自动气象站的发展与未来趋势的探讨

admin

1 引言

天气的变化一直是人们关注的焦点，但由于受到科学技术发展水平的制约，古人仅仅停留在对天气的定性认知，缺乏对大气的观测仪器，无法获得长期的气象观测资料。随着气象观测仪器和自动气象设备的出现，气象观测业务日臻完善。气象观测是气象工作的基础，为天气预报、气候统计和预测、气象专业服务等提供重要的数据支持，在人们的生活和经济建设中发挥重要的作用。

2 气象观测的发展概况

2.1 气象仪器的发明与气象台站的建立

从17世纪开始，科学家陆续发明了对温度、气压、湿度和风等进行观测的气象观测仪器，人们对气象的观测逐步进入定量的器测时代，其标志是1643年科学家托里拆利发明的水银气压表，以及后来科学家发明的液体温度表、雨量器、湿度表、风向风速仪器等。随着气象观测的逐步完善，同步开展气象观测，使观测的气象数据用于气候分析、天气预报等领域。19世纪60年代后，世界逐步建立了气象站网，气象观测业务逐渐成熟。我国在1872年建成的上海徐家汇观象台，是我国最早的气象台站。

2.2 自动气象观测设备的发展

随着电子技术的发展，20世纪20年代，世界上开始研制电子气象观测设备，标志着自动气象观测的开端。20世纪50年代，我国气象仪器生产单位开始研发自动气象观测设备，并形成自动气象观测产品。由于受到当时电子技术的限制，自动气象观测设备体型比较庞大，无法在实际气象观测业务中广泛运行。电子技术的迅速发展，大规模集成电路技术的提高，气象自动观测设备的微型化，使自动气象观测设备在气象观测业务中运行成为可能。随着自动观测产品的研发，更多的气象观测设备投入气象观测业务中。

自动气象站一般是指通过与气象要素相关的传感器连接，按照设定的要求，对各种气象要素自动进行采集、处理、存储和传输的气象观测电子设备，一般由传感器、数据采集器、主控微机、显示打印系统和供电系统等部分组成。我国自动气象站的发展，经历了第一代自动站和新型自动站两个阶段，现阶段我国气象观测业务运行的自动站主要是新型自动气象站。

3 自动气象站的特点与当前自动气象站的类型

3.1 自动气象站的特点

自动气象站将各要素传感器测得的量值以各种电信号（模拟信号和数字信号）的形式传入数据采集器，采集器对这些数据进行采集、存储和传输。传感器是能感受被测气象要素的变化并按一定的规律转换成可用输出信号的电子器件或装置，可分为模拟传感器、数字传感器和智能传感器三种类型，常见的传感器包括温湿度传感器、气压传感器、风向风速传感器和降水传感器等。数据采集器采集各传感器信号，对信号进行处理，并与主控机进行通信。主控微机接收数据采集器传送来的数据信号，并通过终端软件按地面气象观测规范的要求，实施地面气象观测业务工作。

3.2 自动气象站的优点

自动气象站的投入使用，极大地减少了观测人员的地面观测工作量，提高了观测时效和质量。自动气象站使气象要素的观测实现了连续观测，可以获得以分钟为单位的连续的观测数据，解决了人工观测的时间间隔过大，无法获取精确的连续观测资料的问题。自动气象站使气象数据观测的时间一致性极大提高，而在人工观测时代，观测的时间一致性一般会出现分钟级误差。自动气象站使气象观测数据的传输效率大大提高，使气象预报服务人员在短时间内即可获取各个气象台站的气象观测数据，进行气象预报结论的订正和决策服务的时效大为提高。自动气象站使人们开展气象观测的地域范围更加广泛，在人工气象观测时代无法开展的环境恶劣地区，如高山、沙漠、海洋等，均可以布设无人自动气象站开展观测，弥补了以前广大区域无气象观测资料的缺陷，使气象科研人员对大气科学的研究有了更加详细全面的资料。

