Vaisala MAWS201 型便攜式自動氣象站的研究與使用

蘇小浩

（民航河南空管分局氣象臺，河南 鄭州 450000）

民航氣象對于氣象數據的實時性、準確性有較高的要求，氣象設備管理人員必須為用戶提供穩定可靠的氣象數據。當室外氣象自動觀測系統和備份氣象探測設備故障時，便攜式自動氣象站能夠為氣象觀測人員觀測天氣和編發氣象報文提供數據參考。本研究以Vaisala 公司的MAWS201 型便攜式自動氣象站為研究對象，對其設計特點、傳感器結構原理和數據采集器進行分析，結合工作實際總結了使用方法，對于氣象設備人員了解自動氣象站工作原理和提高應急保障能力具有重要意義。

1 自動氣象站的結構設計

1.1 總體結構設計

根據民用航空氣象地面觀測規范的要求，便攜式自動氣象站主要實現氣象六要素的測量，即風向、風速、溫度、濕度、氣壓和雨量[1]。MAWS201 型便攜式自動站除了常規氣象六要素的觀測外，還可通過選配傳感器組件，測量例如多級土壤溫度、土壤水分、太陽總輻射、水位等氣象要素。限于工作環境對氣象要素的需求，本研究只對該自動站的基本套件進行研究。

數據采集器是自動氣象站的核心部件[2]，它由CPU、接口電路、數據存儲電路、時鐘電路、控制電路等組成[3]。數據采集器采集氣象傳感器的電信號和頻率信號后，通過公式運算、計數、線性處理等，將信號轉化為觀測的氣象要素值，再通過通信接口與外部計算機連接，輸出觀測數據，圖1 為便攜式自動氣象站的結構框圖。

圖1 便攜式自動氣象站結構框圖

1.2 便攜性設計

MAWS201 型便攜式自動站采用三腳架式結構[4]，由基本傳感器、數據采集處理模塊、電源模塊及電纜組成，如圖2 所示。在折疊打包狀態下，只需一個防水尼龍背包和一個套件工具箱即可容納，非常適合搬運和戶外使用。

圖2 MAWS201 型便攜式自動站

與常規自動氣象站最大的不同在于，將數據采集與處理模塊和通信模塊集成到三腳架中間的立柱中，電源模塊安裝到其中一個支架底部，減少了大量體積。支架、風桿和橫臂采用耐腐蝕的陽極鋁材質，具有堅固防水的特點，能夠適應室外復雜天氣環境，其余部件由不銹鋼制成，可耐受風化侵蝕。雨量筒和溫濕度計防輻射罩外殼為塑料材質，尺寸較小，重量輕，能夠很好抵抗紫外輻射和霜降侵蝕。數據采集器的功耗在連接五個傳感器的情況下小于10 mA/12 V，采用間隔時間采集的方式最大限度減少能耗，保證戶外長時間使用。

1.3 易架設性設計

整個自動站重約為15 kg，可由一人單獨架設完成。三腳架采用可伸縮結構，便于折疊和升降，風桿與橫臂通過固定螺釘與主支撐架連接。每種傳感器均通過防水快拆的航空插頭與主支撐架上的接口連接，為了保證傳感器的插頭與采集器的插孔對應上，在每個插孔的下方均有英文標識要測量的氣象要素，同時采用不同的針腳和針孔來區分，整個架設過程無需任何工具。為了最大限度節省架設時間，防輻射罩和太陽能板已預先安裝到位。

1.4 通信方式設計

為了滿足不同環境的使用要求，MAWS201 型便攜式自動氣象站支持無線和有線2 種通信方式。有線方式支持RS232、RS485 串行通信和網絡通信，無線方式支持GPRS/GSM 通信方式，還可通過可選配件實現UHF 等無線通信方式。

