自动气象站无线通信技术的应用研究

摘 要：无线通信技术的发展和应用为自动气象站运行提供了有效的技术支持。为了充分发挥无线通信技术在自动气象站发展方面的作用和价值，实现自动气象站与无线通信技术在促进自动气象站发展方面的有机融合，全面提高自动气象站的智能化水平，阐述了自动气象站的发展现状，分析了自动气象站的运行原理，并针对通信技术在自动气象站中的应用问题，提出了相关的应用优化策略。

关键词：自动气象站；无线通信技术；应用原理

中图分类号：P415.12 文献标志码：B 文章编号：2095–3305（2024）07–0-03

当前，在我国综合气象观测业务发展过程中，自动气象站扮演着至关重要的角色，其在无线通信技术的支持下，能够通过区域气象监测网络的有效构建，实现对气候变化的实时监测，获取相关气象数据，进一步提高气象服务能力，加快气象观测业务现代化发展的进程。

1 自动气象站的发展现状

国家级自动气象站已经覆盖每个县级地区，每个自动气象站在运行过程中观测和采集数据的频率为1 min/次，将观测的数据向省级气象中心发送的频率为5 min/次，要想确保观测和采集的数据具有较高的全面性、完整性和准确性，需要确保自动气象站能够安全、稳定、良好地运行。这就需要各级气象部门严格落实自身的责任和义务，做好自动气象站的维护和管理工作。

起初自动气象站由发达国家率先探索，如M36型自动气象站由苏联所研制，AMOS-Ⅲ自动气象站由美国所研究，但当时受到相关技术条件的限制，自动气象站的结构简单、功能单一，无法实现长距离的气象数据传输，观测到的天气要素不够准确。随着科学技术的不断发展，更加完善、先进的自动气象站逐渐诞生，气象观测的精度不断提升，观察的气象要素越来越多，自动化观测水平也在不断提高[1]。

与发达国家相比，我国自动气象站虽然研究的时间相对较短，但发展速度较快，当前建立的自动气象站数量正迅速增加。建立的国家级自动气象站能够实现对相关气象数据信息的有效采集，并且采集的数据精度较高，可以满足国家气象组织的要求。未来还需要加大对自动气象站的研究力度和开发力度，弥补技术上的不足，不断改造自动气象站，缩短与世界先进水平之间的差距。

2 自动气象站的运行原理

2.1 自动气象站的系统组成

自动气象站主要由采集器、分采集器、传感器、通信模块4个部分组成。以上各部分之间的连接主要依靠电缆。一般自动气象站在运行过程中先会借助各个传感器实现对数据的采集，而采集器会收集采集好的数据，并对其进行有效的存储和处理。随后这些数据可以通过通信模块传输至分析显示终端。

总体来看，自动气象站由软件部分和业务硬件部分2个部分组成。其中，软件部分包括数据传输软件部分、地面测报业务软件部分、采集软件部分。业务硬件部分包括计算机部分、传感器部分、系统电源部分、采集器部分、通信接口部分。

整个自动气象站在运行过程中使用的主体系统也由分散式部分和总线式部分2个部分构成。分散式部分的主要作用是能够准确定位数据中心，并且能够在数据采集和处理的过程中实现对传感器信号的准确配置。总线式部分的主要功能是能够在总线上有效衔接各种模块的功能，同时能够通过总线功能的充分发挥，有效采集和处理相关的数据。

2.2 自动气象站的主要功能

第一，自动气象站具有观察数据气象值、采集气象数据的功能。正常数据的观察和采集由自动化气象系统中安装的传感器完成。传感器在运行过程中会基于气象要素对气压进行感应，并将其转换成电信号，随后由数据采集器进行处理，在处理过程中需要采集器控制好频率，从而获得相关的气象要素指标。

第二，自动气象站具有处理气象数据功能。在完成气象要素采集工作后，需要开展数据的运算处理工作，并转变采集到的数据和观测的气象值，如气温的采样值和观测值。在此过程中采用的数据处理运算方法有计数法、公式运算法和叠加运算法等。以上数据的运算和处理主要由采集器完成。自动气象站会将获取的相关气象数据信息有效传输至计算机终端，传输完成后，开展相关业务处理工作，并结合相关数据，根据气象部门的要求对气象报表进行科学、合理的编制，最后分发相关数据，并做好数据的储存工作。

第三，自动气象站具有存储数据的功能。一般在处理完相关的数据信息后，就可以获得各类观测值，随后需要根据相关的规定和要求有效储存相关的数据。在储存数据的过程中需要用到储存器，储存器通常分为容量内存器和大容量外接储存卡2个部分。自动气象站采集器会与储存卡进行外接，通过向计算机终端实时传输观测到的相关数据信息，进而实现对相关数据信息的观测和储存。