4 目前气象业务运行中自动气象站的类型

目前，自动气象站结构主要有集中控制式（集散式）和总线式（分布式）两种体系结构。

4.1 集中控制式自动气象站

我国在2000年左右开始普及自动气象站，主要采用CAWS600自动气象站。CAWS600自动气象站采用集中控制式结构，通过以CPU为核心的采集器集中采集和处理分散配置的各个传感器信号。集中控制式自动气象站的各个气象要素的传感器通过线缆直接挂接在采集器上，由采集器对各传感器探测到的信号进行采集、计算、存储和传输。因采集器挂接传感器接口的数量有限，使自动站的拓展性受到限制，当传感器数量较多时，采集器可能没有更多的接口接入，同时在新增观测要素时，还需要修改升级采集器的底层程序，这些都对气象观测工作带来不便，制约着自动气象的功能拓展。集中控制式自动气象站结构图见图1。

4.2 总线式自动气象站

集中控制式自动气象站难以适应气象自动观测的发展，随着我国自动气象站技术的发展，气象台站基本已淘汰了集中控制式自动气象站，目前我国气象台站主要采用国产新型自动气象站。新型自动气象站是依据中国气象局监测网络司《第二代自动气象站功能规格书》要求，按照统一标准、统一功能、统一结构、统一方法、统一规范的设计思路，设计生产的一种高精度、高稳定、易维护、低功耗、易扩展和具有实时远程监控功能的新型自动气象观测系统，该新型自动气象站采用总线结构设计。

新型自动气象站的核心技术是基于控制器区域网（Controller Area Network，CAN）总线技术以及国际标准CANopen协议进行设计。电路设计中涉及物理层、数据链路层和应用层的标准定义，满足《第二代自动气象站功能规格书》中所要求的主/分采集器具备统一的物理接口和应用接口，并达到兼容、互换的目的。

集中控制式自动气象站的结构是主采集器通过外部总线挂接若干分采集器来采集和处理分散配置的各个传感器信号。总线式自动气象站克服了集中控制式自动气象站传感器挂接于采集器上而造成的拓展性不足的困难，采用主采集器和分采集器相配合的技术路线。分采集器通过CAN总线与主采集器进行挂接，主采集器不再挂接或少量挂接传感器，而传感器主要通过线缆与分采集器进行挂接，对气象要素的采集由分采集器完成。分采集器完成采集后生成短数据文件，传输至主采集器，主采集器进行全部数据的收集汇总。主采集器可以挂接多个分采集器，根据CAN总线电路设计特点，CAN总线电路可以挂接约110个设备，使得主采集器可挂接大量的分采集器，满足气象要素采集的需求。新型自动气象站不仅能够采集气压、温度、降水、风向风速、地温等常规气象要素，还包含了能见度、天气现象、日照、蒸发、冻土等更多气象要素的采集。总线式自动气象站结构图见图2。

5 下一代自动气象站的构架与自动气象站的未来模型展望

5.1 下一代自动气象站的构架

新型自动站的运行是我国自动气象站发展的一个新节点，其不仅在气象观测领域实现了主要自动观测设备的国产化，还克服了第一代自动气象站的缺陷，使自动气象站具有了极大的扩展性和灵活性，可以对更多的气象要素进行采集。在新型自动气象站的基础上，2015年前后，国内各大设备生产厂家提出了下一代自动气象站的概念，下一代自动气象站的主要特点为智能型传感器和基于ZigBee设备的无线组网传输技术。

ZigBee是一种低功耗、近距离、低速率、低成本的无线通信技术，非常适用于小型电子设备的无线控制指令传输。在自动气象站的应用中，通过ZigBee设备的搭建的无线通信网络，实现了各传感器通过ZigBee通信模块与主采集器的无线数据传输。其优点是ZigBee通信设备功率非常低，微型的太阳能板和低容量微型蓄电池即可满足其工作所需电能，实现设备微型化。ZigBee通信网络的搭建，使传感器与采集器之间的连接采用无线连接方式，在自动气象站的建设中省略了大量的连接电缆，避免了电缆连接的电器故障，以及建设和校准工作中电缆布设的烦琐工作。虽然该类型设备优点突出，但由于无线通信设备易于受到外部干扰，实际工作中并未推广，该类型设备仅仅在部分无人值守的自动气象站中运行。

