綜合集成硬件控制器在DZZ5新型自動氣象站中的應用及常見故障維護

王 瑋

（廣西氣象技術裝備中心，廣西 南寧 530022）

1 引言

隨著氣象自動化的不斷發展，許多之前需要人工觀測的項目都逐漸開始進入儀器自動觀測時代［1-2］。而隨著自動觀測觀測儀器的增多，原有的通訊方式暴露出了線路雜亂、串口標準不統一、可靠性低等許多問題［3］，無論是觀測人員開展觀測業務，還是技術保障人員對設備進行保障，之前落后的通訊方式都帶來諸多不便，已經不能夠滿足氣象現代化業務發展的要求［4］。

目前，多路串口信號集成傳輸已經在電力［5］、通信［6］、計量［7］等多個領域得到應用。 新型自動氣象站已經開始引入綜合集成硬件控制器進行報文的通信傳輸，將主采集器、能見度觀測儀、降水天氣現象儀等采集設備的串口信號進行集成，并轉化為光信號進行傳輸［8］。這種統一標準、統一傳輸的方式，能夠有效提高傳輸效率和傳輸穩定性，為更多的氣象自動觀測設備投入業務使用提供條件［9］。

2 綜合集成硬件控制器基本組成

綜合集成硬件控制器硬件部分由安裝在室外觀測場的控制器主體部分和在室內的光電轉換模塊組成，它們之間通過光纖連接，進行數據傳輸。觀測場主體部分包括串口接入模塊、通訊核心模塊和光電轉換模塊。綜合集成硬件控制器軟件包括驅動軟件、虛擬串口和服務三個部分。

2.1 硬件部分

2.1.1 串口接入模塊

串口接入模塊一頭為5口端子，用于連接觀測設備的串口通訊線，另一頭為DB9母口插頭，連接控制器核心部分。串口接入模塊為可插拔設計，方便更換。5口端子支持RS232/RS485通訊方式，模塊有浪涌保護和光電隔離功能。

2.1.2 通訊核心模塊

通訊核心模塊具有將多路串口信號轉成以太網信號、數據格式轉換、數據存儲等功能。進行數據轉換后，模塊通過RJ45網絡口輸出以太網信號。

2.1.3 室外光電轉換模塊及室內光電轉換模塊

室外光電轉換模塊和室內光電轉換模塊都是由三個RJ45接口和一組光纖收發接口組成，控制器主體的以太網RJ45接口和光電轉換模塊RJ45接口之間通過短網線連接，再通過光纖接口接入光纖，進行長距離傳輸，從觀測場進入室內，再通過以太網RJ45接口用網線接入交換機。

2.1.4 電源

綜合集成硬件控制器采用220V交流轉12V直流方式供電，備有12V38Ah蓄電池，保證在交流斷電情況下工作24h以上。室內光電轉換模塊通過12V直流電源適配器進行供電。

2.2 軟件部分

綜合集成硬件控制器需要在計算機上安裝驅動程序，同時在計算機上映射8個虛擬串口，驅動程序可以設置串口配置、網絡配置、傳輸方式、用戶名及密碼等內容，來對綜合集成硬件控制器多路串口進行管理。

驅動程序安裝時，還需要安裝兩個服務，“comtonet”實現計算機虛擬串口向綜合集成硬件控制器進行數據傳輸，“nettocom”實現綜合集成硬件控制器向計算機虛擬串口進行數據傳輸。

3 數據信號在綜合集成硬件控制器線路中的傳輸

3.1 串口接入綜合集成硬件控制器

圖1 數據傳輸時信號變化示意圖

數據通過RS232/RS485方式接入到串口接入模塊5口端子中。RS232方式為3線接入，TX接入第3口、RX接入第5口，GND接入第1口；RS485為2線接入，485＋接入第5口，485-接入第4口。串口接入模塊另一頭DB9接口將數據傳輸到綜合集成硬件控制器內。

