DZZ3型自動氣象站資料上傳故障診斷分析與改進

鄔清元 胡宇峰 徐朝霞 劉大明 鄔思旸

1.萍鄉市氣象局 江西萍鄉 337002；2.萍鄉市安源區譽誠通訊 江西萍鄉 337002

2018年3到4月間，根據江西省氣象局統一規劃要求，全省區域氣象站采取監測數據集約化采集方式，所有區域站由省信息中心服務器統一采集數據，設區市級和縣級不設數據采集節點。萍鄉區域自動站有北京華云和上海長望兩家公司生產的站點設備，在此傳輸路由情況下，我市上海長望DZZ3型自動區域站在設備正常運行情況下，總會有一定數量的站點出現上傳資料不能到達信息中心數據庫，且故障出現又是表現為隨機性。每個站點不知什么時候會出現1小時或多個小時，有時達1天沒有上傳資料[1]。且不定時的反復，到現場對站點運行監控檢測均未發現設備部件不正常的情況，為了解決這一技術難題，消除全市區域站數據傳輸不穩定情況，我們自籌資金成立課題組進行研究。

1 設備技術架構情況

DZZ3新型自動氣象站是上海氣象儀器廠生產，依據中國氣象局監測網絡司《新型自動氣象（氣候）站功能規格書》統一標準、統一功能、統一結構、統一方法、統一規范的設計思路，設計的一種高精度、高穩定、易維護、低功耗、易擴展和具有實時遠程監控功能的新型氣象觀測儀器，能滿足現有氣象觀測站觀測業務的需要。我市目前共有該型號34套。

DZZ3站基于現代總線（CAN）技術和嵌入式系統技術構建，采用了國際標準并遵循標準、開放的技術路線進行設計，它由硬件和軟件兩大部分組成。硬件包括采集器（1個主采集器和若干個分采集器）、外部總線、傳感器、外圍設備四部分；軟件包括嵌入式軟件、業務軟件二部分。其總體結構如圖1所示。

圖1 總線式自動氣象站結構

主采集器是自動氣象站的核心，由硬件和嵌入式軟件組成。硬件包含高性能的嵌入式處理器、高精度的A/D電路、高精度的實時時鐘電路、大容量的程序和數據存儲器、傳感器接口、通信接口、CAN總線接口、外接存儲器接口、以太網接口、監測電路、指示燈等，硬件系統能夠支持嵌入式實時操作系統的運行。其結構框如圖2所示。

圖2 動自氣象站主采集器結構

2 故障診斷分析

從DZZ3CAMS-MA主采分拆，其自動化程度高，各設備、部件相輔相成，在硬件與軟件任何一個部件缺失或受損都有可能破壞數據完整性，從而導致數據格式異常而不能上傳。DZZ3CAMS-MA數據是通過串口外接GPRS和DTU傳輸，在DTU連線、天線、SIM卡接觸不良、站點現場信號不穩定等也會造成數據上傳缺測。維修數據缺測故障，大多都是主采時間不同步所致，所以先對站點的主采時間、接頭電纜調整加固，監測幾天，故障現象依舊。為測定故障原因，課題組帶上維修設備，在現場實時數據偵測，通過PC-RS232做軟件測試，讀取CAMSMA實時數據，未有“變形”現象。其CAN總線通信都為正常。用GSM機加ANALYZER在現場長時間做測試移動網絡信號，也顯示正常，未出現斷網或者信號不穩定現象。經此多方查找仍未發現故障原因所在[2]。

出現數據傳輸缺測這種故障，其原因是多方面的，為解決故障根源，課題組人員首先多次與上級業務管理部門匯報，同時與廠家技術人員研討分析，廠家也多次安排技術人員遠程對其設備軟件優化升級，但故障現象均未排除。最后廠家技術人員認為問題可能出現在移動蜂窩網絡上，因各地基站網絡信號還是存在一定的差異，要解決只有更換4GGPRSDTU數據傳輸模塊。為了證實問題的所在，課題組先要廠家技術人員發了二個4GGPRSDTU裝機測試，通過一個星期的測試對比，證明問題還是出現在DTU上。但我市所有自動氣象區域站都是使用3G移動蜂窩網，現一次性要更換34套DTU，需要一筆不小的資金。可為啥同樣一個移動蜂窩網，北京華云COWS型自動氣象區域站又未出現過這種現象呢？所以課題組分析認為問題還不一定是移動網絡造成，而可能是DZZ3當時配置的DTU存在兼容性或者參數設置“漂移”等問題[3]。

