自動気象観測所(AWS) 信頼性の高いモニタリングを実現する研究グレードのステーション

各センサーは、1 つまたは複数のパラメータを測定し、各測定値を電気信号に変換し、その信号をデータロガーに送信するように調整されています。送信される電気信号は、多くの場合、センサの配線を通じて伝送されるため、特殊なコネクタが必要になる場合があります。または、ワイヤレス通信を介して伝送することもできます。

センサが使用するワイヤの数やコネクタの種類は、センサが出力する信号の種類によって異なります。信号の種類は、さまざまなセンサによって異なります。一般的な信号の種類には、電圧、電流、パルス、デジタル、シリアルなどがあります。ワイヤレス インターフェイスがセンサに統合されている場合、データロガーには対応するワイヤレス デバイスが必要です。

データロガー

注意: 技術的には、自動気象ステーションでは、データロガーの代わりに PLC (プログラマブル ロジック コントローラー) や RTU (リモート ターミナル ユニット) などの測定および制御デバイスを使用できます。ただし、この章では、自動気象ステーションのアプリケーションに柔軟性を提供する傾向がある汎用データロガーに焦点を当てます。たとえば、柔軟性のあるデータロガーは、リモートモニタリング用に現場に簡単に設置でき、屋外での継続的な使用に耐えるほど耐久性があり、無人アプリケーションに必要な電力も低く抑えられます。

データロガーは、指定された間隔 (スキャンレート) が経過した後、指定された条件下、または特定のイベントタイプ (降雨など) の発生後に、センサを繰り返しスキャンするようにプログラムできます。高度なデータロガーは、センサから電気信号を受信し、プログラムされた計算を実行し、必要に応じてデータを他の測定単位に変換し、結果データをデータロガーのメモリに保存できます。さらに、データロガーは PLC や RTU と同様に制御操作を実行できます。

センサからの信号出力は、接続先のデータロガー入力端子と互換性がある必要があります。データロガーには、さまざまなセンサ構成に対応するためにさまざまな入力接続が用意されているほか、一般的に使用されるセンサタイプ用のオンボード命令も用意されています。異なるセンサ構成や新しいデータ処理要件が必要な場合は、マルチプレクサを使用して一部のデータロガーの機能を拡張できます。

通信（データの保存と取得）

データロガーで取得したデータを保存したり、データと計算値を PC やその他のデバイスに転送してアクセス、共有、分析、レポート作成を向上させるために、さまざまな方法を使用できます。これらの方法では、オンサイト オプションとテレコミュニケーション オプションを備えたさまざまな通信周辺機器が使用されます。

• データロガーは、現地の PC に直接接続できる場合もあります。現地のその他の外部メモリオプションには、USB フラッシュ メモリ、microSD カード、またはメーカー固有のソリューションがあります。
• 多くのサイトでは、通信を提供したり、リモートデータを取得したりするために、リモート テレメトリ周辺機器を使用すると便利です。有線リモート テレメトリ オプション (イーサネット、マルチドロップ ネットワーク、衛星、短距離モデム、固定電話、音声合成電話) とワイヤレス オプション (無線周波数、携帯電話、Wi-Fi) があります。

ソフトウェア

データロガーで取得したデータの共有、分析、レポート作成を支援するために、専用のソフトウェアが使用されます。ソフトウェア パッケージは、次のようなさまざまなタスクを支援します。

• データロガーとの通信用カスタムアプリケーションの開発
• データロガープログラムの作成と編集
• クラウドベースのデータ収集
• データベースにおけるデータの整理と保存
• PC間のデータ配信
• iOSまたはAndroidデバイスとの通信
• 複数のデータロガーからのデータをひとつのWebページにグラフィカルに表示

電源

自動気象ステーションを動作させるには、信頼性の高い電源が必要です。ステーションが AC 電源にアクセスできない場所に設置されている場合は、通常、充電式バッテリーが使用されます。必要なバッテリーの数とサイズは、自動気象ステーション (テレメトリを含む) の電流消費量 (または電力要件)、メンテナンス間隔、およびバッテリを充電するために特定の緯度で特定の時間間隔 (たとえば 24 時間) に利用できる太陽光発電量によって異なります。

アルカリ電池は交換が必要で、充電式電池は充電が必要です。電池を充電するには、レギュレータと充電電源を使用する必要があります。充電電源は通常、AC 変圧器またはソーラーパネルです。(自動気象ステーションへの電力は、レギュレータと充電電源を使用して充電される外部充電式電池で補うことができます。) 風力タービン、燃料電池、ディーゼルまたはガソリン発電機が充電電源として使用されることもあります。

収納ケースや三脚等

自動気象ステーションの最も敏感な機材を天候から保護するために、データロガー、通信周辺機器、電源、および一部のセンサを収容する適切なサイズの環境エンクロージャ（屋外収納ケース）が通常使用されます。自動気象ステーションのコンポーネントは、エンクロージャ内に配置されているか、直接天候にさらされているかに関係なく、グループ化され、三脚、タワー、ブイなどの安定した構造物に取り付けることで物理的にサポートされます。さまざまな測定要件を満たすために、さまざまな三脚とタワーの高さが用意されています。

自動気象観測所はどこで使用できるか?

