CAWS600型自動氣象站RS232通訊改造為光纖通訊的效率比較

張朝昌，高艷倫，景安華　(.山東省菏澤市氣象局，山東菏澤 74000；．山東省定陶縣氣象局，山東定陶 7400)

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CAWS600型自動氣象站RS232通訊改造為光纖通訊的效率比較

張朝昌1，高艷倫2，景安華1(1.山東省菏澤市氣象局，山東菏澤 274000；2．山東省定陶縣氣象局，山東定陶 274100)

摘要在CAWS600型自動氣象站RS232通訊改造為光纖通訊的背景下，以山東省菏澤市7個氣象站點為例，對采用光纖傳輸方式和電纜傳輸方式自動氣象站監(jiān)控軟件記錄數(shù)據(jù)進行比較，分析其運行日志文件記錄的不成功次數(shù)、完成時間的平均值、極差、標準差。結(jié)果表明，光纖傳輸較電纜傳輸在自動氣象站的運用中更為穩(wěn)定，更能及時、準確、穩(wěn)定地將氣象資料從采集器中傳輸?shù)接嬎銠C中，提高了自動氣象站數(shù)據(jù)記錄的效率和穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞自動氣象站；電纜傳輸；光纖傳輸；記錄分析

Comparison of Efficiency of RS232 Communication Transformed into the Optical Fiber Communication in CAWS600 Type Automatic Weather Station

ZHANG Chao-chang1, GAO Yan-lun2, JING An-hua1

(1. Heze City Meteorological Bureau in Shandong Province, Heze, Shandong 274000; 2. Dingtao County Meteorological Bureau in Shandong Province, Dingtao, Shandong 274100)

AbstractUnder the background of RS232 communication transformed into the optical fiber communication in CAWS600 type automatic weather station, with 7 weather stations in Shandong Province as example, the data of automatic weather station monitoring software was compared with the optical fiber transmission mode and cable transmission mode, the unsuccessful times, average completion time, range and standard deviation were analyzed. The results showed that optical fiber transmission is more stable than cable transmission in automatic weather stations, which can transfer meteorological data from collector to computer more timely, accurate, stable, thus improve the stability of automatic weather station.

Key wordsAutomatic weather station; Cable transmission; Optical fiber transmission; Record and analysis

自動氣象站采集的氣象資料要準確、及時地傳遞到信息中心，在這個過程中采集的氣象數(shù)據(jù)要正確、穩(wěn)定、及時地從采集器中下載到值班計算機中，才能進一步處理，這是保證設(shè)備穩(wěn)定運行率、到報率、數(shù)據(jù)可用率的前提。目前CAWS600自動氣象站采集器至計算機采用RS232通信口通過串口隔離器和四芯電纜傳送[1]，傳輸質(zhì)量易受采集器或計算機接地不良、強干擾源、電壓不穩(wěn)等影響。隨著技術(shù)的發(fā)展，光纖傳輸應用更為普遍。光纖傳輸具有成本低廉、適應性好、擴展性好、易于維護等特點[2]。菏澤市通過先試點再推廣的方式將全部CAWS600自動氣象站的傳輸方式更換為光纖傳輸，筆者對更換前后的相關(guān)記錄資料進行分析，探討光纖傳輸應用于自動氣象站的優(yōu)勢。

1自動氣象站電纜傳輸轉(zhuǎn)換為光纖傳輸方法

光纖轉(zhuǎn)換器采用MOXA TCF142系列的串口轉(zhuǎn)光纖轉(zhuǎn)換器，具備轉(zhuǎn)換串口(RS-232或RS422/485)及光纖(多模或單模)訊號的能力。CAWS600氣象站DT50/500數(shù)據(jù)采集器RS232通信口接九針的COM接頭，焊接4、3、1，用三芯電線連接光纖轉(zhuǎn)換器的Tx、Rx、GND端，采集器端光纖轉(zhuǎn)換器電源可用DY01(DY03)電源版12DV提供；值班室主機連九孔的COM口，焊接2、3、5，三芯電線連接光纖轉(zhuǎn)換器Tx、Rx、GND端，采集器到值班室兩光纖轉(zhuǎn)換器間用光纖Tx、Rx端交叉連接，光纖轉(zhuǎn)換器跳線采用1 on，2、3、4 off。

圖1　光纖轉(zhuǎn)換器圖示Fig.1　Optical fiber converter icon

2電纜傳輸方式改造為光纖傳輸方式效果分析

2.1選擇分析的數(shù)據(jù)為了分析更換傳輸方式后對自動氣象站傳輸穩(wěn)定度、反應速度、系統(tǒng)穩(wěn)定度、資料完好度的影響，對SAWSS運行時自動記錄運行日志進行分析，該文件名為OSSMO 2004目錄下 log子目錄下LOG文件，其內(nèi)容有以下幾類：系統(tǒng)啟動、系統(tǒng)退出、分鐘數(shù)據(jù)下載、正點數(shù)據(jù)下載、獲取采集器時間、數(shù)據(jù)下載不成功及相關(guān)審核信息[3]。從中挑出與自動氣象站傳輸穩(wěn)定度、反應速度、系統(tǒng)穩(wěn)定度、資料完好度有關(guān)的項目進行列示。

