自动气象站的技术体系结构类似于工业过程控制的采集系统的发展,大致经历过专业测量仪器、集中控制式和分布式三种体系结构的发展过程，不同的体系结构主要于组成自动气象站的数据采集器。
早期的自动气象站就是一种由硬件组装成的专业测量仪器，主要特点是其功能结构在仪器设计时按用户的要求确定下来，使用中则难以进行修改和扩充。
集中控制式自动气象站是将全部观测功能均集中在一个配接有传感器的采集器中完成的，采集器由各种功能插板(处理器板、接口板、存储器板和电源板等)和母版总线构成，作为自动气象站的数据集中处理系统。采用这种体系结构的自动气象站有两个主要特点，一是设备组成不仅有硬件，而且包括系统软件;二是通过在母板总线上扩接所需的功能插板和适当升级系统软件就可以按用户的要求修改扩充设备的功能结构。
分布式结构是由一个主采集器通过外部总线连接若干分采集器组成的自动气象站，由主采集器和各种分采集器分别连接所需观测的传感器。这种自动气象站的主要特点是功能结构的扩充比集中控制式体系结构更简便、灵活。
有一种将集中式体系结构的自动气象站通过通信口(如RS232口)连接某些独立测量系统(如能见度仪、云高仪)，组成一个类似于分布式体系结构的自动气象站。这种体系结构实质上仍属于集中式体系结构的自动气象站。因为主采集器对所连接的独立测量系统没有任何主从管理功能，只起一个数据链接的作用。
目前广大气象台站安装使用的自动气象站分为三种体系结构：既有早期开发的不能扩充的自动气象站，如II型自动站、一些单(两)要素自动站;也有基于集中控制式结构的自动气象站，如Milos500型、CAWS600系列自动站;以及分布式结构的自动站，如各生产厂家在按中国气象局提出的“新型多要素自动气象站功能需求书”要求新开发的自动站，这种自动站目前正在组织考核试验，还未在气象站安装使用，但基于这种新开发的自动站技术基础上生产的中尺度自动站，已有安装在区域气象站网使用的，如锦州阳光气象科技有限公司生产的TRM-ZS2型自动气象站、PC-4便携式气象站。现在TRM-ZS2型自动气象站已经成为了广大气象台站的主要应用设备。
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