2 各傳感器及組件

2.1 風向/風速傳感器

測量風向和風速的傳感器為WMS302，是一種能夠實時測量風向和風速的機械風組件[5]，測風向的原理是一個紅外發光二極管一個光敏三極管分別安裝在風向標軸上編碼盤碼軌的兩端，風向標轉動時會產生格雷碼脈沖，根據編碼規則得出風向數據。風速測量的原理是利用風杯轉動時，鋸齒形圓盤不斷遮擋發光二極管發出的光線，使光敏三極管輸出高低交替的信號。該信號經過處理后得到風速值。其性能指標見表1。

表1 WMS302 性能指標

2.2 溫濕度傳感器

HMP155 是一種能夠測量溫度和相對濕度的探頭，該探頭由測量溫度的電阻性鉑傳感器PT100 和電容性高分子薄膜傳感器構成[6]，傳感器都位于該探頭的頂端，由一個燒結的聚四氟乙烯過濾器保護，可以應用于降水、灰塵及臟污的環境中。在濕度接近飽和的情況下，受霧、雨等的影響，測量濕度的探頭有可能會被打濕，為了避免探頭被打濕后測量誤差較大的情況，Vaisala 公司為探頭設計加熱功能，通過對探頭頭部持續加熱，使傳感器的濕度低于外界環境的濕度，提高測量的精確度。HMP155 提供有緣輸出和無源輸出兩種方式，相對濕度輸出均為電壓輸出，但溫度輸出分為為有源輸出或無源阻抗輸出，支持RS485 通信方式。其性能指標見表2，其中溫度為電壓輸出形式。

表2 HMP155 性能指標

2.3 降水傳感器

降水傳感器的型號為QMR101-D，外殼為塑料材質，尺寸較小，重量輕。能夠很好抵抗紫外輻射和霜降侵蝕。QMR101 安裝在便攜式自動站支架的橫梁上，并配有自帶連接器的線纜。其內部包含一個0.2 mm容量的自動翻斗，雨水收集進翻斗的上半部分，當收集的雨水達到預定的水量時，受重力影響，翻斗將傾斜排出收集的水，并使排水翻斗下方的另外一半翻斗復位，準備下次加注，如此反復，每一次翻斗反轉都使干簧開關通斷一次，將降雨量轉換為以開關量形式表示的數字信息量輸出。降水傳感器測量的精度為±2%，測量敏感度為0.2 mm。

2.4 大氣壓力傳感器

大氣壓力傳感器的型號為BARO-QML，其內部采用硅電容壓力傳感器BAROCAP進行大氣壓力的測量，具有良好的穩定性。當大氣壓強發生變化時，傳感器里面真空膜盒的彈性單晶硅膜片產生形變，引起真空墨盒內真空間隙距離的減少或增加。真空間隙的兩個相對平面起到電極的作用，當兩側電極間距發生變化時，傳感器電容就會發生變化，利用電容變化與氣壓變化的對應關系，得出氣壓的數值，性能指標見表3。

表3 氣壓傳感器性能指標

2.5 電源模塊

該型便攜式自動氣象站具備太陽能供電和電源供電兩種供電模式，主電源模塊為QMP201C，可輸入85～264 VAC，配備了一塊12 W 的太陽能板和7Ah的備用鋰電池。在主電源模塊上，有一個小窗口指示電源狀態，上方的綠色指示燈常亮，表示備用電池正在充電；中間的指示燈綠色表示備用電池電量正常，橙色表示備用電池電量低，紅色表示無直流輸出。

