基于物联网技术的区域自动气象站供电系统改良方法研究

admin

物联网是下一代信息技术的重要组成部分，即利用各类信息传感设备，实时收集需要控制、联系、交互对象的所有数据，最终形成大数据产品或服务供企业和个人所使用的新一代信息技术。物联网技术是指将各类社会事物与互联网有机连接，以实现信息交流与通信，并进行应用程序的自动辨识、定位、跟踪、控制与管理的一门完整的信息网络科学技术[1-4]。

中国于1999年首次提出传感网概念，可看作物联网概念的雏形。随着信息产业的高速发展，到2010年物联网已成为国家重点发展的一项新兴产业。为了推动现阶段中国物联网产业高速发展，逐步形成物联网产业链，2011年国务院印发通知要求各省、市加快实现“三网融合”的战略布局，将信息技术产业、宽带信息网络融合到物联网技术中协同发展[5]。2021年，中国气象局明确提出信息化是当今世界经济社会发展的大趋势，也是推动气象信息事业高质量发展的重要力量。在云计算、物联网、移动互联、大数据等新技术的推动下，信息化正向“智慧”时代迈进。

1 区域自动气象站基本原理

区域自动气象站（以下简称区域站）设备主体主要由数据采集器、各类传感器（如温度、雨量、风向风速等）、供电系统、通信系统、气象数据管理应用终端、外围设备（PC、打印机）等部分组成，各部分硬件均采用模块化设计，供电、通信模块以及各类传感器均可与数据采集器进行快速插拔式桥接，方便设备保障人员维护维修[6]。供电系统作为区域站的重要部分，为区域站的正常运作提供电能保证，供电系统发生问题会直接造成区域站各感应器不能正常测量气象要素，也会干扰通信设备模块和中心站服务器的正常连接，造成应用终端不在线或无观测信息。区域自动站硬件结构如图1所示。气象部门可根据实际需求配置不同观测要素的区域站。确保站点正常运行的重要前提是有稳定且持续的供电，也就是站点布设地有良好的光照条件，以便将太阳能转化为区域站蓄电池中储存的电能。因此，供电系统运行正常与否直接影响气象观测数据传输准确率和传输及时率。

在区域站中，太阳能控制器的主要功能是合理控制太阳能板吸收转换的电流，在对蓄电池进行充电的同时为数据采集器等负载供电，使区域站能够正常运行。区域自动气象站供电系统工作原理如图2所示。

2 区域自动气象站供电系统存在的主要问题

目前，区域站主要采用太阳能和市电两种供电方式。由于区域站安装地一般在野外空旷的无人地带，一般情况下无法保证自动站安装地点有稳定的市电供应，因此，安装简单便捷且不受安装环境限制的太阳能光伏供电方式便成了最佳选择。结合日常工作统计发现，区域站供电系统容易出现的故障主要有以下几点：

由于野外的市电供应并不稳定，易受站点附近本地的电力环境因素和人为因素的干扰，故偶尔会发生供电电线因刮风而折断，或人为切断供电电源的情形。电压突然改变容易对区域站的设施产生破坏。

太阳能控制器是区域站供电单元的重要组成部分，其性能直接影响区域站储能蓄电池的工作寿命，太阳能控制器对区域自动站充放电进行统一控制；当出现采光环境不佳天气时，如连阴雨、雾霾沙尘天气，太阳能光伏板易出现电流输出不稳定现象，导致蓄电池电压不足，蓄电池处于亏电状态，此时自动站各系统设备工作异常甚至太阳能控制器处于失效状态，太阳能转换为电能的过程中电流大小无法得到有效控制，此时对蓄电池充放电，采集器运行均会造成异常影响。区域站太阳能控制器运行参数出厂时已经预设在内部处理器芯片中，确保太阳能控制器运行过程中不会出现因为站点环境的不同引起充电电流发生变化。然而，阳光的辐射强度、站点周边空气温度、空气相对湿度、站点周边遮盖物等自然环境条件随时会发生变化，因此存在低温寡照天气下蓄电池充不满和充电效率不够高等问题。

区域站基本上建设在环境条件恶劣的野外，常常要面对沙尘、高低温、潮湿雨雪天等极端天气原因导致的蓄电池正负电极极板硫化、电解液泄漏腐蚀硫化电极、电解液老化浮充等情况，同时因为蓄电池内部构造的特点，蓄电池在老化浮充时电池内阻会成倍增大，使锂离子电池的容量逐渐减少，可能出现夜间蓄电池充电不足无法持续为站点供电，导致自动站缺电关机的现象，尤其是冬季蓄电池“虚压”状态下过度放电，会极大地伤害蓄电池，缩短电池使用寿命[8-9]。

