自動氣象站的技術體系結構類似于工業過程控制的采集系統的發展,大致經歷過專業測量儀器、集中控制式和分布式三種體系結構的發展過程，不同的體系結構主要于組成自動氣象站的數據采集器。
早期的自動氣象站就是一種由硬件組裝成的專業測量儀器，主要特點是其功能結構在儀器設計時按用戶的要求確定下來，使用中則難以進行修改和擴充。
集中控制式自動氣象站是將全部觀測功能均集中在一個配接有傳感器的采集器中完成的，采集器由各種功能插板(處理器板、接口板、存儲器板和電源板等)和母版總線構成，作為自動氣象站的數據集中處理系統。采用這種體系結構的自動氣象站有兩個主要特點，一是設備組成不僅有硬件，而且包括系統軟件;二是通過在母板總線上擴接所需的功能插板和適當升級系統軟件就可以按用戶的要求修改擴充設備的功能結構。
分布式結構是由一個主采集器通過外部總線連接若干分采集器組成的自動氣象站，由主采集器和各種分采集器分別連接所需觀測的傳感器。這種自動氣象站的主要特點是功能結構的擴充比集中控制式體系結構更簡便、靈活。
有一種將集中式體系結構的自動氣象站通過通信口(如RS232口)連接某些獨立測量系統(如能見度儀、云高儀)，組成一個類似于分布式體系結構的自動氣象站。這種體系結構實質上仍屬于集中式體系結構的自動氣象站。因為主采集器對所連接的獨立測量系統沒有任何主從管理功能，只起一個數據鏈接的作用。
目前廣大氣象臺站安裝使用的自動氣象站分為三種體系結構：既有早期開發的不能擴充的自動氣象站，如II型自動站、一些單(兩)要素自動站;也有基于集中控制式結構的自動氣象站，如Milos500型、CAWS600系列自動站;以及分布式結構的自動站，如各生產廠家在按中國氣象局提出的“新型多要素自動氣象站功能需求書”要求新開發的自動站，這種自動站目前正在組織考核試驗，還未在氣象站安裝使用，但基于這種新開發的自動站技術基礎上生產的中尺度自動站，已有安裝在區域氣象站網使用的，如錦州陽光氣象科技有限公司生產的TRM-ZS2型自動氣象站、PC-4便攜式氣象站。現在TRM-ZS2型自動氣象站已經成為了廣大氣象臺站的主要應用設備。
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