邬清元 胡宇峰 徐朝霞 刘大明 邬思旸

1.萍乡市气象局 江西萍乡 337002；2.萍乡市安源区誉诚通讯 江西萍乡 337002

2018年3到4月间，根据江西省气象局统一规划要求，全省区域气象站采取监测数据集约化采集方式，所有区域站由省信息中心服务器统一采集数据，设区市级和县级不设数据采集节点。萍乡区域自动站有北京华云和上海长望两家公司生产的站点设备，在此传输路由情况下，我市上海长望DZZ3型自动区域站在设备正常运行情况下，总会有一定数量的站点出现上传资料不能到达信息中心数据库，且故障出现又是表现为随机性。每个站点不知什么时候会出现1小时或多个小时，有时达1天没有上传资料[1]。且不定时的反复，到现场对站点运行监控检测均未发现设备部件不正常的情况，为了解决这一技术难题，消除全市区域站数据传输不稳定情况，我们自筹资金成立课题组进行研究。

1 设备技术架构情况

DZZ3新型自动气象站是上海气象仪器厂生产，依据中国气象局监测网络司《新型自动气象（气候）站功能规格书》统一标准、统一功能、统一结构、统一方法、统一规范的设计思路，设计的一种高精度、高稳定、易维护、低功耗、易扩展和具有实时远程监控功能的新型气象观测仪器，能满足现有气象观测站观测业务的需要。我市目前共有该型号34套。

DZZ3站基于现代总线（CAN）技术和嵌入式系统技术构建，采用了国际标准并遵循标准、开放的技术路线进行设计，它由硬件和软件两大部分组成。硬件包括采集器（1个主采集器和若干个分采集器）、外部总线、传感器、外围设备四部分；软件包括嵌入式软件、业务软件二部分。其总体结构如图1所示。

图1 总线式自动气象站结构

主采集器是自动气象站的核心，由硬件和嵌入式软件组成。硬件包含高性能的嵌入式处理器、高精度的A/D电路、高精度的实时时钟电路、大容量的程序和数据存储器、传感器接口、通信接口、CAN总线接口、外接存储器接口、以太网接口、监测电路、指示灯等，硬件系统能够支持嵌入式实时操作系统的运行。其结构框如图2所示。

图2 动自气象站主采集器结构

2 故障诊断分析

从DZZ3CAMS-MA主采分拆，其自动化程度高，各设备、部件相辅相成，在硬件与软件任何一个部件缺失或受损都有可能破坏数据完整性，从而导致数据格式异常而不能上传。DZZ3CAMS-MA数据是通过串口外接GPRS和DTU传输，在DTU连线、天线、SIM卡接触不良、站点现场信号不稳定等也会造成数据上传缺测。维修数据缺测故障，大多都是主采时间不同步所致，所以先对站点的主采时间、接头电缆调整加固，监测几天，故障现象依旧。为测定故障原因，课题组带上维修设备，在现场实时数据侦测，通过PC-RS232做软件测试，读取CAMSMA实时数据，未有“变形”现象。其CAN总线通信都为正常。用GSM机加ANALYZER在现场长时间做测试移动网络信号，也显示正常，未出现断网或者信号不稳定现象。经此多方查找仍未发现故障原因所在[2]。

出现数据传输缺测这种故障，其原因是多方面的，为解决故障根源，课题组人员首先多次与上级业务管理部门汇报，同时与厂家技术人员研讨分析，厂家也多次安排技术人员远程对其设备软件优化升级，但故障现象均未排除。最后厂家技术人员认为问题可能出现在移动蜂窝网络上，因各地基站网络信号还是存在一定的差异，要解决只有更换4GGPRSDTU数据传输模块。为了证实问题的所在，课题组先要厂家技术人员发了二个4GGPRSDTU装机测试，通过一个星期的测试对比，证明问题还是出现在DTU上。但我市所有自动气象区域站都是使用3G移动蜂窝网，现一次性要更换34套DTU，需要一笔不小的资金。可为啥同样一个移动蜂窝网，北京华云COWS型自动气象区域站又未出现过这种现象呢？所以课题组分析认为问题还不一定是移动网络造成，而可能是DZZ3当时配置的DTU存在兼容性或者参数设置“漂移”等问题[3]。

