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[摘 要]自动气象站数据采集器能够对周围气象要素进行实时监测，并且能够将抽象复杂的气象数据通过特定的处理简单易懂的呈现在计算机显示器或其它智能终端设备上，同时由于高山上的气候条件相对比较恶劣，如何克服恶略环境对气象站正常运行的影响已得到精确的气象预测信息是气象工作人员面临的巨大挑战。笔者从现代自动气象站的工作原理角度入手，并结合自动气象站的功能模块组成以及数据采集器系统性能对高山自动气象站数据采集器软件与硬件设计进行深入研究，对我国自动气象站数据采集器研发以及数据的传输奠定一定的理论与现实基础。
[关键词]自动气象站；数据采集器；工作原理；数据传输；设计分析
中图分类号：TP274.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）08-0240-01
引言
现代气象部门广泛采用的自动气象站数据采集器主要是基于单片微型计算机以及各种复杂、高度集成的控制电路构成，不仅具有较高的系统兼容性与可操作性，同时高度集成的控制电路与各功能模块的总线结构使得系统的体积大大减小，而系统安全稳定性大大提高。随着现代航空航天技术快速发展，航空航天器的发射需要更加科学、精确的气象预报，这就对自动气象站数据采集系统研究与传输方式提出更高的要求。
1 自动气象站工作原理
1.1 高山自动气象站组成结构
自动气象站主要由各类传感器、数据信息采集器、电源系统设备、数据缆线端口等几部分构成，能够对气象站系统周围空气中温度、湿度、气压等数据信息进行收集计算、分析处理、储存传输等工作，是现代气象简册部门最为常见的系统。传感器就是对周围环境中的温湿度、气压等各类气象信息数据转化成为单片微型计算机系统中的数据采集器能够兼容的数字量、电信号、模拟值等，使计算机系统数据采集器便于对气象信息进行分析与处理；数据采集器主要功能是对传感器采集的气象数据进行特定的分析处理，然后将处理结果或利用计算机互联网以及无线方式发送给特定的用户或进行自我存储。自动气象站的广泛应用与普及不仅能够在一定程度上消除某些气象人员观测误差、大大降低气象工作人员的劳动量，更是我国气象监测工作与国际接轨，实现自动化、现代化的必然要求。
自动气象站可分为集散式和总线式两种系统架构，集散式主要是以核心单片微型计算机为主，兼容数据采集器并将气象数据的采集与分析处理分散开来的一种系统架构模式，目前这种集散式架构为气象监测部门广泛采用；另外一种总线式架构主要特点是运用光缆将各个传感器端口进行纵向连接，能够同时对所有数据采集器采集的数据进行分析处理，该系统架构具有集成度高、设备组成简单，耗能小、效率高等优点，是未来自动气象站数据采集器系统设计的趋势。
1.2 高山自动气象站数据传输结构
按照通信数据传输结构组成部分，可分为终端设备、传输设备以及交换设备，数据传输是在信号采集完成后才进行的一项操作。数据传输是将传输的数据信息进行抽样、量化以及编码，最后以帧的形式在传输信道内将传输的数据信息发送至接收设备。数据信息是按字节进行计算，每个字节包含8bit，抽样阶段将原有传输的模拟信号转变成数字信号，减少数据信息的失真。量化阶段是数字基带信号码型转换的过程，通常是以矩形脉冲为单变量进行调节，良好的数字基带信号必须要携带同步定时信息，这样在传输过程中才能完成双工信息的传递。数据传输的完整性还与天线的覆盖角度有关，例如：2009年深圳气象局在大梧桐安装了一套自动气象站，主要目的是用于对大气温度、相对湿度、风速、风向、雨量、气压等常规要素进行全天候现场监测。设备接收原理是在该气象站里面装载了移动SIM卡，利用GPRS数据业务服务来传送数据流量，由于气象站建在大梧桐高山上，接收天线能收到四面八方的信号（高层干扰，无主覆盖小区），对数据接收产生了很大的影响。经实地现场勘察发现，梧桐山上距离气象站最近的基站约有1.2公里，位于小梧桐，但没有一个小区是正对山顶覆盖的，经深化研究，最终把小梧桐山基站八木天线M1的方向角度由100°调整为60°，来作为气象站的主覆盖小区，调整后效果显著。
2 高山自动气象站数据采集器软硬件设计分析
高山自动气象站的运行环境异常恶略，因此为保证气象站能够安全高效运行不仅需要对安装位置具有较高要求，同时还需要对系统内部功能模块与各类精密元器件进行深度优化。
2.1 自动气象站数据采集系统硬件设计
