兰州资源环境职业技术学院气象系甘肃省兰州市730021
摘要：现代化气象站的主要形式是自动化气象站，为确保其气象监测功能能够有效实现，提高数据采集的可视化水平最为关键。本文以自动化技术为基础，阐述了自动气象站可视化监控系统的总体设计方案。重点从软件设计、硬件设计、防雷设计三方面，阐明每一模块的设计方法，并通过分析调试与运行结果，证实系统的应用价值。
关键词：自动气象站；可视化监控；仿真分析
1引言
自动气象站作为地面气象观测的主要方式，改变了人工观测在时空密度和精确度方面的不足，提高了气象观测效率。气象站运行中，需采集的各种气象数据，受到阴雨雷电天气影响，数据采集稳定性难以保证。目前，自动气象站可视化监控方面还存在很多不足。首先，对气象站可视化监控的重要性认识不足。其次，集中于对气象观测场的全局监控，需要单独的电缆线和专门的控制中心，监控系统独立，成本较高。因此，从低成本、局部监控的角度出发，设计一种依附在自动气象站上面的可视化监控方案[1]。
2自动气象站可视监控系统设计方案
2.1整体方案的选择
根据上述对自动气象站可视化监控系统的要求，在自动气象站中加入可视化监控系统。整体方案如图1所示[2]：
图1整体方案2
2.2系统硬件设计
根据以上分析，设计自动气象站可视化监控系统由以下模块构成：
1）.气象要素传感器：包括温度传感器、气压传感器等，感知气象信息，并将其传输至系统当中。
2）.数据采集器：通过传感器，采集气象数据及信息。
3）.可视化监控模块：为降低设计成本，应选择功耗小、开发简单、性能稳定的监控设备作为主要设备。本文所选监控设备型号为C328，能够满足上述标准。
4）.通信模块：为数据及图像信息的传输提供路径。
5）.摄像头：是系统监控功能实现的辅助设备，可收集相应图像信息，以供有关人员检测气象站的运行情况。
2.2.1 LPC2387系统设计
1）.电源设计：可视化监控系统的运行，对电力资源的需求量较大。为确保系统能够稳定运行，本课题决定由气象站为系统提供电源，电源电压为12V。
2）.微处理器：将数字电源与模拟电源隔离，将旁路电容加至电源旁，以10uf与104并联。
3）.时钟设计：选取3个振荡器，用于设计时钟。不同振荡器功能不同，在各振荡器的共同作用下，频率的稳定性可有效提高。
2.2.2 电路设计
1）.通信电路设计：基于16C5550工业标准，设计异步串行口UART，能够有效提高通信的稳定性水平，避免通信中断。
2）.USB存储电路设计：基于USB3.0规范而设计，允许切换存储模式，支持存储数据的批量处理[3]。
3）.CAN总线电路设计：共设计电路通道2个，分别用于采集器及传感器两种装置局域网的控制。
2.3系统软件及驱动设计
2.3.1 系统软件设计
系统软件设计方法如下：
1）.设计μC/OS-2系统，提高多任务操作的实时性水平。
2）.将μC/OS-2系统移植到可视化监控系统当中，并对其进行剪裁，提高软件与系统的适应性。
3）.系统多任务划分方法：Data Send任务，功能在于发送数据。Processor任务，功能在于驱动C328。Command Rec任务，功能在于为系统下达数据处理命令。ME Data Rec任务，功能在于具体分析并处理相应气象数据。
2.3.2 驱动设计
系统采用分层思想进行设计，由设备层、驱动层、处理层和传输层构成[4]。设备层即C328是摄像头模块，利用它拍摄自动气象站传感器的运行状况；驱动层由三部分组成：热释电红外线传感器D203模块、主控芯片的RTC、上位机通过GPRS发送指令，作用是驱动处理层，控制C328模块；处理层由主控芯片LPC2387，并嵌入μC/OS-2操作系统等组成，实现设备层的控制以及数据的处理；传输层使用GPRS（H7118C）或RS485实现信息的无线传输及系统的外部控制。
2.4防雷电设计
自动气象站长期运行在户外空旷的地方，易遭受到直击雷和感应雷的冲击，为了保护自动气象站的设备及正常业务工作的运行，搞好自动气象站的防雷工作是非常必要的。自动气象站的防雷工作主要有设计共用接地系统、直击雷防护和感应雷防护。
系统防雷电设计方法如下：
1）.接地设计：本系统接地方法以完全接地为主，可有效防止感应雷及直击雷对系统性能产生影响。雷电与系统接触后，可随之泄入大地。接地地网由钢管、角钢及扁钢构成。钢管d≥50mm，厚度≥3.5mm。角钢体积≥50mm*50mm*50mm。扁钢面积≥40mm*4mm[5]。
2）.直击雷防护设计：以钢绞线作为引下线，与地面连接，连接处按照塑料管。钢绞线截面积≥25mm2。
3）.感应雷防护设计：避雷器U0=220V、In=10kA、Uc=320V、Up=1.0kV。防雷总线型号为RS485，U0=12V、Uc=15V。
2.5调试与运行
调试与运行方法：采用ADS1.2环境下的H-JTAG仿真软件调试：
1）.打开ADS1.2软件，进入程序编写模块编写程序。
2）.连接JTAG与PC机。
3.）打开H-JTAG，进行系统测试。
调试与运行结果：
1.）系统运行未见异常，发送拍照命令后，系统可实时执行，速度快，无通信质量问题。
2.）系统应用期间，共遇雷电天气10起，系统及气象站设备未见损毁，表明系统防雷电功能较强。
3总结
本文研究发现，可视化监控系统的应用，能够有效提高自动气象站运行的稳定性，对气象站防雷效果的改善，及数据采集故障发生几率的降低，具有积极意义。
参考文献：
[1]孟昭晖，李庆军.自动气象站综述[J].气象海洋水文仪器，2009，4：054-059.
[2]曾波.嵌入式气象数据采集系统的研究[D].武汉理工大学，2009.
[3]张小艳.基于嵌入式技术的存储系统的设计与实现[D].内蒙古大学，2011.
[4]赵淳.基于MATLAB实现ATP输电线路防雷仿真模型自生成的方法[J].第32届中国气象学会年会，2015.
[5]李雁.中国区域自动气象站运行监控系统建设[J].气象科技，2013.