自动气象站远程故障诊断与修复系统的研究与实现

自动气象站远程故障诊断与修复系统的研究与实现苏禹宾，李艳萍，陶伟（广西气象技术装备中心技术开发科，广西南宁530022）摘要：根据自动气象站的实际应用，提出了一种自动气象站远程故障诊断和修复系统的架构，并通过运行参数采集系统、子站现场诊断中心、无线网络接入系统、中心站远程诊断中心、故障修复系统等五个方面论述并实现了自动气象站故障的远程诊断和修复。关键词：故障诊断；远程诊断；故障修复；自动气象站1引言自动气象站属于无人值守型设备，而且大多数安装在野外，野外现场环境恶劣，电磁干扰严重，系统运行在这样的环境中面临着巨大的考验，并且，随着自动气象站布点密度不断加大，其维护难度也在不断增加，如果没有故障远程诊断与修复功能，一旦出现故障，可能导致系统运行不稳定乃至瘫痪而又不被人及时发现，造成数据大量缺测。系统远程故障诊断和修复的目的就在于监测系统各部件的工作状态，一旦出现故障，系统可根据配置情况，迅速确定与定位诊断故障的数量多少与位置，并可以进行一定的故障自我修复，及时向中心站报警，便于中心站根据故障修复情况进行进一步的修复维护。2系统总体架构图1自动气象站远程故障诊断和修复系统总体架构首先，运行参数采集系统实时采集自动气象站设备的各种参数，以便提取设备的状态信息和可能的故障信息，同时将参数信息送至子站现场诊断中心，子站现场诊断中心启动故障诊断程序，调用自身的参数库与故障库，作出故障判断，若确诊为故障，则一方面通过无线网络接入系统将故障信息及时上传至中心站远程诊断中心，以便中心站远程诊断中心根据故障修复情况作出进一步的故障排除，另一方面，子站现场诊断中心通知故障修复系统进行相应的故障修复，故障修复系统根据相应故障对自动气象站进行必要的一定的修复维护，如果子站诊断中心发现故障自我修复无效时，则迅速请求中心站远程诊断中心提供支持。中心站远程诊断中心在接收到故障信息或子站现场诊断中心请求支持时，调用自身的参数库与故障库，进行诊断决策并最终得到诊断结果和修复向导。自动气象站远程故障诊断和修复系统总体架构见图1。3运行参数采集系统运行参数采集系统子站现场诊断中心自动气象站设备无线网络接入系统中心站远程诊断中心故障修复系统运行参数采集系统以单片微型计算机为核心，通过实时采集自动气象站核心处理器以及气象传感器与其它外围电路或设备的运行参数，以及工作电流、电压等参数。运行参数采集系统通过两种方式获取运行参数信息，一是直接获取，即每隔一定时间直接采集自动气象站工作参数，比如工作电流、电压、气象传感器参数等；二是间接获取，即每隔一定时间向自动气象站核心处理器发送特定的采集指令,自动气象站核心处理器执行指令并把结果返回给运行参数采集系统。运行参数采集系统接收并提取数据后,把采集参数数据暂存并传送给子站现场诊断中心。运行参数采集系统要检测的参数通常包括以下几类：(1)自动气象站核心处理器的输入输出口、内部RAM、程序存储器代码、特定功能等相关参数测定。程序存储器代码一般通过直接获取方式提取，而输入输出口、内部RAM、特定功能等相关参数通常通过串行接口，发送特定的程序包，核心处理器返回特定的参数值。(2)气象传感器参数测定。它需要对雨量传感器、温度传感器、风向传感器、风速传感器、湿度传感器、气压传感器等各种气象传感器参数进行定性和定量的分析和测定，并形成数字量，便于分析。(3)其它外围电路或设备参数采集。包括实时时钟参数、数据存储器参数、液晶显示参数等(4)设备工作电流、电压等参数。4子站现场诊断中心子站现场诊断中心接收到运行参数采集系统传送过来的参数数据即启动自诊断程序，执行自诊断程序包，调用自身的参数库与故障库进行分析比较，确定自动气象站设备是否已出现故障或将要出现故障。故障分析采用的方法比较多，最常用的方法是将采集的运行参数与正常的运行参数进行比较。子站现场诊断中心包括的自诊断程序包有以下几种：(1)上电自检程序包。自检对象包括电源电路、自动气象站各种设备的基本参数。