綜合硬件集成控制器在地面氣象觀測集成系統的應用研究

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了綜合硬件集成控制器，已隨著新型氣象站建設投入業務運行。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中擴展應用的問題，希望對臺站綜合氣象業務人員在實際工作中有所幫助。

關鍵詞：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、信號轉換、光電隔離、數據轉換和光電轉換（光貓）等功能模塊，通過光纖將采用不同通信方式的多個設備數據進行遠距離傳輸，有效解決了氣象業務原有觀測系統“四多”和“四低”的實際問題，滿足業務發展要求。在實際業務中，地面氣象觀測場布設綜合硬件集成控制器后，相當于把以太網擴展到了觀測場，除了現有新型自動氣象站，其他一些觀測設備也可以通過綜合硬件集成控制器進行集中傳輸，實現地面氣象觀測集成系統。

1 工作原理和結構

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綜合集成的硬件平臺，主要任務是實現對自動氣象站、云、能見度、天氣現象、輻射等氣象自動觀測設備的集約化管理，通過串口服務器實現各觀測設備觀測數據的RS-232/485/422傳輸到以太網傳輸模式的轉換，再通過光電轉換器實現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的集成化程度、可擴展性能、穩定性、可靠性、觀測數據的利用效率等。

1.2 綜合集成硬件控制器結構和功能

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

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

數據格式轉換：將非數據字典格式的氣象觀測數據轉換為數據對象字典格式的氣象觀測數據。

通信協議轉換：將串口通信協議轉換成網絡通信協議，計算機與串口服務器之間通過以太網可實現相互間通信。

網絡交換：綜合硬件控制器自帶網絡擴展交換機，可實現網絡交換和網絡集線功能。

光電轉換：集成了光纖接口，將網絡電信號轉換為光纖信號。

2 新型自動氣象站集成應用

目前布設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器與計算機相互通信，云、能見度、天氣現象、輻射等觀測設備也通過串口服務器與同一臺計算機通信，實現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。

對于布設雙套新型自動氣象站的臺站，由于串口服務器僅能接受一臺計算機在線連接，為保證數據傳輸穩定，實際業務中需要兩臺計算機分別掛接兩套新型站，一套為現用、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據通訊口增加一套串口轉網絡設備（小型串口服務器），通過綜合硬件控制器的網絡交換機功能接入內網交換機，設置好備用串口服務器IP地址，利用現有光纖—以太網引入備份計算機，實現兩套新型自動氣象站的獨立運行。

3 閃電定位系統集成應用

按照《地面氣象觀測場規范化圖冊》要求，閃電定位儀布設在觀測場，數據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換為網絡信號發送到省級和國家級中心站服務器。

將硬件控制器布設在觀測場后，網絡也相應地延伸到觀測場。2017年1月，舒蘭市氣象局閃電定位儀出現故障，無數據傳輸，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，既影響美觀，又存在安全隱患。經過認真分析和測試，轉換工作思路，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，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據傳輸信號線接入綜合硬件控制器機箱，NPORT5110模塊輸出網線直接接入綜合硬件控制器網絡交換機，故障得到解決，數據恢復正常上傳。經過連續幾個月運行，數據傳輸穩定可靠，實現了閃電定位觀測系統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了國家級閃電定位觀測系統和三維閃電定位觀測系統，兩套系統數據通過氣象內網上傳數據到中心站的傳輸方式相同，均可采用綜合硬件控制器網絡交換功能進行內網傳輸數據。另外，三維閃電定位系統不僅需要內網傳輸數據，還需互聯網發送到中國科學院電工研究所，解決方法是通過目前預留的光纖，增加一套光纖—網絡轉換設備，將互聯網引入觀測場，即在綜合硬件控制器機箱內增加一臺獨立的光纖—網絡交換機（4口即可），可實現三維閃電定位系統的正常數據傳輸。

4 結語

通過對ISOS-HC/A綜合集成硬件控制器工作原理的了解，結合實際工作將氣象觀測場內新型自動氣象站和閃電定位系統不同信號集成傳輸，能夠利用現有的設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，值得在臺站業務工作中推廣。

參考文獻

[1]黃思源，劉均.新型自動氣象站觀測業務技術[M].北京：氣象出版社，2016，8-20.

[2]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（03）：34-36.

作者簡介：李永剛，本科學歷，工程師，研究方向：氣象數據可視化應用、軟件開發。