用于高海拔环境的多要素集成式自动气象观测系统
阅读说明：本技术 用于高海拔环境的多要素集成式自动气象观测系统 (Multi-element integrated automatic meteorological observation system for high-altitude environment ) 是由 李久乐 曹文平 曹文琦 于 2021-02-01 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种用于高海拔环境的多要素集成式自动气象观测系统,包括：传感器模块、数据处理模块以及供电模块。传感器模块,包括：风向和风速传感器、大气温度传感器、大气湿度传感器、大气压力传感器以及太阳辐射和发照率传感器；数据处理模块,电连接传感器模块,以获取传感器模块所采集的数据；供电模块,电连接传感器模块和数据采集模块并为其供电,包括超低温锂电池功率单元和可充电低温锂电池单元,可充电低温锂电池单元电连接一太阳能电池板。本系统结构简单、精度高、操作方便适于在青藏高原等高海拔恶劣气候环境区的气象观测。(The invention discloses a multi-element integrated automatic meteorological observation system for a high-altitude environment, which comprises: the device comprises a sensor module, a data processing module and a power supply module. A sensor module, comprising: wind direction and wind speed sensors, atmospheric temperature sensors, atmospheric humidity sensors, atmospheric pressure sensors and solar radiation and irradiance rate sensors; the data processing module is electrically connected with the sensor module to acquire the data acquired by the sensor module; the power supply module is electrically connected with the sensor module and the data acquisition module and supplies power to the sensor module and the data acquisition module, and comprises an ultralow-temperature lithium battery power unit and a rechargeable low-temperature lithium battery unit, wherein the rechargeable low-temperature lithium battery unit is electrically connected with a solar cell panel. The system has simple structure, high precision and convenient operation, and is suitable for meteorological observation in high altitude severe climate environment areas such as Qinghai-Tibet plateau.)
技术领域
本发明涉及气象观测技术领域，具体涉及一种用于高海拔环境的多要素集成式自动气象观测系统。
背景技术