基于智能测量仪型自动气象站也成为下一代自动气象站的发展方向，并于2019年在气象业务领域开展了部分设备的试运行。智能测量仪的结构为在传感器加载智能采集模块，完成对气象要素的测量，并通过无线或有线的方式传送至采集器。智能测量仪基本的功能主要为自处理、自适应、自校准、自诊断、自恢复和即插即用。智能测量仪对观测数据自动进行采集、运算、质量控制、存储和传输，通过自动校准策略确保电路输出的准确性，自动检测设备运行状态，开展设备计量检定、质量控制以及错误信息报警。该功能可根据气象要素的类别、特定的算法，判断所测量到的气象数据是否准确，对于异常的数据，根据数据的特征进行故障原因的判定，并通过报警信息传输给业务人员，便于业务人员的维修。智能测量仪与主采集器的连接实现了通用接口和自适应连接。有线连接采用标准的硬件接口，一般采用5芯航空电缆插头，其中含有通信接口和电源接口，插头的1端、2端为电源，引脚3端为TX，引脚4端为RX，引脚5端为RS232的GND。与主采集器通信通过标准的通信协议，并具有自动识别和适应的特点，即智能测量仪与主采集器的连接口次序不再定义要素的顺序，各智能测量仪可随意连接主采集器的采集接口，主采集器可自动识别出该气象要素的类别，进行气象要素的整理、存储和传输，极大地方便了自动气象站设备安装、更换、检定。

5.2 自动气象站的未来模型展望

自动气象站的发展、电子技术的进步与通信的发展密不可分，大规模集成电路的发展使自动气象站的体积大为缩小，使自动气象站在实际气象观测业务中使用成为可能。通信技术的进步使气象数据的传输更加快捷，传输的信息更加丰富。随着我国第五代移动通信技术（5th Generation Mobile Communication Technology）的发展，万物互联和万物智联的理念应用于各个行业，必将在自动气象站的发展中产生深远影响。随着5G技术的完善与推广，在低成本运营模式下，将推动自动气象站的发展，未来的自动气象站模型很可能是智能气象传感器通过5G通信与数据中心的直接互联模式，从而实现无主采集器的模式。未来的自动气象站也将融入人工智能技术，使气象要素数据质量大为提高。在未来的气象观测中，不仅包含各气象要素的数据，也包含图片、视频等资料。人工智能的应用，不仅能自动对采集到的气象要素进行质量控制，还可根据采集的实时天气图片、视频等信息，判断采集的气象数据的客观性和可信性，提高气象数据的质量。

结语

科技的发展促进了气象观测的自动化发展，从而使气象服务人员更快捷地获取更加详细的气象观测资料，为社会公众提供及时的气象预报预测服务，为人民的生活和经济发展提供有力的保障。在最近的30年间，我国的气象观测业务得到飞速发展，实现了从人工观测到自动观测质的飞跃。随着未来电子、网络的进步和人工智能技术的应用，以及未来新材料的发现应用，新型技术必将在气象自动观测工作中广泛应用，并将丰富气象资料的内涵，促进气象观测工作的开展。

参考文献：

[1]毛佩柱,毛智政,张凯越.自动气象站的发展与未来趋势的探讨[J].

声明：本文所用图片、文字均为转载，如有涉及作品版权问题，请第一时间告知，我们将根据您提供的证明材料确认并立即删除内容。本文内容系作者个人观点，不代表物联网123观点或立场。
特别提醒：物联网专业交流群欢迎物联网行业相关的人群加入，同时群内欢迎各路社牛、大咖、前辈加入，群内除了不能发敏感内容、色情内容，以及不太建议多次发送推广内容，其他内容皆可畅聊~——交流QQ群724511126，进群的朋友请备注：姓名-单位-研究方向（无备注请恕不通过），由编辑审核后邀请入群！