(2)气象传感器诊断程序包。翻抖式雨量传感器干簧管是否常闭或触发脉冲抖动是否过大、温度传感器是否短路或开路或同一时刻温度值漂移过大，风向、风速、湿度、气压等传感器是否存在输入输出信号值域偏移或功能检测异常（检测相应传感器的输出参数变化，若传感器输出信号没有按照程序规定的参数变化，就确认出现故障）。(3)数据存储器诊断程序包。输入输出口是否正常、器件地址是否正常、读写是否失效等。(4)核心处理器诊断程序包。检验RAM读写是否正常、程序存储器代码校验是否正确、核心处理器输入输出口时域测定（某一输入或输出信号在一定的时间内没有发生变化或变化没有达到预先规定的次数时，诊断系统就确定该信号出现故障）是否异常。(5)实时时钟诊断程序包。诊断时钟是否停走、时钟值是否混乱、时钟芯片电路接口电平是否出错、走时是否过快或过慢等等。(6)设备工作电压、电流值域判定。判断是否超出规定的数值范围，是否存在过压、过流、欠压等情况。子站现场诊断中心具有参数库与故障库，参数库存储设备正常运行参数，故障库存储故障信息和相应的解决方案。其参数库与故障库均可以由中心站远程诊断中心实时更新升级，不断提高诊断能力。5无线网络接入系统无线网络接入系统主要由GPRS无线通信模块组成。它是一种基于移动通信GPRS网络平台提供无线数据服务的设备。图2是其原理框图。图2无线网络接入系统原理框图子站现场诊断中心与中心站远程诊断中心互相通信，主要通过两种组网方式，一是Internet接入高速嵌入式处理系统GPRS调制解调器SIM卡与天线数据通信接口（TTL）方式，另一种是移动网络APN专线接入方式。组网方式示意图见图3。图3组网方式示意图6中心站远程诊断中心中心站远程诊断中心一方面为设备的故障诊断提供相应的知识，并对现场设备进行必要的维护；另一方面不断获取子站现场诊断中心的信息，由诊断专家或设备开发人员不断完善参数库与故障库，从而不断提高自身的诊断智能和远程服务的能力。若故障特别复杂，还可由中心站远程诊断中心真正的诊断专家或设备开发人员通过无线网络接入系统现场指导，用户按照专家的提示进行检测，直至排除故障。远程诊断中心同样也具有参数库和故障库，参数库用来存储子站现场诊断中心送来的参数信息和正常的运行参数；故障库同样用来存储故障信息和解决方案。诊断专家以及设备开发人员需根据故障信息不断的更新升级诊断参数库和故障库，形成了丰富的诊断参数库和故障库，提高了故障诊断的准确性和可靠性。7故障修复系统故障修复系统对自动气象站设备具备一定的远程修复能力。当自动气象站设备出现故障时，故障修复系统根据相应故障，一般采用以下几种修复方案：（1）启用备份系统，执行自动气象站基本功能操作。（2）启用过压、过流、欠压保护电路。（3）对整个自动气象站进行冷重启。（4）自动气象站核心处理器软件修复，执行系统重构。可通过两种方式软件修复重构，一是本地刷新处理器内部代码，二是远程下载升级处理器代码。故障修复系统所具有的自我修复能力是有限的，在无法修复情况下（比如某些部件损坏）需要人工参与修复。8结语该系统作为一个实用的系统,提供了多种故障远程诊断的方法以及修复方案，可对自动气象站设备进行有效的远程实时故障监测。该系统已应用于DSD14型自动雨量站及其衍生升级产品DSD14型自动温度雨量站中，并在广西气象系统中得到广泛应用，取得了良好的效果，证明该系统具有较好的实际应用价值。参考文献:[1]严旭等.中小型系统远程故障诊断和维护技术的研究[J].微计算机信息，2003，（08）.[2]李常禧.电气设备诊断技术概论[M].北京：水利电力出版社，1994.[3]胡玉峰.自动气象站原理与测量方法[M].北京：气象出版社，2004.[4]李伯成.嵌入式系统可靠性设计[M].北京：电子工业出版社，2006.[5]沙占友等.单片机外围电路设计（第2版）[M].北京：电子工业出版社，2006.服服务务中中心心IINNTTEERRNNEETTGGPPRRSS无无线线终终端端