青藏高原是地球上最独特的地质-地理-生态单元，是开展地球与生命演化、圈层相互作用及人地关系研究的天然实验室。过去50年来，人类经历了前所未有的全球变暖，青藏高原更是全球气候变暖最强烈的地区，其变暖幅度是全球平均值的2倍，在全球每十年升温0.17℃的背景下，这一地区每十年升温幅度高达0.3-0.4℃；在全球变暖背景下，青藏高原的生态环境变化更为剧烈和复杂，西风-季风相互作用的变化引起了青藏高原生态环境和水循环格局的重大变化，对社会和经济发展以及人类生存环境造成了重大影响。
目前，青藏高原现代气候环境的观测研究手段主要为地面监测。我国在青藏高原及其邻近地区已经建有大量长期定位野外观测研究站，逐渐形成了完整覆盖青藏高原地区的地表过程观测研究网络，对区域大气、冰川、冻土、积雪、河流、湖泊、生态系统、地质灾害等开展了广泛观测研究。但随着第三极气候环境变化研究的深入，野外监测越来越强调连续动态性、智能自动化和大空间尺度性，以获取更加普适的变化过程与机理。然而，由于极高海拔区环境恶劣，人员无法到达或难于长期坚守，高寒区气候环境监测点位还远远不能满足时空变化分析需要，高寒区气候环境的很多变化过程，如：冰川或高寒草甸等表面区域不同位置的反照率和温度场能量分布、同一区域不同海拔位置处的大气湿度等等尚不能得到精确分析，从而制约了未来气候环境变化趋势和生态环境可持续的预测分析。
自上世纪50年代开始，自动化气象条件观测技术作为一种新型辅助监测手段逐渐替代人工观测，从而使得全天候地面固定监测成为可能。上世纪70年代以来，该类技术在青藏高原得到广泛应用，该类设备将相应的气象要素传感器安装于塔架之上，开展自动化监测，为人员难到达区域的实时气候环境监测提供了技术支撑，为研究青藏高原气候环境特征及变化做出了巨大贡献。同时不可否认的是，青藏高原地区所普遍使用的全自动气象条件观测设备大多为国外生产，价格昂贵。平均每套自动化多参数气象条件监测设备的价格超过15万元人民币。而且，设备中所有用电模块均依赖于唯一的太阳能板供电模块，在该模块失效后，设备立即整个处于不工作状态。其次，该设备数据处理模块集成度不高、体积大、较重，在极高海拔区安装布设不方便。设备所搭载的传感器在极高海拔区的工作能力不佳，主要体现在测量精度有待提升，元器件在低压环境下的工作时间短，已损坏，受存储空间影响数据采集的时间分辨率也有待提高等。上述综合因素也限制了该设备在高原极高海拔区的布设点数量和数据品质。
鉴于此，为了经济化、便携轻便、更具移动性、更高精度地辅助开展青藏高原极高海拔区气候环境条件的观测研究，为全球气候变化下背景下，辅助现有的野外科考工作开展更多点位、更高海拔和更精数据的观测获取，揭示极高海拔区的环境变化过程与机理，提高对全球气候环境变化趋势预测的精度，十分有必要研究开发一种新的适用于极高海拔区多要素环境条件的集成式自动化观测系统。这不仅能提高极高海拔区野外观测点的布设密度，也能从垂直海拔结构层面细化相关研究的精度，具有十分重要的科学意义和社会价值。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于高海拔环境的多要素集成式自动气象观测系统，其性能稳定、易于携带、电池使用寿命长，适于在青藏高原等高海拔恶劣气候环境区的气象观测。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种用于高海拔环境的多要素集成式自动气象观测系统，所述系统包括传感器模块、数据采集处理模块以及供电模块；所述传感器模块包括第一传感器组和第二传感器组；所述数据采集处理模块电连接所述传感器模块，以获取所述传感器模块采集的数据；所述供电模块包括第一电源、第二电源和DCDC单元；所述第一电源的输出电压为第一电压，所述第一电源的正极电连接所述DCDC单元的输入端，以将所述第一电压转换为第二电压，DCDC单元的输出端电连接所述数据采集处理模块和所述第一传感器组；所述第一电源的正极还电连接所述第二传感器组；所述第一电源的负极接地；所述第二电源的输出电压为第三电压，其包括一连接点、电容电池、至少一超低温锂电池和二极管；所述连接点电连接所述数据采集处理模块和第一传感器组；所述电池电容的正极电连接所述连接点，其负极接地；所述超低温锂电池的正极电连接所述二极管的正极，所述二极管的负极电连接所述连接点，所述超低温锂电池负极接地；其中，所述第二电压略高于所述第三电压。