多くの自動気象ステーションは通常の環境に設置できるように設計されていますが、極端な環境条件向けに特別に設計されたものもあります。これらの極端な環境には、山岳地帯、砂漠、ジャングル、鉱山、海洋、流氷などがあります。自動気象ステーションは、監視期間が終了するまで、つまり数十年後になるまで、さまざまなセンサからの測定データを自動的に処理して記録するため、長期間放置されることがよくあります。

自動化された気象観測所は、単一の場所からデータを収集するように配置することも、複数の観測所をネットワーク化して（メソネットなど）より広い地理的エリアのデータを取得することもできます。

(To learn more about mesonets, visit the “Mesonet Essentials” web page.)

自動気象観測所はそれぞれどう違うか?

自動気象観測所はさまざまなレベルで比較対照できますが、次に挙げる主な特徴は、留意しておくと役立つ場合があります。

• 品質
• 柔軟性と拡張性
• インストール方法
• 設定

品質

自動気象ステーションの分類には、メーカーによって基準が異なることに注意することが重要です。たとえば、あるメーカーが「プロ用」機器とみなすステーションが、別のメーカーでは家庭での個人使用（趣味で屋根にステーションを設置するなど）にのみ適していると考えられる場合があります。自動気象ステーションの分類に使用される用語は一貫していないため、自動気象ステーションを区別するために、用語だけに頼るべきではありません。むしろ、自動気象ステーションの本来の目的と設置場所を理解し、その目的を達成するためのステーションの成功の可能性に影響を与える品質関連の特性を考慮することが重要です。

次のセクションで説明する自動気象ステーションの品質関連特性は、そのパフォーマンスと本来の目的の達成に影響を与える可能性があります。

• 測定品質（正確度、精密度、解像度）
• 信頼性
• 現場での期待寿命

測定品質

正確度、精密度、分解能は、測定品質を説明するときによく混同され、不正確に使用される用語です。これらの用語の意味を明確にするために、次の簡単な定義を示します。

• 正確度とは、実際の値に可能な限り近い結果を提供する測定能力です。
• 精密度とは、同じ量を繰り返し測定した場合の一致度合いです。
• 分解能とは、検出できる量の最小の変化です。

自動気象観測所の品質は、その正確さ、精度、解像度に反映されますが、これらの特性は直接相関しているわけではありません。たとえば、自動気象観測所が非常に正確な測定値を提供できるからといって、その測定値が必ずしも高精度であるとは限りません。

自動気象ステーションは、さまざまな目的のために構築されています。たとえば、測定品質 (正確さ、精度、解像度) が低い屋外の気温と湿度を記録する単純なステーションは、気象愛好家のデータ ニーズと低コストの要件を満たす可能性があります。一方、気象情報の取得と配信を主な業務または目的とする組織では、気温と湿度だけでなく、気圧、降水量、風向、風速、その他のパラメーターも記録できる、より測定品質の高い、より高度な自動気象ステーションが必要になる場合があります。

信頼性

気象愛好家が行う気象測定の信頼性や長期にわたる一貫性は、気象愛好家が必要とするのは断続的なデータだけである可能性があるため、重要な要素ではないかもしれません。しかし、激しい嵐の予測と報告のためのデータを提供するために毎日一貫して稼働している自動気象観測所に大きく依存している国立気象報告機関の場合は、同じことが当てはまりません。

現場での期待寿命

自動気象観測所の目的と使用方法を考える場合、耐久性は重要な要素です。個人用気象観測所に最小限の費用を費やした気象愛好家は、観測値が不規則になったり、完全に故障して短期間で交換が必要になったりしても気にしないかもしれません。対照的に、気象データの取得、評価、配布を主な業務とし、データ取得にかなりのリソースを費やした組織は、自動気象観測所が耐久性があり、長期にわたる監視を提供することを期待します。

柔軟性と拡張性

多くの場合、自動気象ステーションの柔軟性と拡張性は、使用するデータロガーによって決まります。データロガーの柔軟性は大きく異なります。

• 一部のデータロガーは、メーカーが事前にプログラムした指示に従ってのみ使用できます。これらのデータロガーは、メーカーが設定した間隔でのみセンサをスキャンし、測定データを記録できます。
• その他のデータロガーは、一定の制限内で設定できます。これらのデータロガーでは、選択できる間隔オプションがいくつかある場合があります。
• さらに他のデータロガーは、ユーザーに多様なプログラミングオプションを提供します。プログラミング言語を使用して、これらのデータロガーは、一定の間隔で、指定された条件下で、またはイベント (降雨量など) に応じてデータを測定および記録するように設定できます。

さらに、データロガーによってセンサの互換性には大きなばらつきがあります。データロガーによっては、データロガーに付属のセンサのみをスキャンできるものもあれば、同一メーカーのセンサのみをスキャンできるものもあり、また、電気信号でほぼすべてのセンサを測定できるほど幅広い端子の選択肢を備えたデータロガーもあります。