由于自动气象站数据采集器的外置传感器需要对各类复杂气象要素如温度、湿度、气压、雨雪量等数据进行采集，同时采集的数据信息还需要通过采集器通过特定的数据库程序进行模拟数字信号、电信号的转化，最终得到智能计算机系统能够识别的数据信号，因此系统硬件设计主要依靠信号流通线路选择器将各传感器采集的第一手数据信号流进行初步的筛选，保证气象数据通过特定的信息流通通道进行传输。信号通道选择器主要由信号模拟控制电路、信号筛选过滤电路、数字模拟信号转换电路以及系统功能复位电路等各类复杂电路组成。这种设计能够在满足工作性能要求的前提下大大降低系统的复杂程度。
2.2 自动气象数据采集系统软件设计
根据自动气象站数据采集系统硬件架构以及功能模块要求，系统软件的架構设计要分别针对不同功能模块如数据采集功能模块、信号筛选功能模块、人机交互界面功能模块、数据存储与系统运行记录模块、传感器功能模块等进行对应设计。
数据采集功能模块软件程序主要是对传感器采集的气象数据进行特定标定，通过信号光缆将数据输入采集器数据处理系统即单片微型计算机进行处理；信号筛选功能模块能够对采集的复杂气象数据信号流进行特定甄别与过滤，通过特定信号光缆进行传输，避免信号传输过程中相互抵消或者干扰；人机交互界面不仅能够将抽象的气象数据信息通过显示器呈现出直观易懂的气象信息，同时设备操作人员还能够对不同功能模块的具体功能参数进行科学合理调配，以获得更加科学、精确的气象信息作出准确的气象预报；数据存储与系统运行记录模块能够对系统处理的气象信息有针对性地进行存储，同时还能够对系统运行过程中的各种复杂情况进行记录，以便专业设备维护与维修人员能够快速找到事故原因并予以排除。只有各功能模块硬件与软件相互协调工作，才能保证自动数据采集系统安全平稳运行，保证采集的气象数据信息科学、准确。
3 结语
随着科学技术的飞速发展，现代人们日常生产与生活对气象信息与气象预报的科学性与精确度提出了更高的要求，气象部门与现代航空、航天、农业生产变得更加紧密，因此如何以创新式思维设计出更加安全、稳定、高效的新一代自动智能化气象站数据采集系统是当下气象科技工作者面临的巨大挑战。
参考文献
[1] 宽久，迟宗正，西方.嵌入式软硬件低功耗优化研究综述[J].计算机应用研究，2010，27（2）：423-427.
[2] 叶小岭，杨大红，周金兰.基于CAN总线的自动气象观测系统设计[J].自动化与仪表，2009，24（9）：19—21.
[3] 昭回，李庆军.自动气象站综述[J].气象水文海洋仪器，2009（4）：54—59.
[4] 王福瑞.单片微机测控系统大全.北京：北京航空航天大学出版社.1992.12.
[5] 聂毅.单片机控制的水位与降雨量监测系统[J].微计算机信息，2003，19（04）：37—39.
[6] 郭锡钦.曾书儿.王金钊.自动气象站的动态试验及其测量准确度.应用气象学报.第五卷第二期.1994.5.
[关键词]自动气象站；数据采集器；工作原理；数据传输；设计分析
中图分类号：TP274.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）08-0240-01
引言
现代气象部门广泛采用的自动气象站数据采集器主要是基于单片微型计算机以及各种复杂、高度集成的控制电路构成，不仅具有较高的系统兼容性与可操作性，同时高度集成的控制电路与各功能模块的总线结构使得系统的体积大大减小，而系统安全稳定性大大提高。随着现代航空航天技术快速发展，航空航天器的发射需要更加科学、精确的气象预报，这就对自动气象站数据采集系统研究与传输方式提出更高的要求。
1 自动气象站工作原理
1.1 高山自动气象站组成结构
自动气象站主要由各类传感器、数据信息采集器、电源系统设备、数据缆线端口等几部分构成，能够对气象站系统周围空气中温度、湿度、气压等数据信息进行收集计算、分析处理、储存传输等工作，是现代气象简册部门最为常见的系统。传感器就是对周围环境中的温湿度、气压等各类气象信息数据转化成为单片微型计算机系统中的数据采集器能够兼容的数字量、电信号、模拟值等，使计算机系统数据采集器便于对气象信息进行分析与处理；数据采集器主要功能是对传感器采集的气象数据进行特定的分析处理，然后将处理结果或利用计算机互联网以及无线方式发送给特定的用户或进行自我存储。自动气象站的广泛应用与普及不仅能够在一定程度上消除某些气象人员观测误差、大大降低气象工作人员的劳动量，更是我国气象监测工作与国际接轨，实现自动化、现代化的必然要求。
自动气象站可分为集散式和总线式两种系统架构，集散式主要是以核心单片微型计算机为主，兼容数据采集器并将气象数据的采集与分析处理分散开来的一种系统架构模式，目前这种集散式架构为气象监测部门广泛采用；另外一种总线式架构主要特点是运用光缆将各个传感器端口进行纵向连接，能够同时对所有数据采集器采集的数据进行分析处理，该系统架构具有集成度高、设备组成简单，耗能小、效率高等优点，是未来自动气象站数据采集器系统设计的趋势。