3 數據采集與處理

QML201 是Vaisala 公司生產的一款低功耗，易擴展，具備多種通信接口的數據采集器[7]，目前，國內大多數民用機場的外場自動氣象觀測設備都在使用該型數據采集器，該數采器包含一個用于數據處理的32 位摩托羅拉CPU 處理器和10 個模擬/數字輸入接口（CH0-CH7，CHA，CHB），每個輸入端都有一個壓敏電阻（VDR），對電路進行過電壓保護[8]。 此外，QMLQ201 還有兩個頻率傳感器接口、24 位A/D 轉換器、3.3 MB 的閃存用于存儲需要進行計算和處理的數據，最大支持2GB 的CF 卡擴展內存。其內部的激勵電源可以對傳感器和內部備用電池進行充電，能夠適應高濕度環境，支持RS232 和RS485 數據通信方式。在使用數據采集器之前，需要使用配套的Lizard Setup Software 軟件對數據采集器的配置文件進行修改[9]，根據不同傳感器類型和輸出信號的不同，自定義id 號、通道號、數據發送周期和計算方法等。鄭州機場氣象自動觀測系統中使用的QML201 各傳感器接入設置如圖3 所示，其中，由于風速和雨量輸出的為脈沖信號，所以風速風向和雨量接入帶有頻率端子的CHA、CHB 接口。QML201 內置有氣壓測量的專用接口，也可以通過選裝MOD1 和MOD2 的通訊模塊接入氣壓的電壓與頻率信號。

圖3 QML201 接口示意圖

4 使用方法

4.1 架設環境選擇

在使用便攜式自動氣象站進行保障時，需要將其整體放置于氣象觀測平臺。根據《民用航空氣象探測設施及探測環境管理辦法》規定，氣象觀測平臺應當緊鄰觀測值班室設立，觀測平臺與機場標高的高度差應當小于20 m。在觀測平臺上觀測員應當能夠目視至少一條跑道及其航空器最后進近區域。

4.2 安裝使用步驟

（1）安裝并固定應急自動氣象站支架至平臺合適位置，使安裝太陽能電池板的支架腳朝向南方，便于為內置電池充電。

（2）將風傳感器的數據線纜從風桿頂部穿入，安裝風傳感器到風桿的頂部，擰緊固定卡環，注意安裝位置朝北，將數據線纜從風桿下方的側孔穿出，接至支架的Wind 接口，風桿固定在支架中間的插槽中；將溫濕度計從橫臂上的輻射防護罩下方插入固定，線纜接至支架的溫濕度雨量相應接口；將降水傳感器固定在橫臂上，確保降水傳感器處于水平位置，降水傳感器的線纜插入支架的Precipitation 接口；數采器的供電插頭插入固定在支架的VDC Input 接口。

（3）電源線插頭插入市電插座，打開安裝有串行端口交互軟件的筆記本電腦，使用串口線連接至應急自動站，如果筆記本電腦未配備串行接口，需要一個USB 接口轉串口的轉接頭。

（4）打開串行端口交互系統。若以超級終端軟件為例，則通信參數設置為9600，8，N，1，運行系統，超級終端上可自動接收數據。

如需查看全部數據，輸入命令“total”就可以查看所有數據（風向、風速、溫度、濕度、氣壓、雨量），如圖4 所示。使用超級終端的文字捕獲功能可以留存數據及操作記錄。在total 命令下，各氣象要素傳感器的狀態STATUS 為0 時表示工作正常，為1 時表示存在故障，此時應該及時檢查，判斷故障類型。

圖4 自動站數據顯示

為了數據輸出的準確性，風傳感器通常每半年檢定一次，其他傳感器每年檢定一次。將該型自動氣象站放置于鄭州機場跑道某端的觀測場中，由于便攜式自動站的風桿最高為3 m，而跑道端的風桿為10 m，不具有可比性，這里不對比風數據，將其采集到的2021年12月23日19 : 39 時刻的溫度、濕度、氣壓和1 h 雨量數據與該端的常規自動氣象站MAWS301進行數據對比，結果見表4。根據便攜式自動氣象站行業標準和地面觀測規范的要求，可以看出，二者各項誤差均在最大允許誤差范圍內，符合氣象業務觀測要求。如果出現較大誤差，需要對傳感器進行校準與更換。

表4 氣象觀測數據對比

5 結束語

便攜式自動氣象站作為室外自動氣象觀測系統的重要備份，在應急情況下能夠為氣象人員提供觀測數據，還可用于戶外科考和突發公共事件時的氣象保障。對Vaisala MAWS201 型進行的研究尚有不足之處，下一步，將研究如何把便攜式自動氣象站的通信方式以無線傳輸方式接入現有的自動氣象觀測系統，進一步提高應急保障效率。