地面气象优要素智能采集技术研究及应用
前言
地面气象自动观测系统（AWOS－Automated Weather Observing System ）是用以代替人工进行大气要素测量的一类智能化设备的总称，它是传感器、计算机、网络、信息通信等多项技术发展的结晶。系统最基本的观测项目包括温度、湿度、气压、风向及风速和降水优要素。其核心技术是对地面气象优要素的智能采集技术。
AWOS系统的设计与制造不仅涉及的技术领域十分广泛，如传感器技术、数据采集技术、信号传输及抗干扰、数据处理及传输、数据及图形显示、雷电防护技术、无线电和抗干扰、计算机软件及数据库、无线电发射及接受、自动语音实时播报及有效预报、相关资料共享的计算机网络系统等等。根据上述可知，该系统要求掌握的技术多，本文对AWOS系统的传感器技术、数据采集技术、信号传输及抗干扰、数据处理及传输、数据及图形显示技术进行了研究并将其应用到具体的教学实践中。为气象数据采集实验室建设打下良好的基础。
第一章 绪论
1.1引言
WMO 1981《气象与仪器观测方法指南》将自动气象站（Automatic Weather Station）定义为“在这种站上，仪器自动地观测，发送或记录观测数据，如果需要，可直接或在编辑站转换成电码形式。”使用自动气象站是为了提高地面气象观测资料的时空密度和可靠性，从而提高天气预报的技术水平和天气监测与气象保障的能力。鉴于我国技术水平和配套能力的不断提高，目前已经基本具备自行研制生产的条件，为了使得地面气象优要素测量结果更稳定可靠，本文对地面气象优要素智能采集技术进行了研究并将其应用与实验室建设。
本人在该试验板设计中担任一些设计工作，相在将自己的一些体会总结如下，恳请各位老师和专家不吝赐教。
1.2地面气象优要素采集技术的发展
十七世纪40年代，出现了一系列定量测量地面气象要素的仪器（1643年托里拆利发明了水银气压表），在气压表的出现前后，出现了一系列的测量地面气象要素的仪器开始应用，如：液体玻璃温度表，雨量器、毛发湿度表、风杯风速计等。但是当时测量地面气象优要素主要是通过人的介入进行观测。
二十世纪20年代，无线电技术的应用和发展，出现了无线电探空仪，从而拉开了使用自动气象观测取代人工观测的序幕。
随着测量测量仪器的发展以及半导体技术的发展，低功耗电子设备的性能不断得到改善，使得在严酷的气候条件下，也能保障各个气象要素观测的准确性和可靠性。这样便出现了较为简单的自动气象观测站，当时的自动气象观测站也就是本文介绍的地面气象优要素智能采集技术。
二十世纪九十年代以来，随着电子技术的不断发展，尤其是微型计算机技术的普遍和应用，气象自动观测与其他电子设备一样得到了快速发展。在此期间，发达国家开始广泛地建立地面观测自动气象站网。以美国为例，AAI/SMI公司生产的自动气象观测系统1991年起投入业务化使用。并获得成功推广。到1993年6月已有近300套系统在美国各州的机场和气象台站内安装，至1997年已与有关部门签订超过1500套大型系统的生产和安装合同。自动观测系统迅速取代传统的气象观测，成为现在观测的主流。
我国对自动气象观测系统的研究起步比较晚，目前已经可以制造自动气象观测系统西，性能稳定，但是价格还是很高，对于局部区域而言，还是有一定的限制。但是随着我国国民经济的迅速发展，各个领域对自动气象系统的需求明显增加。对于局部区域而言，仅仅只需要观测对气象优要素的观测，而不需要对其他的要素进行观测，采用国内或者国外的相关产品，价格及其昂贵，因此对地面气象优要素智能采集技术研究具有重要的社会意义与经济价值。
1.3地面气象优要素智能采集系统 第2页的基本构成及各部分的简单工作原理
1.3.1系统的基本构成
图1-1地面气象优要素智能采集系统 第2页构成
传感器采集地面气象优要素，并将其转换成相应的电信号，并通过一定的数据采集方式转换为数字信号，对该信号进行进一步处理，生成适合传输的信号，并通过信号传输通道传入微处理器（MPU），微处理器通过对传感器所传入的信号进行检测、筛选、分类、处理及加工，最终在液晶显示器上显示。
1.3.2传感器
传感器是整个自动观测系统的眼睛、是信源，传感器对地面气象要素的检测质量决定了系统观测指标的上限。因此从某种意义上说，地面气象优要素智能采集系统 第2页本身是一种具有优要素测量功能的、高度集成化的智能传感设备。所以说传感器是该系统的基础，为了构筑性能优良的智能采集系统，必须首先对所需要的传感器进行深入的研究。下面我们对该系统中所使用的传感器作概括性的介绍。
地面气象优要素智能采集系统 第2页所使用的传感器，从本质上讲，可视为某种信号转换器，即将各种气象要素信息，如：温度、湿度、压力、风向、风速以及降水量转换成相应的电信号。该系统所使用的传感器，主要有以下几种类型：
1） 温度传感器
温度的测量通常采用铂金属温度传感器。它是利用金属导体的电阻随温度的变化而变化的原理制成的。通过电桥精确检测出测温金属元件在该温度下的电阻值，从而反演出相应的温度。
2） 湿度传感器
湿度传感器目前采用的大多是高分子薄膜湿敏电容作为敏感元件，其电容随空气湿度的变化而变化。
3） 压力传感器
气压传感器目前采用大多是电容式金属膜盒、硅单晶膜盒以及硅单晶压敏片等作为气压敏感元件，这些敏感元件的示值随气压变化而不同。
4） 风向、风速传感器
风向风速传感器一般采用采用风杯式风速计和带尾翼的风向标。风杯风速仪是利用风力推动风杯使得转动轴转动，通过检测转动频率来测量风速的大小；风向标是利用固定在风标转动轴上的编码盘生成相应的电信号，来反演出相应风向大小。目前也可以采用硅压阻测风。
5） 雨量传感器
目前通常使用翻斗式雨量计作为雨量传感器，使用脉冲计数装置来确定雨量的多少。
1.3.3智能采集数据处理系统
智能采集数据处理系统（广义信息处理系统的概念）是将各类实测的气象要素进行采集、检验、加工、处理、存储，形成符合相应规范的、用户所需要的气象产品（包括各类使用参数、网络参数、报文、广播等）；长期存储的原始资料和有关的参数；对系统故障进行诊断与报警；允许用户对系统进行设置和必要的检测和文护。
1.3.4显示系统
显示系统的用途是让采集系统生成的有关气象数据或信息进行显示，使用户可以方便、直观、清晰的看到或使用这些数据。
1.4设计过程中应该考虑的一些问题
1.4.1方案设计所应遵循的几点原则：
1） 满足系统的性能及可靠性要求；
2） 采用模块化设计硬件和软件，是系统具有良好的扩展性，可根据具体用户的不同需要进行合理的系统配置；同时使得系统的文护和管理简便；
3） 采用成熟技术的同时，对一些新的技术进行研究；
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