1.2 高山自动气象站数据传输结构
按照通信数据传输结构组成部分，可分为终端设备、传输设备以及交换设备，数据传输是在信号采集完成后才进行的一项操作。数据传输是将传输的数据信息进行抽样、量化以及编码，最后以帧的形式在传输信道内将传输的数据信息发送至接收设备。数据信息是按字节进行计算，每个字节包含8bit，抽样阶段将原有传输的模拟信号转变成数字信号，减少数据信息的失真。量化阶段是数字基带信号码型转换的过程，通常是以矩形脉冲为单变量进行调节，良好的数字基带信号必须要携带同步定时信息，这样在传输过程中才能完成双工信息的传递。数据传输的完整性还与天线的覆盖角度有关，例如：2009年深圳气象局在大梧桐安装了一套自动气象站，主要目的是用于对大气温度、相对湿度、风速、风向、雨量、气压等常规要素进行全天候现场监测。设备接收原理是在该气象站里面装载了移动SIM卡，利用GPRS数据业务服务来传送数据流量，由于气象站建在大梧桐高山上，接收天线能收到四面八方的信号（高层干扰，无主覆盖小区），对数据接收产生了很大的影响。经实地现场勘察发现，梧桐山上距离气象站最近的基站约有1.2公里，位于小梧桐，但没有一个小区是正对山顶覆盖的，经深化研究，最终把小梧桐山基站八木天线M1的方向角度由100°调整为60°，来作为气象站的主覆盖小区，调整后效果显著。
2 高山自动气象站数据采集器软硬件设计分析
高山自动气象站的运行环境异常恶略，因此为保证气象站能够安全高效运行不仅需要对安装位置具有较高要求，同时还需要对系统内部功能模块与各类精密元器件进行深度优化。
2.1 自动气象站数据采集系统硬件设计
由于自动气象站数据采集器的外置传感器需要对各类复杂气象要素如温度、湿度、气压、雨雪量等数据进行采集，同时采集的数据信息还需要通过采集器通过特定的数据库程序进行模拟数字信号、电信号的转化，最终得到智能计算机系统能够识别的数据信号，因此系统硬件设计主要依靠信号流通线路选择器将各传感器采集的第一手数据信号流进行初步的筛选，保证气象数据通过特定的信息流通通道进行传输。信号通道选择器主要由信号模拟控制电路、信号筛选过滤电路、数字模拟信号转换电路以及系统功能复位电路等各类复杂电路组成。这种设计能够在满足工作性能要求的前提下大大降低系统的复杂程度。
2.2 自动气象数据采集系统软件设计
根据自动气象站数据采集系统硬件架构以及功能模块要求，系统软件的架構设计要分别针对不同功能模块如数据采集功能模块、信号筛选功能模块、人机交互界面功能模块、数据存储与系统运行记录模块、传感器功能模块等进行对应设计。
数据采集功能模块软件程序主要是对传感器采集的气象数据进行特定标定，通过信号光缆将数据输入采集器数据处理系统即单片微型计算机进行处理；信号筛选功能模块能够对采集的复杂气象数据信号流进行特定甄别与过滤，通过特定信号光缆进行传输，避免信号传输过程中相互抵消或者干扰；人机交互界面不仅能够将抽象的气象数据信息通过显示器呈现出直观易懂的气象信息，同时设备操作人员还能够对不同功能模块的具体功能参数进行科学合理调配，以获得更加科学、精确的气象信息作出准确的气象预报；数据存储与系统运行记录模块能够对系统处理的气象信息有针对性地进行存储，同时还能够对系统运行过程中的各种复杂情况进行记录，以便专业设备维护与维修人员能够快速找到事故原因并予以排除。只有各功能模块硬件与软件相互协调工作，才能保证自动数据采集系统安全平稳运行，保证采集的气象数据信息科学、准确。
3 结语
随着科学技术的飞速发展，现代人们日常生产与生活对气象信息与气象预报的科学性与精确度提出了更高的要求，气象部门与现代航空、航天、农业生产变得更加紧密，因此如何以创新式思维设计出更加安全、稳定、高效的新一代自动智能化气象站数据采集系统是当下气象科技工作者面临的巨大挑战。
参考文献
[1] 宽久，迟宗正，西方.嵌入式软硬件低功耗优化研究综述[J].计算机应用研究，2010，27（2）：423-427.
[2] 叶小岭，杨大红，周金兰.基于CAN总线的自动气象观测系统设计[J].自动化与仪表，2009，24（9）：19—21.
[3] 昭回，李庆军.自动气象站综述[J].气象水文海洋仪器，2009（4）：54—59.
[4] 王福瑞.单片微机测控系统大全.北京：北京航空航天大学出版社.1992.12.
[5] 聂毅.单片机控制的水位与降雨量监测系统[J].微计算机信息，2003，19（04）：37—39.
[6] 郭锡钦.曾书儿.王金钊.自动气象站的动态试验及其测量准确度.应用气象学报.第五卷第二期.1994.5.