在一实施例中，所述第一传感器组包括大气温度传感器、大气湿度传感器、大气压力传感器、以及太阳辐射与发照率传感器；所述第二传感器组包括风向和风速传感器。
在一实施例中，所述系统还包括呈圆柱形的微型百叶箱；所述大气温度传感器、大气湿度传感器和大气压力传感器置于所述微型百叶箱内并安装于一底座上，所述大气温度传感器、大气湿度传感器和大气压力传感器的引线由所述底座的下端引出。
在一实施例中，大气温度传感器外侧套接一导热盲管。
在一实施例中，所述数据采集处理模块和供电模块安装于一密封壳内。
在一实施例中，所述系统还包括基座、支架和横臂；所述支架竖直安装在所述基座上，所述密封壳和微型百叶箱分别固定在所述支架的两侧；所述横臂固定在所述支架的顶端，所述横臂为一方管，其一端安装所述风向和风速传感器，另一端安装所述太阳辐射与发照率传感器。
在一实施例中，所述太阳辐射和发照率传感器通过一连接杆连接一方形连接块，所述方形连接块是插接在所述方管内，使得所述太阳辐射与发照率传感器在水平方向上向所述方管的远处延伸。
在一实施例中，所述数据采集处理模块包括数据采集子模块、数据存储子模块和电源管理子模块；所述数据采集子模块用于采集所述传感器模块测得的数据，并存储所述数据存储子模块中，所述电源管理子模块用于按照预设的时间间隔使得所述数据采集处理模块与所述供电模块间歇性电连接。
在一实施例中，所述第一电源为可充电的低温锂电池，所述大气温度传感器为铂电阻温度传感器。
本发明的优点在于：
本发明提供的用于高海拔环境的多要素集成式自动气象观测系统，性能稳定、易于携带、电池使用寿命长，适于在青藏高原等高海拔恶劣气候环境区的气象观测。
附图说明
图1是本发明的用于高海拔环境的多要素集成式自动气象观测系统的主要结构框图。
图2是本发明的用于高海拔环境的多要素集成式自动气象观测系统的立体结构示意图。
图3是本发明的用于高海拔环境的多要素集成式自动气象观测系统的分解结构示意图。
图4是本发明的微型百叶箱及其内部结构示意图。
图5是本发明的大气温度传感器、大气湿度传感器和大气压力传感器结构示意图。
图6是本发明的微型百叶箱的剖面结构示意图。
图7是本发明的供电模块的结构示框图。
具体实施方式
参阅附图1，图1示例性示出了用于高海拔环境的多要素集成式自动气象观测系统的主要结构。如图1所示，本发明提供的用于高海拔环境的多要素集成式自动气象观测系统主要包括：传感器模块10、数据采集处理模块20以及供电模块30。
传感器模块10是由多个不同类型的传感器组合构成。传感器模块10包括第一传感器组11和第二传感器组12。将传感器模块10中传感器分为两组，是考虑到传感器的供电电压不同，可以根据其供电电压将传感器模块10分为第一传感器组11和第二传感器组12。具体地，第一传感器组11包括大气温度传感器13、大气湿度传感器14、大气压力传感器15以及太阳辐射与发照率传感器16。第二传感器组12包括风向和风速传感器17。
请参阅附图2和3，本发明的用于高海拔环境的多要素集成式自动气象观测系统还包括基座40、支架41、横臂42、密封壳43以及呈圆柱形的微型百叶箱44。该基座40可搭载于无人机、测量车等移动式搭载设备上。该支架41竖直安装在基座40上，密封壳43和微型百叶箱44分别固定在支架41的两侧。横臂42固定在支架41的顶端。该横臂42为一方管，其一端安装风向和风速传感器17，另一端安装太阳辐射与发照率传感器16。太阳辐射与发照率传感器16通过一连接杆连接一方形连接块47，该方形连接块47是插接在方管内，使得太阳辐射与发照率传感器16在水平方向上向方管的远处延伸，如此，可避免在安装于移动式搭载设备时，载体结构对太阳辐射和发照率测量的影响，采用外延横臂42式的结构，也保证测量的地面反照率数据的准确性。
数据采集处理模块20和供电模块30安装于该密封壳43内。密封壳43为长方形的防水密封壳43，采用轻型高硬度铝合金材质制成。如此，在实现防水的同时，也起到气密作用，使密封壳43内的气压维持在一个正常的水平。
参阅附图4至6，该大气温度传感器13、大气湿度传感器14和大气压力传感器15置于微型百叶箱44内并安装于一底座49上。并且大气温度传感器13、大气湿度传感器14和大气压力传感器15的引线由底座49的下端引出。其中，大气温度传感器13外侧套接一导热盲管48。将大气温度传感器13、大气湿度传感器14和大气压力传感器15都安装在一个微型百叶箱44中，缩小了系统整体尺寸，比常规安装方法更为紧凑，也可平稳气流，并具备防雨雪性能，还可避免在使用过程中对传感器的磕碰。优选的，该微型百叶箱44为防辐射材质构成，以保障该三类传感器测量结果不受太阳辐照影响，测得的数据更准确。
