綜合硬件集成控制器在地面氣象觀測集成系統(tǒng)的應(yīng)用研究

李永剛 辛羽婷 滿紅艷

摘要：針對目前地面氣象觀測設(shè)備集成度不高、可擴展性不強等問題，中國氣象局在氣象臺站布設(shè)了綜合硬件集成控制器，已隨著新型氣象站建設(shè)投入業(yè)務(wù)運行。本文主要介紹綜合硬件集成控制器的工作原理和性能，探討在地面氣象觀測集成系統(tǒng)中擴展應(yīng)用的問題，希望對臺站綜合氣象業(yè)務(wù)人員在實際工作中有所幫助。

關(guān)鍵詞：綜合硬件集成控制器;地面氣象觀測;新型自動氣象站;閃電定位儀

中圖分類號： TP393 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： ?A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? DOI編號： ? 10.14025/j.cnki.jlny.2019.14.068

綜合硬件集成控制器是高度集成多串口通信、信號轉(zhuǎn)換、光電隔離、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和光電轉(zhuǎn)換（光貓）等功能模塊，通過光纖將采用不同通信方式的多個設(shè)備數(shù)據(jù)進行遠距離傳輸，有效解決了氣象業(yè)務(wù)原有觀測系統(tǒng)“四多”和“四低”的實際問題，滿足業(yè)務(wù)發(fā)展要求。在實際業(yè)務(wù)中，地面氣象觀測場布設(shè)綜合硬件集成控制器后，相當于把以太網(wǎng)擴展到了觀測場，除了現(xiàn)有新型自動氣象站，其他一些觀測設(shè)備也可以通過綜合硬件集成控制器進行集中傳輸，實現(xiàn)地面氣象觀測集成系統(tǒng)。

1 工作原理和結(jié)構(gòu)

1.1 綜合集成硬件控制器工作原理

ISOS-HC/A綜合集成硬件控制器是地面氣象觀測系統(tǒng)綜合集成的硬件平臺，主要任務(wù)是實現(xiàn)對自動氣象站、云、能見度、天氣現(xiàn)象、輻射等氣象自動觀測設(shè)備的集約化管理，通過串口服務(wù)器實現(xiàn)各觀測設(shè)備觀測數(shù)據(jù)的RS-232/485/422傳輸?shù)揭蕴W(wǎng)傳輸模式的轉(zhuǎn)換，再通過光電轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)電信號和光信號的相互傳輸，減少布線，提高地面氣象綜合觀測系統(tǒng)的集成化程度、可擴展性能、穩(wěn)定性、可靠性、觀測數(shù)據(jù)的利用效率等。

1.2 綜合集成硬件控制器結(jié)構(gòu)和功能

串口通信：串口服務(wù)器提供了8個物理串口，可以保證8套串口設(shè)備同時通信，滿足現(xiàn)有的地面氣象自動觀測設(shè)備接入需求。

串口虛擬功能：串口服務(wù)器自帶虛擬串口驅(qū)動程序，能夠在計算機上虛擬8個串口，這些虛擬串口與串口服務(wù)器的物理串口一一對應(yīng)，相當于在計算機上添加了8個串口。

數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換：將非數(shù)據(jù)字典格式的氣象觀測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)對象字典格式的氣象觀測數(shù)據(jù)。

通信協(xié)議轉(zhuǎn)換：將串口通信協(xié)議轉(zhuǎn)換成網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，計算機與串口服務(wù)器之間通過以太網(wǎng)可實現(xiàn)相互間通信。

網(wǎng)絡(luò)交換：綜合硬件控制器自帶網(wǎng)絡(luò)擴展交換機，可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)交換和網(wǎng)絡(luò)集線功能。

光電轉(zhuǎn)換：集成了光纖接口，將網(wǎng)絡(luò)電信號轉(zhuǎn)換為光纖信號。

2 新型自動氣象站集成應(yīng)用

目前布設(shè)綜合硬件控制器的臺站均安裝了新型自動氣象站，新型站的主采集器通過串口服務(wù)器與計算機相互通信，云、能見度、天氣現(xiàn)象、輻射等觀測設(shè)備也通過串口服務(wù)器與同一臺計算機通信，實現(xiàn)了新型自動氣象站集成，減少了觀測場到值班室的布線，有效降低了線路問題帶來的故障率。