表1 接入模塊5口端子意義

3.2 串口信號轉以太網信號

綜合集成硬件控制器接收來自串口的指定格式的數據，將串口信號轉為以太網信號，再通過RJ45網絡接口進行傳輸。綜合集成硬件控制器本身需要分配一個ip地址，該地址與計算機ip地址在同一網段進行通信。數據轉為以太網格式后，可以直接在RJ45網口接入網線讀取數據。

3.3 以太網信號轉光信號及室內部分

以太網信號通過一根短網線接入硬件控制器主體光電轉換模塊任一個RJ45接口中，轉化為光信號，通過光纖將數據傳到室內，再通過室內的光電轉換模塊將光信號轉換為以太網信號，通過網線接入到室內交換機內，通過在計算機中設置虛擬串口和“comtonet”、“nettocom”服務，將數據傳輸到業務電腦中。

4 DZZ5型自動站使用綜合集成硬件控制器通訊與使用直連通訊的對比

圖2 DZZ5新型自動站布局（串口直連通訊）

DZZ5型新型自動氣象站采用直連通訊方式時，各種氣象要素通過RS232/485串口方式接入主采集器，分采集器（包括溫度分采集器、地溫分采集器和輻射分采集器等）通過現場總線CAN方式接入主采集器［10］；主采集器通過RS232串口線從觀測場直接傳輸到室內，接入業務用計算機。此時，主采集器連入電腦的串口通訊線兩側都需安裝串口隔離器，以防止浪涌。

這種主采集器與業務電腦直連的方式結構簡單，便于維護和排查故障，但是傳輸距離短，穩定性不強，通訊易受干擾，且大量占用主采集器資源，在更多的自動觀測設備投入業務運行時無法滿足多串口同時通訊的要求。

圖3 DZZ5新型自動站布局（采用綜合集成硬件控制器）

當DZZ5采用綜合集成硬件控制器方式進行通訊時，主采集器、能見度觀測儀、降水天氣現象儀、輻射分采集器通過串口通訊線接入綜合集成硬件控制器串口接口，將串口信號轉化為以太網信號，再通過RJ45接口，將以太網信號轉為光信號，通過光纖從觀測場傳到室內，再將光信號通過室內光電轉換模塊，轉換為以太網信號，通過交換機，將數據傳輸到業務用計算機中。串口通訊線無需安裝串口隔離器。

這種采用光纖通訊的方式將綜合集成硬件控制器作為通訊的核心部件，有效地增加了傳輸距離，提高了傳輸的穩定性，具有防浪涌和電磁干擾的功能，同時也能夠滿足更多的自動觀測設備同時進行串口數據傳輸。另一方面，如果綜合集成硬件控制器出現故障，那么所有的數據通訊將會中斷。因此，這種通訊方式對綜合集成硬件控制器的穩定性有比較高的要求，同時需要有備用通訊方案。

5 綜合集成硬件控制器常見故障維護

5.1 綜合集成硬件控制器指示燈異常

若綜合集成硬件控制器面板指示燈PWR1和PWR2無法同時常亮，說明供電出現問題，需檢查供電；若光電轉換模塊指示燈不亮，說明光纖通訊不正常，應檢查光纖是否完好，RX/TX光纖連接是否正確，有否接反；若L1指示燈未秒閃，說明控制器核心部分未能啟動，此時需斷電重啟綜合集成硬件控制器，若仍未解決，說明核心部分損壞，需更換綜合集成硬件控制器。

5.2 計算機無法連接至綜合集成硬件控制器

若在業務軟件中出現串口通信失敗，首先檢查是否接在綜合集成硬件控制器上的所有設備數據全部缺測，若數據全部缺測，則初步判定是通訊部分出現故障。

在計算機上ping綜合集成硬件控制器ip地址，若可以ping通，則從計算機到綜合集成硬件控制器的線路正常，此時應退出業務軟件，使用串口調試助手向缺測部件發送命令讀取數據，若有數據，說明業務軟件故障。若無數據，檢查驅動軟件和業務軟件的串口設置是否正確。同時還需要檢查計算機服務的運行情況，當都裝有“comtonet”“nettocom”的兩臺以上計算機接入交換機時，綜合集成硬件控制器將無法進行通訊。此時必須禁用業務計算機以外的其他計算機上的服務，或者斷開其他裝有服務的計算機。