本实施例中，大气温度传感器13为铂电阻温度传感器，测量范围为-60～80℃，精度为0.15℃，精度级别1/3B。其封装于5mm直径的高导热材料的导热盲管48内，导热盲管48优选为304不锈钢。导热盲管48的管外采用耐低温高粘性套管固定信号电缆与管壁，以保证大气温度传感器13的耐低温和防水性能。大气湿度传感器14采用精度为±2％RH的高精度监测芯片，并具备自动温度校准功能。该芯片被低温焊接于转接电路板上，焊接过程中控制温湿度，以减少对传感器性能的影响。大气湿度传感器14测量范围为0-100％无凝结，在20℃时的精度为2％RH(0至90％相对湿度)、3％RH(90至100％相对湿度)。大气压力传感器15为PTB210传感器，监测范围为50～1100hPa，工作温度-40～80℃，在20℃时精度为0.5hPa。太阳辐射与发照率传感器16为一高稳定性的硅光伏探测器，工作温度-40～+80℃，波长范围300～28、42000nm。风向与风速传感器为034B传感器，采用脉冲式信号输出，风速量程为0～75米/秒，启动风速为0.4米/秒，风速精度为0.11米/秒，风向精度为4度。
数据采集处理模块20电连接传感器模块10以获取传感器模块10采集的数据。具体地，数据采集处理模块20包括数据采集子模块21、数据存储子模块22和电源管理子模块23。数据存储子模块22与数据采集子模块21电连接，数据采集子模块21用于采集传感器模块10测得的数据，并存储数据存储子模块22中。数据存储子模块22可将数据采集子模块21采集的各项缓存数据，第一时间内存储到本地FLASH中。对于高海拔区恶劣环境条件造成的人员设备数据下载频率低的问题，可以选配数据存储量大和保存性能高的存储装置作为数据存储子模块22进行组配。电源管理子模块23用于按照预设的时间间隔使得数据采集处理模块20与供电模块30间歇性电连接。如此可使数据采集处理模块20可按一定时间间隔采集数据，并在采集数据时供电模块30为其供电，有效减少系统的平均能耗，延长系统的工作时间。数据采集处理模块20的记录间隔可由用户简单配置，缓慢变化的参数可采用取平均值的方式获取，瞬间变化的参数采用取瞬时值的方式获取。记录结果直接存储于FLASH上，其为非易失性存储模式，即便系统电量为零也不会丢失所记录的数据。
本实施例中，数据采集处理模块20为一块整体的集成电路板，与传感器模块10和供电模块30相连。数据采集处理模块20采用高集成度MCU和专用高精度ADC芯片。ADC采样位数为24位，精度可达0.1μV。并采用正负电流交替生成参考电压的方式和多次采集软件滤波的方法进行测量，保证采样结果的准确性和稳定性。数据处理模块采用的所有芯片都具备低功耗工作模式，低功耗时整机工作电流为μA级别，保证了设备在野外的续航能力。数据采集处理模块20采用标准USB口作为数据回读接口24，方便用户在现场用便携式PC进行数据回读。数据处理模块作为OTG设备，与电脑连接后显示为U盘，用户可直接将数据拷贝出来即可。通过修改config文件中的参数数值可设置仪器的记录间隔，并完成系统实时时钟的校时。
数据采集子模块21的软件部分可以设计低频滤波器，对于同一时间点的数据，可以通过多次快速采集和软件滤波，得出即时的环境条件参数或者平均环境条件参数进行记录。其中，可以对于大气温度数据的采集，采用高精度的16位精度芯片采集铂电阻温度，该芯片内部具备一对的匹配电流源，实行三线制采集，以消除传感器电缆本身的电阻对采集数据的影响。对于太阳辐射与发照率数据的采集，采用24位精度的芯片采集太阳辐射与发照率传感器16的参数，采集接口全部采用查分模式，以有效降低信号共模电压对采集数据的影响。
