将串口光电转换器的串口转换线连接到计算机即测试点2，通过尾纤短接ZQZ-PT1 通信转换器的串口光电转换器上光纤接口Tx、Rx，即短接测试点1，通过串口软件收发状态可判断串口光电转换器是否出现故障；

3)在测试点2和串口光电转换器正常的情况下，在数据采集设备的机箱处用尾纤短接ST接口，即短接测试点2，通过串口软件收发状态可判断光纤到测试点2是否正常；

4)在测试点2，数据采集设备的机箱里将串口光电转换器串口的Tx、Rx用电线短接，即短接测试点3，可判断从测试点2到数据采集设备机箱里串口光电转换器的数据通信链路是否正常；

5)在测试点2，通过串口软件读取连接在通信链路上的观测设备数据，可判断观测设备是否发生故障。在串口服务器到室内设备都正常的情况下，在终端计算机可实现对通信链路的远程诊断。

3 通信部分常见故障及处理

可以按通信链路的设备测试故障，分为串口服务器、串口光电转换器、光纤交换机和光纤等；也可以按挂接在串口服务器的观测设备划分。故障处理按以下两类故障划分：1)单串口观测设备数据缺测，即新型自动站、辐射观测仪、降水现象仪、日照观测仪等观测设备的其中一项观测数据缺测；2)全部数据缺测，即挂接在串口服务器上的所有观测设备数据缺测。

3.1 单串口观测设备数据缺测故障处理流程

以新型自动气象站设备数据缺测为例分析单串口观测数据缺测，其他串口上的观测项目数据正常。因其他观测设备数据正常，可判断ZQZ-PT1通信转换器的串口服务器、光纤交换机、主光纤正常。则故障原因可能为：地面综合观测业务软件(ISOS)参数配置错误；虚拟串口软件串口配置错误；串口服务器的Port1串口故障；接入新型自动气象站设备的光纤故障。可按照以下步骤进行故障排查：

1)打开ISOS软件，检查挂载该观测设备的参数是否正常；

2)打开NPORT Administrator虚拟串口配置软件，检查该观测设备串口号和配置参数；

3)检查串口服务器Port1端口相应的InUse指示灯是否正常，测试新型自动气象站对应串口服务器的物理串口Port1和串口光纤转换器；

4)测试ZQZ-PT1通信转换器到观测设备端的光纤、串口光电转换器、观测设备是否正常。

3.2 全部观测设备数据缺测故障处理流程

全部数据缺测即挂接在串口服务器上的所有观测设备均发生数据缺测，故障原因可能为：计算机网卡故障或IP地址冲突；虚拟串口软件运行异常；光纤交换机故障；主光纤故障；串口服务器故障。可按照以下步骤进行检查：

1)检查终端业务计算机的网卡和IP地址是否正常，网卡通过网线与交换机连接，灯亮则正常，或打开备份计算机的ISOS软件查看数据采集是否正常；

2)打开串口调试软件，选择相应的串口号及串口参数后，向观测设备发送数据采集指令，若有观测数据并在串口服务器的监控网页中看到串口收发正常，则说明ISOS软件异常，重新安装ISOS软件；

3)打开NPORT Administrator软件查看虚拟串口是否正常，若异常，则需要重装驱动软件，然后配置虚拟串口，修改ISOS软件相关串口号及配置参数；

4)在终端计算机浏览器中输入串口服务器的IP地址，分别按照不能登录串口服务器和可以登录两种情况进行故障处理：

①不能登录串口服务器

首先检查网卡和交换机是否正常，计算机的IP地址要和串口服务器的IP地址在同一网段；

其次检查主光纤，室内外交换机光纤正常状态是Tx、Rx灯闪亮，若指示灯不亮，则用激光笔和手机的手电筒检查光纤是否正常；

最后检查ZQZ-PT1通信转换器是否正常：查看ZQZ-PT1通信转换器的串口服务器和交换机的状态指示灯是否正常。串口服务器出现故障的几率比较大，断电重启串口服务器，观察 PWR、Ready、Link、InUse 等指示灯，若指示灯不正常，则复位串口服务器，将串口服务器的RJ45端口通过网线接到笔记本电脑上，运行NPORT Administrator软件进行虚拟端口映射并配置串口服务器IP地址，打开串口调试软件，选择相应的串口号及串口参数后，向观测设备发送数据采集指令，若有观测数据则串口服务器正常，若没有接收到数据，则串口服务器损坏，更换串口服务器。

②可以登录串口服务器

在终端计算机查看串口服务器的状态监控网页判断串口是否正常，查看串口服务器的状态指示灯是否正常。断电重启串口服务器，观察 PWR、Ready、Link、InUse 等指示灯，若1个或多个指示灯不亮则复位串口服务器，重新配置业务计算机的虚拟串口和串口服务器的IP地址，使串口服务器正常；也可以参照串口服务器测试方法进行测试。

4 结束语

文章系统分析了地面气象综合观测系统通信部分关键设备和关键节点的故障测试方法，利用串口软件自发自收的方法逐步排除故障。详细分析了单串口观测设备数据缺测和全部观测设备数据缺测的故障处理流程，技术人员依据地面综合气象观测系统通信部分的故障处理方法，可缩短故障排查时间。

基于MOXA的NPORT 5650-8-DT串口服务器的地面气象综合观测系统，使用光纤通信进行数据传输可以很好地避免电磁干扰等意外情况发生，提高了观测系统的可扩展性、稳定性和可靠性。接入光纤交换机的计算机只需映射虚拟串口并安装ISOS软件，即可实现地面气象综合观测系统数据采集的多机备份，同时通过串口服务器的Web访问功能可实现观测设备的远程故障诊断，从而快速识别故障原因。