若在計算機上無法ping通綜合集成硬件控制器，檢查計算機網卡以及網線是否出現故障，若均正常，檢查光纖和光電轉換模塊是否正常。

5.3 部分數據缺測

若業務軟件中只有主采集器數據缺測，能見度儀、降水天氣現象儀數據正常，則初步判定計算機到綜合集成硬件控制器通訊部分正常。此時，應用一根短線將對應串口接入模塊第3口和第5口接起來，發命令檢查串口接入模塊收發是否正常。

6 結語

目前，綜合集成硬件控制器已經在廣西各地的DZZ5型自動氣象站上投入業務使用。多串口集成傳輸的使用，為更多的自動觀測設備投入運行提供通訊條件。同時，相較于之前使用串口通訊線直接進行通訊的方式而言，使用光纖進行數據傳輸要更為穩定，符合未來的發展方向。另一方面，使用綜合集成硬件控制器后，其運行的穩定性對業務質量影響較大，備用的通訊手段和保障人員的維修能力十分重要，以綜合集成硬件控制器為核心的通訊方式依然有發展和改進的空間。

參考文獻：

［1］黎錦雷，韋菊，楊玉靜.新型自動氣象站故障分析與排除［J］.氣象研究與應用，2015，36（4）：100-102.

［2］廖銘超.DZZ5型自動氣象站常見故障診斷分析［J］.氣象研究與應用，2015，36（3）：83-85.

［3］趙麗英，黃秀榮.淺析自動氣象站數據通信中常見故障［J］.氣象研究與應用，2014，35（S1）：48-49.

［4］許嘉玲，王超球，趙秀英，等.自動氣象站數據異常的原因分析［J］.氣象研究與應用，2007，28（S2）：190.

［5］吳小平，高平山，劉士忠.電力線串口服務器的設計與實現［J］.計算機應用研究，2006，23（9）：201-202.

［6］馮偉浩.基于串口服務器于通信局站動力監控的組網及實施方案［J］.數字技術與應用，2013，（7）：29-30.

［7］何紅.基于虛擬網絡技術的計量信息管理系統［J］.自動化儀表，2010，31（9）：37-39.

［8］張鑫，李艷，包坤.綜合集成硬件控制器的設計與實現［J］.黑龍江氣象，2016，33（3）：34-36.

［9］呂抒航.綜合集成硬件控制器在氣象數據通信傳輸中的應用［J］.氣象研究與應用，2017，38（1）：128-130.

［10］黃劍釗.新型國家自動站現場總線CAN的研究及維護方法［J］.氣象研究與應用，2016，34（2）：85-87.

［11］韋菊，尤明雙.一次自動站故障處理過程的探討［J］.氣象研究與應用，2016，37（1）.

［12］毛壽興，楊麗麗.自動氣象站氣壓傳感器的校準及誤差分析處理［J］.氣象研究與應用，2016，37（4）：97-98.

［13］夏澤雄，黃志興.淺談區域自動氣象站的建設與維護［J］.氣象研究與應用，2009，30（S2）：208-210.

［14］許嘉玲，蔡麗.自動氣象站標校產生異常值得處理方法［J］.氣象研究與應用，2008，29（S1）.

［15］周柳麗，蒙程，馬東晨.自動氣象站現場校準過程處理經驗［J］.氣象研究與應用，2013，34（4）：68-69.

［16］吳彩霞，蒲利榮.自動氣象站的日常維護和故障排除［J］.氣象研究與應用，2011，32（S2）：193-194，204.

［17］韋信高.中尺度自動氣象站故障維護與分析［J］.氣象研究與應用，2008，29（2）：87-88.

［18］王海英，程愛珍，黃理.地面氣象自動觀測定時數據缺測的處理方法［J］.氣象研究與應用，2007，28（S1）：110.