带着这种思路，课题组先是到移动公司更换了一批SIM卡，检测是否为SIM卡与DTU存在是否不兼容的问题，经测试未发现不兼容。再次带上ANALYZER与GSM机、PC机在现场反复多时段查测分析后，认为DZZ3当时配发的PRS-3IP-DTU存在网络不兼容或是接收灵敏度低、发射功率不足等因素造成网络不稳而断网。只好拆DTU带回实验室做进一步测试分析。

通过对DTU的ST频偏、SAT频偏、晶体振荡器及VCO电路测试，发现晶体振荡器1#AFC信号有时出现细微跳变，（如图3）从这一现象分析，说明AFC电路存在频率不准或是频偏问题。但很大程度可以说，一个DTU就是一台微型PC，其基带电路与射频电路都是由软件来控制工作的，如软件程序资料有缺陷，也会导致一些怪异故障现象。

图3 频谱测试图

3 试验方法及技术改进

改进DTU参数：先运行多中心配置软件，读取DTU原有参数，对DTU部分传输参数进行多次配置调整对比测试。如下表1：

表1 DTU参数优化表

对晶体VCO电路改进：石英晶体振荡器内部是一个LC谐振电路，是不能通过万用表测量判断其好坏，只有通过示波器或是频谱仪测出的实时时钟脉冲波型进行分析。而VCO电路是通过变容二极管容压特性自动控制频率的产生及稳定，如给它加上一个不同的控制电压，它的电容量就会发生改变，使得与它组成的振荡电路的频率发生改变，从而稳定了电路的振荡频率。对DTU做如下改进，见图4。

图4 DTU改进图

接收天线的改进：从2016年8月到2017年11月全市区域站逐步进行升级改造，按照中国气象局要求原来建设在屋顶的台站需落地，因而造成通讯天线位置降低。随着移动运营商4G、5G信号建设完成，无疑对于用2G、3G的自动站通讯也有所影响。课题组对区域站天线信号强度做反复测试，如所属湘东区荷尧站、莲花县六市站，安源区王家源等站点一天进行三次测试，连续4天，测试结果太多为3dbi左右波动，显示天线信号偏弱[4]。此类站点有一共性，有的地理位置偏僻远离移动基站、或受阻于高楼大山，导致一些站点移动网络偏弱偏差。有鉴于此对天线进行了增益改进，采用700－2700MHZ4G12DBI接收天线替换900-1800MHZ2G5DBI天线，测试结果信号提高到大于9DBI。针对偏僻及受阻于高楼大山的台站改为高增益平板天线及定向天线，信号强度得到明显改善。

业务故障改进效果：经过近2年的测试、诊断、分析、调试、改进，全市34套dzz3型区域站资料上传故障得到圆满解决，在2020年10月后已经运行很平稳。2020年10月至2021年2月各月资料上传及时率对比2019年各月、2020年1月9月资料上传及时率由93.35%逐步提高到98.85%，提高了5.5%，比未经技术改造同一型号、台站数量差不多的某市同期资料上传及时率高出3.01%（数据来源江西省气象局地面自动站数据质量统计分析报告相应各月）。改进前上线与改进后上线情况对比如下图5。

图5 改进前上线与改进后上线情况截图

4 结语

（1）《DZZ3自动区域站设备资料上传故障诊断及改进》项目组主要解决工作中实际问题，即DZZ3自动站因上传路由更改而资料上传不正常。为此课题组2018年8月到上海气象仪器厂（长望设备生产商）与厂家技术人员和管理人员一起座谈和讨论并到技术测试室对照功能需求书测试相关技术参数。

（2）课题组在区域站现场用ANALYZER、GSM机、PC机等设备反复多时段查测后，对DTUVCO电路进行调整与改进；对软件传输参数进行合理改进配置；对天线进行了增益改进，由4G高增益接收天线替换原来2G天线。通过此种技术诊断和改进，故障得到圆满解决[5]。

（3）根据课题针对性试验诊断，找出了故障原因，实施了改进措施，根据业务运行区域站数据采集传输及时率明显提高。

（4）通过2年的运行监控及调试，确认改进后的区域站点传输数据稳定后才整理课题，但由于实验条件所限，及移动运营商完成5G信号升级和调整，疏漏在所难免，后续还需考虑此因素开展研讨。