请参阅附图7，供电模块30包括第一电源31、第二电源32和DCDC单元33。第一电源31的输出电压为第一电压，第一电源31的正极电连接DCDC单元33的输入端，以将第一电压转换为第二电压。DCDC单元33的输出端电连接数据采集处理模块20和第一传感器组11。第一电源31的正极还电连接第二传感器组12。第一电源31的负极接地。第二电源32的输出电压为第三电压，其包括一连接点321、电容电池322、至少一超低温锂电池323和二极管324。连接点321电连接数据采集处理模块20和第一传感器组11。电容电池322的正极电连接连接点321，其负极接地。超低温锂电池323的正极电连接二极管324的正极，二极管324的负极电连接该连接点321，超低温锂电池323负极接地.。其中，第二电压略高于第三电压。本实施例中，第一电源31为可充电的耐低温锂电池，其具有充电接口311，可外接太阳能板、风力发电装置、市电等。第二电源32的电容电池322、一超低温锂电池323和二极管324组成超低温锂电池功率单元。
于使用中，第一电源31和第二电源32同时为系统电力，第一电源31作为主电源输出第一电压，例如12V，可为需12V供电的第二传感器组12提供电力，其经DCDC单元33进行电压转换为第二电压，例如3.3V，可为数据采集处理模块20和第一传感器组11提供电力。第二电源32为辅助电源，其设置有电容电池322、超低温锂电池323和二极管324。电容电池322和超低温锂电池323并联，同时为系统供电。超低温锂电池323可持续长久供电，但是难以提供大电流。而电容电池322不仅能够作为电池提供电力，其还具有电容特性，储备大量电荷，可提供大电流。系统启动时往往需要大电流，在第一电源31因极端天气失效的情况下，第二电源32也利用电容电池322启动系统，使系统正常工作。
另外，第二电源32的输出电压为第三电压，该第二电压略高于第三电压，可以理解的是，例如常规的电路板和传感器需供电的标准电压是3.3V，其在略高于3.3V或略低3.3V时，也能正常工作，即常规的电路板和传感器工作电压在3.3V附近。例如，第二电压为3.3V，而第三电压可以为3.20V、3.25V、3.5V等，只要第二电压略高于第三电压，而第三电压能够单独使数据采集处理模块20和第一传感器组11工作即可。将第二电压略高于第三电压的优势在于：第二电源32的超低温锂电池323串联一个二极管324，第一电源31和第二电源32同时供电时，第二电压略高于第三电压，这样二极管324起到钳位作用，使的第二电源32仅提供很少的电力，如此可大大延长第二电源32的供电时间。而在第一电源31因极端天气失效或电量耗尽时，系统在不断电的情况下，能够继续工作很长时间。
综上，本发明采用双电源供电，双电源是由超低温锂电池功率单元和可充电的耐低温锂电池组成。为确保在高海拔低温环境条件下的供电效率和时间长度。可充电的耐低温锂电池，可与外部的太阳能板连接作为其自身电能来源，其存储的电能同时为传感器模块10和数据采集处理模块20供电，可充电的耐低温锂电池为主电源。超低温锂电池功率单元自身存储一定电能，专门为第一传感器组11和数据采集处理模块20提供辅助电源，确保在可充电的耐低温锂电池主电源因极端恶劣环境失效情况下，该超低温锂电池功率单元也能单独为第一传感器组11和数据采集处理模块20供电，延长系统整体观测时间，并能够保证使数据采集处理模块20采集到电源情况、时间戳及时设备的记录故障情况。
本发明提供的用于高海拔环境的多要素集成式自动气象观测系统，其结构简单、轻快便携、获得数据种类多、精度高、操作方便、使用寿命长、清洁无污染，适于在青藏高原等高海拔恶劣气候环境区，通过地面移动式设备搭载，高效开展多要素环境条件的自动化监测工作。
本发明采用全密封设计防水防潮设计，可有效应对高海拔地区无人值守情况下积雪覆盖渗水和高低温交叉结露导致的设备工作不正常情况。采用高集成度小型化设计，电路部分采用高集成度设计思想，设备的整体结构采用紧凑型设计思路。设备的体积和重量都限定在单人轻松搬运的范围内，方便野外运输和布置。
以上所述是本发明的较佳实施例及其所运用的技术原理，对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案基础上的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均属于本发明保护范围之内。
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