柔軟性と拡張性のオプションを提供するデータロガーは、提供される端末の数 (接続できるセンサやその他のデバイスの数を決定) と、提供される端末の種類 (接続できるセンサやその他のデバイスのタイプを決定) が異なります。データロガーと、マルチプレクサなどの必要な互換性のある拡張モジュールを選択することで、現在および将来の拡張性のニーズに対応できます。

柔軟なデータロガーを使用すると、必要に応じてセンサを簡単に取り外したり追加したりして、必要なときに必要な測定値を取得できます。

インストール方法

すべての自動気象ステーションは、ポータブルまたは恒久的な設計になっています。「ポータブル」と「恒久的」という用語は、堅牢性と安定性が大きく異なるさまざまな自動気象ステーションを指すために使用される場合があることに注意してください。たとえば、あるメーカーが「ポータブル」とラベル付けしたステーションは、実際には別のメーカーの「恒久的」ステーションよりも頑丈である可能性があります。

ポータブルステーション

通常、ポータブル自動気象ステーションは、ある場所から別の場所に簡単に移動できるものと考えられています。(ただし、必要な場合は、ポータブルステーションを 1 つの場所に残しておくこともできます。) 多くの場合、ポータブルステーションは、地面に直接固定された三脚を使用して設置されます。支線キットを使用すると、ポータブルステーションの安定性を高めることができます。

一部のアプリケーションでは、短時間の気象状況を監視できるように、すぐに設置できるポータブルステーションが必要です。たとえば、計画的な焼却では、ポータブル自動気象ステーションを使用して風の状況を監視し、火災が制御されていることを確認します。別の例として、ポータブル自動気象ステーションは、危険な化学物質の流出現場で、化学物質の飛散や危険な煙に関する土壌と気象状況を監視するために使用されます。

常設ステーション

恒久的な自動気象観測所は、長期間にわたって現場に設置されるように設計されています。(ただし、必要に応じて、恒久的な観測所を現場から移動できます。) 多くの場合、恒久的な観測所は、ユーザーが用意した地上のコンクリートパッドに固定されたタワーを使用して設置されます。

設定

自動気象ステーションは、特定の方法でセットアップできる機能がさまざまであり、それがすぐに使用できるかどうかに直接関係します。

• ターンキー (またはすぐに使用できる) ステーションは、通常、単一の方法でしか操作できず、最小限の構成しか必要ないか、まったく構成が必要ないため、パッケージから取り出した後は最小限のセットアップで済みます。
• 事前配線済みまたは事前構成済みのステーションには通常、データロガーに事前配線された標準的なセンサスイートが付属しており、ステーションにはいくつかの構成オプションが用意されています。
• カスタム ステーションでは、多くの場合、アプリケーションとサイトのニーズに合わせてセンサが個別に選択され、センサはデータ ロガーに事前に配線されません。カスタム ステーションは、最も柔軟な構成を提供します。

ターンキーステーション

一般の人々にとって、ターンキー自動気象ステーションは、通常、機能が制限され、セットアップ プロセスが簡単な、シンプルでローエンドのモデルです。たとえば、アナログ ステーションをパッケージから取り出した後、セットアップに必要なのは、希望する場所に設置することだけです。別の例として、趣味用のデジタル ステーションまたはワイヤレス ステーションには、電源と、おそらくディスプレイ ユニットの最小限の構成が必要です。別のセンサが含まれている場合は、適切な配置や取り付けが必要です。プロ仕様のターンキー自動気象ステーションも利用できます。

配線済みまたは構成済みのステーション

配線済みまたは構成済みの自動気象ステーションの設置では、ユーザーは使用する機器のモデルについていくつかの選択を行うことができます。配線済みまたは構成済みのステーションには、メーカーが連携して動作するように構成したコンポーネントのセットがありますが、接続には組み立て作業が必要になる場合があります。たとえば、データロガーは屋外収納ケース内に収納されますが、この収納ケースにはセンサを接続するためのコネクタが含まれている場合と含まれていない場合があります。コネクタが含まれている場合、キーが付けられ、色分けされ、ラベルが付けられている場合があります。さらに、コネクタは IP 定格と異物や物質の侵入に対する保護能力が異なる場合があります。

カスタムステーション

カスタム自動気象ステーションは、メーカーによって完全に統合されていないものの、目的のアプリケーションに必要な特定の機能を提供するために 100 パーセント互換性のあるコンポーネントのコレクションで構成されています。メーカーは、可能な限り最高レベルのカスタマイズを提供するために、統合をユーザーに任せています。

コンポーネントは必ずしもメーカーによって事前に配線または統合されているわけではないため、カスタム自動気象ステーションの設置には、他のタイプの自動気象ステーションと比較してより多くの労力が必要です。各センサを適合させて、適切な入力端子に接続する必要があります。これらの接続方法の決定は、使用する特定のセンサとデータロガーによって異なります。センサの取扱説明書またはデータロガーのプログラムに、具体的な配線情報が記載されている場合があります。

アプリケーションに適した自動気象ステーションをどのように選択すればよいか?

自動気象ステーションの選択は、慎重に検討する必要がある重要な決定です。選択プロセスのサポートについては、詳細な購入の考慮事項セクションを確認してください。