2.3 自动气象站的通信模块

一般自动气象站的硬件系统的通信模块主要分为有线数据传输部分和无线数据传输部分2个部分。其中，有线数据传输部分功能在运行过程中主要以RS-232串口通信方式为根据实现；无线数据传输部分的功能主要以GPRS DTU终端设备通信为根据实现。在通信模块运行过程中，应用比较广泛的串口通信接口标准主要有RS-242串口、RS-485串口、RS-232串口，且以上串口标准均由美国的EIA所制定。其中，RS-232串口在运行过程中，其接口连接到相关设备上，接口的传输距离一般保持在15 m，且它具有较高的可靠性，传输的线路也较少。

当前，部分县级地区在自动化气象站运行过程中在通信模块采用的传输模式主要是有线通信传输模式。RS-242串口主要涉及25针、15针、9针3种连接器，设计此通信电路的过程中可以使用RS-232中GND引脚、TXD引脚、EXD引脚。其中，GND引脚的定义是信号地；TXD引脚的定义是发送数据；EXD引脚的定义是接收数据。这些引脚能够在运行过程中实现上机位与下机位的有效通信。

3 无线通信技术在自动气象站中应用存在的问题

第一，网络故障。当前，无线通信技术和通信设备在自动气象站中的应用受相关因素的影响，如电压波动因素、雷击因素和其他外界因素等。若交换机在运行过程中发生故障，需要有效连接路由器端口与计算机。若交换机在运行过程中发生个别端口故障，需要拔出计算机端口插头，并与其他端口进行交换。若光纤收发器在运行过程中发生异常，需要在第一时间联系设备维护人员开展设备的故障检测工作。若台站的业务计算机在运行过程中发生故障严重影响气象站信息采集，或者系统在运行过程中遭受木马攻击和病毒攻击。从而威胁数据的安全性，工作人员需要在做好日常维护管理工作的同时，安装升级杀毒软件，检查网络运行情况，提升电脑操作技能。通信系统在运行过程中发生故障后，工作人员需要检查电缆和通信模块的运行状态，确保不存在任何问题后，需要检查窗口的隔离情况和业务软件的通信接口情况。若存在异常情况，需要将2个窗口隔离器去除，并对接2个隔离器。操作后即使系统能够正常传输，工作人员还需要向上级部门上报相关情况，以便安排专业人员对其进行有效维修。

第二，外界因素。随着观测自动化水平越来越高，其需要观测的数据类型也在不断丰富，此时自动气象站就需要布设更多的采集器，实现对数据的大量采集。而采集器在运行的过程中需要通过更多的电缆与传感器进行连接，错综复杂的电缆在运行过程中难免会受到外界因素的影响而出现故障[2]。出现故障的主要原因在于自动气象站建设的位置比较特殊，一般选择田间郊区，其周围比较空旷，受外界环境的影响较大，管理难度较高，再加上周围设置了大量的电缆，鼠类动物在活动过程中容易破坏电缆，加大通信系统发生故障的概率。当无法在短时间内有效处理以上故障并及时更换线路时，加上在更换过程中的操作比较复杂，一般会影响到自动气象站信息的接收和传输。

4 自动气象站运行过程中无线通信技术应用优化的策略

4.1 加强无线通信组网的优化

自动气象站通信模块在运行过程中采用的RS-232串口存在传输距离较短、投入的成本较高、维护较为困难、故障发生率较高等问题，无法满足现代化社会对气象观测的具体需求。为了解决以上问题，增强无线通信技术在自动气象站中的应用效果，需要在自动气象站硬件设计工作开展的过程中对RS-232串口进行扩展，GPRS DTU由于在运行过程中可以在运营网络的支持下开展无线距离的信息传输工作，有效实现数据无线传输功能。

通过对GPRS网络层次进行分析，可以将其分为3种：专有APN网络层次、固定IP网络层次、动态IP网络层次。动态IP网络层次是在互联网中接入动态IP。在该终端设备运行的过程中需要嵌入PPP拨号协议和TCP/IP协议2个协议，以便系统软件在嵌入式操作的支持下良好运行。同时，还需要将相关SIM卡插入设备中，并及时开通GPRS业务，方便自动化气象站在运行过程中开展远程无线气象数据采集工作。系统运行过程中，还可以在保持原有数据不变的情况下，以TCP/IP数据包的形式将终端设备提供的RS-232串口的原始数据进行转变。即使串口通信设备发生改变，GPRS DTU也能够连接到设备，为设备的永久在线提供了有效的支持。设备在运行过程中不仅可以实现短信自动连接功能，还可以实现上电自动拨号功能。

当前，自动气象站的无线通信流程如下。第一步，登录GPRS网络。第二步，通过发出PPP拨号请求，准确获得动态IP地址。第三步，通过向服务器发出GPRS网络拨号，获得准确的端口号和相关动态IP地址，并实时、准确地发出IP通信请求。第四步，等待服务器响应，并将其成功地连接GPRS DTU，确保通信状态的稳定性。第五步，GPRS DTU设备在TCP/IP包中封存采集的相关数据，并通过网络有效传输数据，完成远程通信任务和远程数据采集任务。