對于布設(shè)雙套新型自動氣象站的臺站，由于串口服務(wù)器僅能接受一臺計算機在線連接，為保證數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，實際業(yè)務(wù)中需要兩臺計算機分別掛接兩套新型站，一套為現(xiàn)用、一套備份，而增加一套綜合硬件控制器，既增加了采購成本，又增加了布線和維護成本，與地面氣象觀測自動化改革的初衷不符。解決方法是在備份站數(shù)據(jù)通訊口增加一套串口轉(zhuǎn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（小型串口服務(wù)器），通過綜合硬件控制器的網(wǎng)絡(luò)交換機功能接入內(nèi)網(wǎng)交換機，設(shè)置好備用串口服務(wù)器IP地址，利用現(xiàn)有光纖—以太網(wǎng)引入備份計算機，實現(xiàn)兩套新型自動氣象站的獨立運行。

3 閃電定位系統(tǒng)集成應(yīng)用

按照《地面氣象觀測場規(guī)范化圖冊》要求，閃電定位儀布設(shè)在觀測場，數(shù)據(jù)傳輸通過地溝引入值班室，信號采用電纜傳輸，通過NPORT5110模塊將串口信號處理后轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)信號發(fā)送到省級和國家級中心站服務(wù)器。

將硬件控制器布設(shè)在觀測場后，網(wǎng)絡(luò)也相應(yīng)地延伸到觀測場。2017年1月，舒蘭市氣象局閃電定位儀出現(xiàn)故障，無數(shù)據(jù)傳輸，多方查找原因最終確定為通訊電纜斷路，由于冬季無法檢查近百米長的通信線路斷路點，只能整根更換通訊電纜，且冬季難以將線纜埋入地溝，只能明線敷設(shè)，既影響美觀，又存在安全隱患。經(jīng)過認真分析和測試，轉(zhuǎn)換工作思路，將閃電定位儀的通信模塊NPORT5110從值班室機柜遷移到綜合硬件控制器機箱內(nèi)，采用綜合硬件控制器12V電源給NPORT5110模塊供電，同時將閃電定位儀的數(shù)據(jù)傳輸信號線接入綜合硬件控制器機箱，NPORT5110模塊輸出網(wǎng)線直接接入綜合硬件控制器網(wǎng)絡(luò)交換機，故障得到解決，數(shù)據(jù)恢復(fù)正常上傳。經(jīng)過連續(xù)幾個月運行，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠，實現(xiàn)了閃電定位觀測系統(tǒng)與綜合硬件控制器的完美集成。

目前，吉林省部分站點分別布設(shè)了國家級閃電定位觀測系統(tǒng)和三維閃電定位觀測系統(tǒng)，兩套系統(tǒng)數(shù)據(jù)通過氣象內(nèi)網(wǎng)上傳數(shù)據(jù)到中心站的傳輸方式相同，均可采用綜合硬件控制器網(wǎng)絡(luò)交換功能進行內(nèi)網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)。另外，三維閃電定位系統(tǒng)不僅需要內(nèi)網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)，還需互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送到中國科學(xué)院電工研究所，解決方法是通過目前預(yù)留的光纖，增加一套光纖—網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換設(shè)備，將互聯(lián)網(wǎng)引入觀測場，即在綜合硬件控制器機箱內(nèi)增加一臺獨立的光纖—網(wǎng)絡(luò)交換機（4口即可），可實現(xiàn)三維閃電定位系統(tǒng)的正常數(shù)據(jù)傳輸。

4 結(jié)語

通過對ISOS-HC/A綜合集成硬件控制器工作原理的了解，結(jié)合實際工作將氣象觀測場內(nèi)新型自動氣象站和閃電定位系統(tǒng)不同信號集成傳輸，能夠利用現(xiàn)有的設(shè)備以較小的成本解決通信線路多、串口信號線長距離傳輸故障率高、電纜防雷安全隱患大、維修維護困難等問題，值得在臺站業(yè)務(wù)工作中推廣。

參考文獻

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[2]張鑫，李艷，包坤.綜合集成硬件控制器的設(shè)計與實現(xiàn)[J].黑龍江氣象，2016，33（03）：34-36.

作者簡介：李永剛，本科學(xué)歷，工程師，研究方向：氣象數(shù)據(jù)可視化應(yīng)用、軟件開發(fā)。