縣級區(qū)域雨量站觀測設備監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設計

崔炳儉　崔燦　董衛(wèi)紅

【摘 要】目前縣級的區(qū)域自動站氣象裝備運行狀態(tài)、數據缺乏有效提取與監(jiān)控，無法掌握裝備的實時狀態(tài)，不利于縣局及時解決出現(xiàn)的故障以及排除可能出現(xiàn)的故障隱患，各個區(qū)域自動雨量站觀測探測設備疏散分部，數據上傳到省級，沒有形成省市縣一體化觀探測網絡，影響了整個基層氣象保障工作的效率，采用縣局區(qū)域雨量監(jiān)控系統(tǒng)可以對現(xiàn)場運行的設備進行監(jiān)視和控制，以實現(xiàn)數據采集、資料應用、設備控制、測量參數調節(jié)以及各類報警等各項功能。

【關鍵詞】縣級；雨量站；觀測設備；監(jiān)控系統(tǒng)；研究設計

0 引言

目前縣局的區(qū)域自動站氣象裝備運行狀態(tài)、數據缺乏有效提取與監(jiān)控，無法掌握裝備的實時狀態(tài)，不利于縣局及時解決出現(xiàn)的故障以及排除可能出現(xiàn)的故障隱患，各個區(qū)域自動雨量站觀測探測設備疏散分部，數據上傳到省級，沒有形成省市縣一體化觀探測網絡，影響了整個基層臺站氣象保障工作的效率，觀測數據與網絡系統(tǒng)及數據庫存儲中需要的格式不統(tǒng)一，影響了數據的有效傳送。

1 系統(tǒng)整體設計

縣級實時監(jiān)控系統(tǒng)將探測終端、臺站服務器、監(jiān)控系統(tǒng)連接在一起，組成觀探測監(jiān)控網絡，能夠實現(xiàn)所有觀探測設備狀態(tài)的實時采集，完成歷史和實時狀態(tài)數據和觀探測數據的有效匯集、存儲，并且能夠在縣站端對所有設備運行狀態(tài)和觀探測數據進行有效的監(jiān)控，提高了保障的效率和安全性。系統(tǒng)主要具有以下五個功能：數據采集、數據上傳、數據分析、實時監(jiān)控、實時數據的存儲。

從物理結構上，系統(tǒng)可劃分為觀探測采集終端、站級服務器、監(jiān)控終端。

從軟件結構上可劃分為數據采集模塊、通信模塊、終端監(jiān)控模塊，數據庫模塊。數據采集模塊對設備狀態(tài)和觀探測數據進行采集，數據通過處理后，轉換為適合網絡傳輸和計算機處理的格式。通信模塊將轉換后的數據進行加密并匯集到通信服務器，數據經過解密、分析、處理后存儲到臺站數據庫服務器。臺站終端監(jiān)控模塊通過對數據庫資料的訪問，實現(xiàn)實時監(jiān)控和歷史資料的顯示。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 數據采集模塊的實現(xiàn)

數據數據模塊是系統(tǒng)的基礎模塊，完成數據的采集工作。數據采集模塊分為兩個部分實現(xiàn)，氣象要素探測數據的采集和設備實時運行狀態(tài)的采集。

觀測數據的采集：自動氣象站探測設備對氣象要素進行探測，獲得氣象數據，將氣象數據以產品的形式保存在探測終端的計算機內，產品采集文件的形式進行保存，數據采集模塊將自動氣象站產品專有的文件格式轉換為文本格式，保存在指定的路徑，并且為通信模塊提供接口，便于文件的讀取和傳輸。

自動氣象站設備實時運行狀態(tài)參數的采集：每個自動氣象站探測設備都有自身的控制和操作系統(tǒng)，但是對外缺乏提供信息的接口，無法獲取狀態(tài)參數信息，數據采集模塊在不同型號設備原有的控制軟件系統(tǒng)的基礎上，開發(fā)設備控制系統(tǒng)中的軟件接口，將實時的狀態(tài)參數信息導處，并將數據轉換為文本形式，保存在探測終端計算機上，對通信模塊提供接口，便于上傳信息。

2.2 通訊模塊的實現(xiàn)

通訊模塊是基于臺站探測的軟件，主要是將設備終端的數據匯集到臺站，并交付給數據模塊。它包括設備終端數據的讀取、數據的編碼與解析、數據上傳與下載、數據同步、數據加密與解密、數據壓縮與解壓縮、通信安全以及網絡監(jiān)視等功能。

實現(xiàn)上述功能，首先應該對分離的各個探測設備進行組網，觀測設備監(jiān)控系統(tǒng)采集用無線網絡技術和有線網絡對設備進行連接，網絡的邏輯結構采用星型結構，以臺站服務器為中心，各個觀測設備為節(jié)點，組成觀測網絡，和不同設備相連接的無線網絡通信設備通信頻道的設置應該按照系統(tǒng)的規(guī)定和要求，避免影響通信質量。觀測網絡連接方式如圖2。

通信模塊包括臺站端通信程序和探測設備端通信程序。通訊模塊采用TCP/IP軟件基于 windowssocket規(guī)范開發(fā)。探測設備端口通信程序以一分鐘為間隔，實時對探測設備狀態(tài)參數日子文件進行掃描讀取，并且保存文件指針，便于后續(xù)讀取，數據讀取后進行加密，然后啟動臺站端口通信socket與服務器連接，等待響應，服務器響應請求，建立連接，加密后傳輸數據，若發(fā)現(xiàn)數據出錯，則寫告警日志，通信程序支持數據續(xù)傳功能，在網絡出現(xiàn)故障時保證數據的無差錯傳輸。