4.2 加强无线通信系统结构的优化

一般系统包括以下硬件采集层、终端处理层和远程访问层。第一层次，硬件采集层。它在运行过程中可以通过GPRS无线通信功能和RS-232串口通信功能，利用总线接口在自动气象站中接入多种气象信号。设置的相关地层设备会在通信协议的支持下准确采集气象站的相关要素信号，并向上层传输采集到的相关气象数据信息。

第二层次，终端处理层。它可以在发挥硬件采集层功能的基础上开展数据接收工作、数据分析工作和数据处理工作，并通过硬件系统传输数据，方便计算机对数据进行收纳。硬件系统通过与无线传输方式之间的对话以及与计算机串口之间的对话，借助计算机运行终端，不仅可以开展数据采集工作、数据处理工作和数据存储工作，还能够以动态化的方式显示数据动态模型，实时查询相关历史数据。同时，其可以在Web远程通信数据采集处理软件的支持下，优化终端处理层的信息交互功能，提升终端处理层的工作性能。

第三层次，远程访问层。也可以在发挥终端处理层功能的基础上有效处理整个采集系统的窗口。为了增强无线通信技术的应用效果，工作人员需要在该层构建的过程中加强对安全远程访问系统的应用和优化，确保系统安全稳定良好运行。

4.3 加强质检系统的优化

质检系统启动的重点在于整点定时器，当到达系统设定时间时，并且此时没有输入传感器信号，则会将程序启动，落实相关系统质检流程。一般会采用轮巡的质检流程，并在质检过程中根据质检变量值确定相应测量通道的顺序，开展有序的检查工作。

一般故障的判定流程如下：对相应的故障进行标识，将告警信息发送给上位机，系统恢复正常后会将故障标志进行清零。每完成一个通道的质检任务，自检系统中设置的质检变量会加1，当质检变量值超过5时，系统会开展自动清零工作，代表此次系统故障质检流程已经结束[3]。

随后，需要针对系统的测量误差开展相关实验分析工作，并向上位机发送测量的平均误差值，确保测量误差符合气象观测规范的要求。如温度测量的误差在气象业务规范中有明确规定，温度测量最大误差不超过0.2 ℃。又如在风速测量过程中，由于风速信号是一种高速脉冲，为了准确计算出脉冲频率，在计算过程中系统会采用微控制单元提供的外中断联合定时器，有效控制测量误差，确保其符合风速信号的测量精度需求。

4.4 加强无线通信系统的维护和管理

为了确保无线通信技术在自动气象站运行过程中发挥最大的作用和价值，提升自动气象站的运行效能，还需要加大对自动气象站无线通信系统的维护和管理力度。

首先，加大对采集器的检查力度，定期清理采集器，并检查计算机与采集器之间的连接情况。针对其中存在的气象数据异常情况，需要采取相关的措施进行及时、有效的处理。若没有及时、有效地解决和改善异常情况，工作人员需要及时开展复位操作。当前，在新型自动气象站运行的过程中，传感器作为重要部件，工作人员也需要加强对其的维护管理，如观察传感器的运行状态，定期清除传感器上的杂物和灰尘，了解传感器内部的湿度和内部的温度情况。

其次，加强对计算机的日常管理和维护，以免在计算机运行过程中发生病毒入侵情况，破坏资料的完整性。工作人员需要定期更新杀毒dOSxJqxDX1qVzvZig98tw9veP+2S7oqmmJxAKpV+2OQ=软件，为增强计算机系统运行的稳定性提供有效的保障。在做好内部系统和设备维护管理工作的同时，还需要做好周围环境的管理，以免老鼠啃坏电缆。当前，自动气象站运行过程中的无线通信功能也在不断地丰富、升级和改善，但在地下仍存在与自动气象站运行相关的管线，工作人员也需要采取相关的措施，加强对这些管线的维护和管理。

最后，在新型自动气象站运行过程中，工作人员还需要做好防雷工作，将机器装置安装在金属设备上，并且将相关避雷针分别设置在气象站的周围、计算机设备、网线和供电系统上，为通信网络的正常、稳定、良好运行提供保障。在宽带业务管理过程中，各成员需要发挥自身的作用和价值，共同努力构建良好的网络环境，降低无线通信故障发生的概率。

5 结束语

自动气象站的良好、稳定、安全运行离不开通信技术的支持。对此，相关人员需要加大对自动气象站通信系统的研究力度，充分发挥无线通信技术的作用和价值，进一步提高自动气象站的智能化水平，优化自动气象站的功能，确保其观测和获取的相关数据信息更加准确、全面、科学，降低误差发生的概率，促进我国气象事业稳定持续发展。

参考文献

[1] 罗俊伟，王建民.自动气象站雷电防护技术探析[J].农村实用技术，2020（5）：144.

[2] 陈国强，文斌青，张晓平.基于ZigBee技术的自动气象站数据无线传输研究[J].科技与创新，2023（20）：68-70，73.

[3] 范晓东，孟宪伟，王世臣.基于北斗卫星通信自动气象站数据传输系统设计[J].电子世界，2018（6）：49-50.