2.1.1啟動和退出次數(shù)差。正常情況下，重啟計算機或重啟軟件，軟件應在日志內(nèi)記錄關(guān)閉和啟動一次，軟件正常退出時啟動與關(guān)閉的次數(shù)是相等的，除非軟件讀取缺誤陷入死鎖、強制退出或計算機直接斷電，則導致軟件記錄在日志內(nèi)啟動次數(shù)大于關(guān)閉次數(shù)。將分析時間段內(nèi)相應的啟動和退出次數(shù)統(tǒng)計后取啟動與退出的差值，計算異常退出的次數(shù)，從而反映出軟件與硬件配合的整個系統(tǒng)運行穩(wěn)定度。

2.1.2正點數(shù)據(jù)下載。正常情況下，SAWSS在正點后10 s開始讀取采集器處理好的正點數(shù)據(jù)[3]，寫入數(shù)據(jù)文件和上傳數(shù)據(jù)文件中，并在日志中記載時間。因為程序定時下載其寫入日志的時間相對固定，記載的時間反映出正點數(shù)據(jù)自采集器到計算機傳輸穩(wěn)定度、采集器反應速度和下載資料完好度。

2.1.3分鐘數(shù)據(jù)下載。正常情況下，下載了正點數(shù)據(jù)后，再下載前1 h逐分鐘資料，寫入氣壓、濕度、風、降水、溫度分鐘數(shù)據(jù)文件中。因為程序按固定的時間差下載，其寫入日志的時間相對固定，也反映出分鐘數(shù)據(jù)自采集器到計算機傳輸穩(wěn)定度、采集器反應速度和下載資料完好度。

2.1.4對時讀取與返回時間差。一般情況下按參數(shù)設(shè)置的對時次數(shù)，由計算機時間對采集器時間進行檢查，并用計算機時間校準采集器時間，得出計算機開始讀取采集器時間至得到采集器的時間的間隔，反映出采集器反應速度，采集器時間與計算機時間同步的程度。

2.2傳輸效果分析

2.2.1總體分析。為了分析光纖與電纜傳輸方式的不同，分析表征其完成分鐘數(shù)據(jù)、正點數(shù)據(jù)、對時3個對自動氣象站記錄的運行有重要作用的平均值來表現(xiàn)其總體差異、極差、標準偏差來體現(xiàn)其穩(wěn)定性。

試點站在2013年12月31日前更換光纖，因2014年測報業(yè)務軟件升級對時機制發(fā)生了變化，數(shù)據(jù)變化較大不采用其數(shù)據(jù)，其余臺站均在2014年4月后更換，更換前3個月與更換后3個月的總體情況見表1，反映了以更換月為界，前3個月與后3個月的逐時次全部資料的記錄情況。

表1　電纜傳輸轉(zhuǎn)換為光纖傳輸前3個月與后3個月數(shù)據(jù)記錄比較

從表1可以看出，由電纜傳輸轉(zhuǎn)換為光纖傳輸后，在實際運行的情況下，各站點的表現(xiàn)不盡相同，異常退出偏少的有3個站點，總體平均偏少了1.53次異常退出。分鐘數(shù)據(jù)下載時間提前的有4個站點，平均加快了0.14 s，極差變小的有4個站，平均極差偏小了6.40 s，標準偏差偏小的有4個站點，平均標準偏差偏小了0.26 s。正點數(shù)據(jù)下載時間提前的有3個站點，平均提前了0.12 s，極差變小的有4個站點，平均極差變小了5.13 s，標準偏差偏小的有3個站點，平均標準偏差偏小了0.24。對時時間縮短的有4個站點，平均縮短了0.03 s，極差變小的有4個站點，平均減小了5 s，標準偏差變小的有5個站點，平均標準偏差偏小了0.07 s。變優(yōu)的各要素并未統(tǒng)一表現(xiàn)在某幾個站點上，而是任何一個站點都有表現(xiàn)較好的一個方面。說明電纜傳輸和光纖傳輸都是非常成熟的傳輸方法，在各方面條件都滿足的情況下都能很好地傳輸數(shù)據(jù)。從平均水平看，光纖傳輸?shù)母黜棓?shù)據(jù)均優(yōu)于電纜傳輸，這說明電纜傳輸?shù)牟环€(wěn)定情況更多；其隨時間變化、情況變化導致的傳輸不穩(wěn)定情況多；光纖傳輸方式給自動站系統(tǒng)帶來了穩(wěn)定性的提高，傳輸數(shù)據(jù)更加及時。比如觀測場距值班室距離遠，按國家標準，接地電阻小于5Ω，但隨時間推移接地體腐蝕變形，電阻變大或安裝維修使設(shè)備接地電阻變大，從而在采集器與計算機之間有電壓差，靜電和干擾電壓不能及時入地，造成電纜傳輸方式更易被干擾，曾在一站上測出計算機和傳輸電纜屏蔽地之間有AC35VR的電壓，但用光纖傳輸直接隔絕了觀測場與值班室計算機之間的電聯(lián)接，避免了地電串擾[4]。