3 供电系统改造方法3.1 太阳能控制器改造

为了能够解决太阳能控制器存在的主要问题，引入物联网技术，设计基于物联网技术的太阳能控制器状态监测系统，对区域站供电系统的充电电流、电压状态进行持续全过程监测，从而判断自动站是否发生充电故障：将STM32单片机与传感器的采集模块进行连接。STM32单片机对采集到的太阳能控制器运行状态进行数据分析处理，并将处理的数据通过区域站通信系统传送至中心站服务器，供用户通过应用终端查询监测。太阳能控制器监控系统的硬件结构如图3所示[10]。

太阳能控制器状态监测系统可实现以下功能：数据接收；对用户应用终端各节点状态进行判断；数据的实时显示及报警；数据存储及数据查询。

3.2 蓄电池改造

蓄电池的功能主要是通过贮存太阳能光伏板产生的能量，以保证供电系统在光照条件不足的情况下向区域站设备正常供电。常见的储能蓄电池类型包括铅酸蓄电池、碱性蓄电池、三元锂电池等，用户可以根据具体需求来选择电池类型，石嘴山市当前区域站使用的蓄电池为铅酸蓄电池，储满电可在长期阴雨天气情况下保证区域站正常工作约15天[11]。

由于电池技术的革新与突破，锂离子电池问世，其卓越的特性在一定程度上打破了传统铅酸电池的使用局面，这是因为锂离子电池作为一类大容量的可充电蓄电池，自身拥有能量密度高、循环寿命长、自放电量小、无记忆效应、安全无污染等优点。调查发现目前在市面上使用最广泛的锂离子电池是磷酸铁锂电池和三元锂电池[12]。为了掌握不同类型蓄电池的性能差异，对目前市面上主流类型的蓄电池进行调查统计和性能对比，结果如表1所示。

（表1 光伏储能蓄电池性能对比，内容包含铅酸电池、氢镍电池、三元锂电池、磷酸铁锂电池在标称电压、循环频次、质量能量密度、价格、工作温度、安全性、环保性等方面的对比）

表1通过对不同蓄电池的主要技术参数进行了对比发现，虽然磷酸铁锂蓄电池的标称电压为3.2V，略低于三元锂电池标称电压3.6V，但三元锂电池充放电循环寿命却达到了2000次以上，远高于铅酸蓄电池和氢镍电池约500次的循环寿命，尽管磷酸铁锂蓄电池的能量密度不及三元锂电池，但由于磷酸铁锂蓄电池稳定性和安全性能良好，在综合性能上可位列全部四种电池的首位。在今后的气象观测业务中，气象部门可以考虑在确保区域站正常稳定运行的前提下，逐步将区域站中的贫液式阀控密封铅酸蓄电池更换为磷酸铁锂电池，延长区域站供电时间。虽然更换性能更好的蓄电池可以减轻业务保障人员的日常工作压力，但区域站供电系统出现故障时，保障人员仍处于较为被动的应对状态。随着物联网技术的不断发展，越来越多的自动站状态监视系统被应用到装备保障领域。利用自动站状态监视系统终端可以实现对自动站蓄电池设备信息、电流电压监测数据及设备保障维护全流程的精细化管理，显著提升设备保障运维工作的效率。

3.3 蓄电池设备数据采集系统设计实现

基于物联网技术的变电站蓄电池设备数据采集系统主要由设备监测层、数据通信层和业务应用层构成。

蓄电池设备数据监控系统实现以下功能：蓄电池状态监控；蓄电池异常状态检测；蓄电池异常状态报警；数据存储和数据查询[13]。

4 结束语

文章基于物联网技术对区域自动气象站的供电系统进行软硬件升级改造，得出的具体结论如下。

1）设计基于物联网技术的太阳能控制器状态监测系统，通过STM32单片机连接传感器的采集模块，对太阳能控制器运行状态进行数据分析处理，实现对区域站供电系统充电电流、电压状态的持续全过程监测，有助于保障人员第一时间掌握系统是否正常工作，便于及时开展设备维护保养工作。

2）研究表明，磷酸铁锂蓄电池稳定性和安全性能良好，综合性能超过铅酸电池、氢镍电池、三元锂电池。在今后的气象观测业务中，气象部门可以优先考虑在确保区域站正常稳定运行的前提下，逐步将区域站中的贫液式阀控密封铅酸蓄电池更换为磷酸铁锂电池，延长区域站供电时间。

3）设计基于物联网技术的太阳能控制器状态监测系统，便于用户实时了解太阳能控制器状态信息，增强了保障人员对蓄电池的远程监测能力，区域站点供电的稳定性也得到增强。

虽然本研究在一定程度上提高了保障人员对区域站供电系统的远程监测能力，但是在实际业务工作中仍存在一些不足与局限，需要在今后工作中不断优化完善。例如，太阳能控制器物联网化改造和蓄电池新设备更换后硬件之间、软硬件之间的兼容性，物联网设备的参数配置，以及系统运行的稳定性、可靠性等，还有待进一步深入研究。

参考文献：

[1]姜浩,黄玉学,薛佩珍,等.基于物联网技术的区域自动气象站供电系统改良方法研究[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！