帶著這種思路，課題組先是到移動公司更換了一批SIM卡，檢測是否為SIM卡與DTU存在是否不兼容的問題，經測試未發現不兼容。再次帶上ANALYZER與GSM機、PC機在現場反復多時段查測分析后，認為DZZ3當時配發的PRS-3IP-DTU存在網絡不兼容或是接收靈敏度低、發射功率不足等因素造成網絡不穩而斷網。只好拆DTU帶回實驗室做進一步測試分析。

通過對DTU的ST頻偏、SAT頻偏、晶體振蕩器及VCO電路測試，發現晶體振蕩器1#AFC信號有時出現細微跳變，（如圖3）從這一現象分析，說明AFC電路存在頻率不準或是頻偏問題。但很大程度可以說，一個DTU就是一臺微型PC，其基帶電路與射頻電路都是由軟件來控制工作的，如軟件程序資料有缺陷，也會導致一些怪異故障現象。

圖3 頻譜測試圖

3 試驗方法及技術改進

改進DTU參數：先運行多中心配置軟件，讀取DTU原有參數，對DTU部分傳輸參數進行多次配置調整對比測試。如下表1：

表1 DTU參數優化表

對晶體VCO電路改進：石英晶體振蕩器內部是一個LC諧振電路，是不能通過萬用表測量判斷其好壞，只有通過示波器或是頻譜儀測出的實時時鐘脈沖波型進行分析。而VCO電路是通過變容二極管容壓特性自動控制頻率的產生及穩定，如給它加上一個不同的控制電壓，它的電容量就會發生改變，使得與它組成的振蕩電路的頻率發生改變，從而穩定了電路的振蕩頻率。對DTU做如下改進，見圖4。

圖4 DTU改進圖

接收天線的改進：從2016年8月到2017年11月全市區域站逐步進行升級改造，按照中國氣象局要求原來建設在屋頂的臺站需落地，因而造成通訊天線位置降低。隨著移動運營商4G、5G信號建設完成，無疑對于用2G、3G的自動站通訊也有所影響。課題組對區域站天線信號強度做反復測試，如所屬湘東區荷堯站、蓮花縣六市站，安源區王家源等站點一天進行三次測試，連續4天，測試結果太多為3dbi左右波動，顯示天線信號偏弱[4]。此類站點有一共性，有的地理位置偏僻遠離移動基站、或受阻于高樓大山，導致一些站點移動網絡偏弱偏差。有鑒于此對天線進行了增益改進，采用700－2700MHZ4G12DBI接收天線替換900-1800MHZ2G5DBI天線，測試結果信號提高到大于9DBI。針對偏僻及受阻于高樓大山的臺站改為高增益平板天線及定向天線，信號強度得到明顯改善。

業務故障改進效果：經過近2年的測試、診斷、分析、調試、改進，全市34套dzz3型區域站資料上傳故障得到圓滿解決，在2020年10月后已經運行很平穩。2020年10月至2021年2月各月資料上傳及時率對比2019年各月、2020年1月9月資料上傳及時率由93.35%逐步提高到98.85%，提高了5.5%，比未經技術改造同一型號、臺站數量差不多的某市同期資料上傳及時率高出3.01%（數據來源江西省氣象局地面自動站數據質量統計分析報告相應各月）。改進前上線與改進后上線情況對比如下圖5。

圖5 改進前上線與改進后上線情況截圖

4 結語

（1）《DZZ3自動區域站設備資料上傳故障診斷及改進》項目組主要解決工作中實際問題，即DZZ3自動站因上傳路由更改而資料上傳不正常。為此課題組2018年8月到上海氣象儀器廠（長望設備生產商）與廠家技術人員和管理人員一起座談和討論并到技術測試室對照功能需求書測試相關技術參數。

（2）課題組在區域站現場用ANALYZER、GSM機、PC機等設備反復多時段查測后，對DTUVCO電路進行調整與改進；對軟件傳輸參數進行合理改進配置；對天線進行了增益改進，由4G高增益接收天線替換原來2G天線。通過此種技術診斷和改進，故障得到圓滿解決[5]。

（3）根據課題針對性試驗診斷，找出了故障原因，實施了改進措施，根據業務運行區域站數據采集傳輸及時率明顯提高。

（4）通過2年的運行監控及調試，確認改進后的區域站點傳輸數據穩定后才整理課題，但由于實驗條件所限，及移動運營商完成5G信號升級和調整，疏漏在所難免，后續還需考慮此因素開展研討。