2.2.2逐月分析。為了分析電纜傳輸更換為光纖傳輸前后逐月變化情況，以更換月為界，比較所有臺站更換前3個月、后3個月和當月逐月資料平均情況。以更換月為0月，更換前為-1、-2、-3月，更換后為1、2、3月，分析逐月的平均值、標準偏差變化趨線。分鐘數(shù)據(jù)下載時間平均值標準偏差逐月變化情況見圖2。正點數(shù)據(jù)下載時間平均值和標準差逐月變化情況見圖3。對時時間平均值和標準差逐月變化情況見圖4。

圖2　分鐘數(shù)據(jù)下載時間平均值和標準偏差逐月變化情況Fig.2　Monthly variation of mean and standard deviation of minutes data download time

由圖2可知，在更換光纖傳輸后時間縮短且逐月波動減小，表明更換光纖縮短了分鐘數(shù)據(jù)的下載時間，且逐月變化變小；從標準偏差可以看出，更換前3個月數(shù)據(jù)下載的時間的離散大于更換后的時間離散，標準偏差的逐月變化也變小。總體上看，更換為光纖傳輸后自動氣象站記錄的及時性和穩(wěn)定性的提高是比較顯著的。

圖3　正點數(shù)據(jù)下載時間平均值和標準偏差逐月變化情況Fig.3　Monthly variation of mean and standard deviation of data on time download time

從圖3可以看出，正點數(shù)據(jù)下載時間平均值在轉(zhuǎn)換為光纖傳輸后曲線下降且波動減小，表明更換光纖傳輸提高了正點資料的下載速度，且更換后逐月變化非常小。從標準偏差可以看出，前3個月(電纜傳輸)數(shù)據(jù)下載的時間的離散大于更換后(光纖傳輸)的時間離散，即更換為光纖傳輸對正點資料下載的及時性和穩(wěn)定性的提高是比較顯著的。前3個月中(電纜傳輸)的-1和-2月波動不大，-3和-2月之間有明顯的變化；換光纖后1～3月也有波動，但其波動比更換前-3和-2月波動幾乎差一個數(shù)量級，這是其他不可預知的條件導致傳輸不穩(wěn)定造成的，對電纜傳輸影響大，對光纖傳輸影響小，說明光纖傳輸抗干擾能力大于電纜傳輸。

圖4　對時時間平均值和標準偏差逐月變化情況Fig.4　Monthly variation of mean and standard deviation of checking time

由圖4可知，對時時間的情況表現(xiàn)與前兩者相同，但其異常變化的月份為-2月，其波動的幅度較分鐘數(shù)據(jù)下載時間和正點數(shù)據(jù)下載時間小，更換為光纖傳輸后自動氣象站記錄的反應時間和穩(wěn)定性有明顯的提高。

3結(jié)論

該研究通過對山東省菏澤市7個氣象站點采用光纖傳輸方式和電纜傳輸方式自動氣象站監(jiān)控軟件記錄數(shù)據(jù)的比較，分析轉(zhuǎn)換為光纖傳輸后自動氣象站運行日志文件記錄的不成功次數(shù)及完成時間的平均值、極差、標準差，評價其實用性，得出以下結(jié)論：

(1)電纜傳輸與光纖傳輸均能很好地把資料從采集器傳輸?shù)接嬎銠C中，光纖傳輸增加了中間轉(zhuǎn)換設(shè)備，增加了系統(tǒng)的復雜度。

(2)光纖傳輸方式在自動氣象站的運用中氣象資料傳輸穩(wěn)定性明顯好于電纜傳輸。傳輸情況逐月變化小，即傳送中受外界干擾明顯變小。

(3)光纖傳輸方式增進了計算機、采集器和軟件系統(tǒng)整體運行的穩(wěn)定性，提高了資料下載成功率。

(4)基于光纖傳輸更高的效率及穩(wěn)定性，建議已有自動氣象站改造為光纖傳輸，新建自動氣象站的傳輸方式首選為光纖傳輸。

參考文獻

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中圖分類號S 163+.7

文獻標識碼A

文章編號0517-6611(2016)06-319-03

收稿日期2016-01-08

作者簡介張朝昌(1969-)，男，山東菏澤人，工程師，從事自動站設(shè)備維修研究。