臺站端通信程序采用多線程機制，并且為每個設備終端通信程序分配端口地址，通過各個線程的進行，掃描對應各個設備端的通信端口，在掃描的過程中，程序監(jiān)聽判斷是否有連接請求的到來，如果沒有，則繼續(xù)對下一個設備端口掃描，當發(fā)現(xiàn)某個設備的通信端口有連接請求到來時，則相應連接，建立會話socket，讀取來自終端的數據，臺站端通信程序在接收到設備端傳來的數據時，解密后交付數據庫模塊進行處理。

2.3 數據庫模塊

數據庫模塊將匯集到臺站的各種數據進行處理，然后利用數據庫技術對探測設備的監(jiān)控數據進行儲存、查詢和輸出，為氣象保障提供監(jiān)控和決策支持信息，數據庫的建立主要按照所需信息的不同類別進行區(qū)分儲存，分為設備狀態(tài)信息數據庫（實時數據參數和歷史參數，包括三大設備狀態(tài)數據；故障歷史數據庫，包括故障設備編號，故障分類，故障日期，故障值；探測數據共享數據庫，包括各類探測設備探測所得的歷史和實時氣象要素數據）。

2.4 臺站終端監(jiān)控模塊

臺站終端監(jiān)控模塊提供即時完整的動態(tài)監(jiān)控功能。按照觀測設備分類類別，進行時間區(qū)段等要素訪問數據庫，對被監(jiān)控的設備狀態(tài)進行查詢，統(tǒng)計通過列表，圖形文字聲音圖標等方式顯示監(jiān)控數據，反眏實時趨勢顯示及事件報警，通過屏幕畫面圖表及報表的配合使用，從整體和細節(jié)兩個方面對設備進行監(jiān)控，使整個監(jiān)控狀態(tài)可以以地圖形式顯示在屏幕上。

3 關鍵技術

3.1 無線網絡傳輸技術

無線局域網使用于疏散分布在不同地點的探測設備的組網，無線局域網標準，將WLAN的傳輸速率由目前的54mbps提高到500mdbps同時，利用MIMO（多入多出）與OFDM（正交頻分復用）技術，不僅使用傳輸速率得到極大提升，并且提高了傳輸質量，多種設備的探測數據和設備自身的狀態(tài)參數數據龐大，為保證數據的高效傳輸，并且確保通信質量，所以使用無線局域網絡技術。

網絡通信的協(xié)議采用TCP/IP協(xié)議，TCP/IP協(xié)議是物理網上的一組完整的網絡協(xié)議，Socket就是應用程序實現(xiàn)TCP/IP的一種編程界面，在網絡中每一個Socket用一個三元組描述：協(xié)議、本地地址、本地端口、遠程地址、遠程端口。每個Socket都有一個本地唯一的Socket號，有操作系統(tǒng)分配。

考慮到氣象網絡通信要求高可靠性，所以本系統(tǒng)采用面向連接的方式，Socket接口提供了一種可靠的面向連接的服務，實現(xiàn)無差錯無重復的順序數據傳輸，它通過內置的流量控制解決了數據的擁塞，將數據當作字節(jié)流，應用程序可以發(fā)送任意長的數據這符合系統(tǒng)對數據的要求。

4 結語

實現(xiàn)了縣級氣象探測設備的實時監(jiān)控和各類觀測數據的匯集，利用無線網絡技術，現(xiàn)場總線技術，數字化通信技術等，實現(xiàn)了縣級氣象站觀測網絡的一體化，實現(xiàn)了裝備實時狀態(tài)參數的有效提取，為氣象裝備運行管理提供了有效的監(jiān)控手段，提高了氣象裝備管理的效率，由此實現(xiàn)了氣象裝備保障的體系化，對歷史和實時的氣象數據進行了匯集和儲存，為氣象保障工作提供更多可靠的決策信息。

【參考文獻】

[1]鄭德忠，韓昭明，王聰，等.基于無線傳感器網絡的CO監(jiān)測系統(tǒng)設計[J].傳感技術學報.

[2]李春杰，劉瑞霞，王繼志.基于無線傳感器網絡的監(jiān)控平臺設計[J].傳感技術學報，2006（1）：55-56.

[3]賈玉鳳.基于Zigbee的無線傳感器網絡在煙草行業(yè)的應用[J].濟南職業(yè)學院學報，2008（2）：59-62.

[4]董萬勝，劉欣生，郄秀書.基于ATmega128L與CC2420的無線傳感器網絡節(jié)點的研究與實現(xiàn)[J].電子技術學報，2008（9）：954-959.

[5]原羿，蘇鴻根.基于ZigBee技術的無線網絡應用研究[J].計算機應用與軟件，2004（6）：33-35.

[6]劉瑞民，王學軍 RS、GIS在內陸湖泊水質研究中的應用[J].環(huán)境科學與技術，2001（1）：1-4+28..

[7]徐建民，劉進坡，基于數據技術的遠程監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)與實現(xiàn)[J].計算機與現(xiàn)代化，2005，1：80-83.

[8]吳征遠.網絡遠程監(jiān)控及管理的設計與實現(xiàn)[J].閩江學院學報，2003，2：26-28.

[9]張常年，等.計算機通信與工業(yè)控制[J].北京：化學工業(yè)出版社，2002.

[責任編輯：王偉平]