縣級自動站監控系統研究

彭顯鋒，王 橋，杜龍彩

(1.貴州省興仁縣氣象局，貴州 興仁 562300；2.貴州省貴陽市氣象局,貴州 貴陽 550001)

縣級自動站監控系統研究

彭顯鋒1，王 橋1，杜龍彩2

(1.貴州省興仁縣氣象局，貴州 興仁 562300；2.貴州省貴陽市氣象局,貴州 貴陽 550001)

隨著氣象觀測業務的現代化，觀測設備、業務軟件、網絡故障以及供電系統不穩定已成為影響觀測質量的主要因素。利用計算機對觀測系統進行自動監控，發現異常及時通知工作人員處理，可有效提高業務質量和工作效率。該文介紹了“縣級自動站監控系統”的主要功能和工作原理，并重點對多線程編程、數據庫訪問、GSM/GPRS Modem的使用、文件自動備份等方面用到的關鍵編程技巧進行了詳細說明。

自動站；監控系統；工作原理；編程技巧

1 引言

隨著氣象綜合觀測業務的現代化，人工觀測已基本被自動觀測代替。但自動觀測系統結構復雜，出現故障的概率較大。當系統出現故障后，一般工作人員很難第一時間找出原因，并及時排除故障。據統計，設備、軟件、網絡故障以及供電不穩定對業務質量的影響，已超過人為原因，成為影響觀測質量的主要因素。

縣級自動站監控系統能對影響綜合觀測質量的主要因素進行自動監控，發現異常及時報警，以便故障得到及時處理，在網絡主通道中斷時，自動連接3G、Vpn從輔通道上傳數據，能有效提高業務質量和工作效率。

2 系統主要功能及工作原理

為了實現系統的快速開發和應用，并適用于所有自動站業務計算機系統，本軟件在Vs2012平臺上基于 .NET Framework 4 開發。

設備功能及布局如“圖1”：

圖1 設備功能及布局圖Fig.1 Equipment function and layout

2.1 系統功能概述

本系統適用于所有氣象臺站地面氣象自動站業務平臺。能對自動站計算機、自動站軟件、采集器是否正常工作，網絡、市電是否中斷，長Z文件數據是否有缺測、是否進行人工質控、上傳是否及時等進行判斷。發現異常后，根據情況的緊急程度，通過文字、音箱、發送短信或撥打電話報警。還能通過短信遠程獲取系統監控情況、查詢部分觀測數據。當網絡主通道中斷時，能自動連接3G、Vpn從輔通道上傳數據。系統還具有自動站數據自動備份、分發省局告警信息功能。

2.2 工作原理

2.2.1 判斷市電、自動站計算機工作狀態 利用兩臺計算機(一臺為使用UPS供電的自動站主機，一臺為直接連接市電的其它計算機)互相監測，不僅能達到設計目標，還能使該系統運行更為可靠：

通過端口掃描(139號端口)的方式，自動站主機通過檢測另一臺計算機是否在線來確定市電是否中斷，另一臺計算機以同樣的方式判斷自動站主機是否正常工作；

兩臺計算機通過參數傳遞，確定對方計算機上的綜合監測程序是否都已啟動運行。

2.2.2 判斷網絡是否連通、自動站軟件以及采集器是否正常工作

①通過掃描服務器端口，檢測“自動站”計算機與“報文上傳服務器(IP：10.203.72.30)”的連通狀態，確定網絡是否正常。

②通過檢查業務軟件(采集、傳輸、業務軟件)是否在進程列表中、分鐘數據文件是否得到更新，綜合判斷自動氣象站軟件及采集器工作狀態。如業務軟件未運行，通過Process.Start命令將其啟動。

2.2.3 監測長Z文件是否上傳、是否進行質控、數據是否有缺測。

①定時檢查傳輸日志，判斷長Z文件是否已及時上傳；

②通過長Z文件第1行的“質控碼”，判斷需要人工質控時段的長Z文件是否經過人工質控；

③根據臺站觀測項目設置情況，判斷長Z文件中的當前時次應該觀測的項目數據是否有缺測。

2.2.4 大風監測 目前，當出現大風時，新型自動站不會自動報警。為避免遲發、漏發重要天氣報，本系統通過分析分鐘數據，判斷是否有大風出現，如發現某日風速第1次達到17 m/s、24 m/s,會立即報警。

2.2.5 自動站數據實時自動備份 利用文件系統監視控件，對指定的目錄進行監視，當發現被監視的目錄中新增文件、文件屬性(大小、修改時間等)發生變化時，就把相關文件復制到目標磁盤，實現有選擇的自動站數據實時備份。

2.2.6 自動連接3G無線網絡和Vpn 通過Shell、Process.Start指令調用已有的網絡連接，實現自動連接與斷開3G和Vpn。

2.2.7 手機報警、遠程短信獲取系統監控狀態和觀測數據 為了確保在網絡中斷的情況下，能發出短信和撥打電話報警，需采用獨立、可靠的通信設備。本系統采用了使用“TC35i”芯片的GSM/GPRS Modem(簡稱短信貓，下同)通過USB接口與計算機連接，通過AT指令實現自動收發送短信和撥打電話。

通過手機向短信貓發送短信(即事先約定的指令)，自動站主機讀取該短信后按要求進行相關統計，并通過AT指令將統計結果以短信方式發送給手機。

3 關鍵編程技巧詮釋

3.1 多線程編程

本系統實現的功能較多，且大多數功能需同時執行，網絡狀態檢查、手機通信、網絡通信、文件上傳、數據自動備份等功能耗時較多，使用單一的線程無法實現。因此，本系統采用多線程技術，耗時較多的功能分別另開線程實現，主程序只需按一定周期獲取運行結果并開啟線程完成相關任務，不僅系統運行的可靠性得到了保證，系統運行也會很流暢。

在線程的使用過程中，需注意以下兩點：

①當一個線程未結束時，不能再次開啟該線程，不然會出現同一線程的多個副本同時訪問同一數據或設備的情況，導致數據訪問或設備使用沖突的現象。因此，需判斷線程運行狀態再決定下一步執行的功能。

②退出或重新啟動系統時，應安全關閉已開啟的所有線程，以釋放內存資源，并可避免同一線程多次啟動。

3.2 SyncLock 語句的使用

為簡化系統結構，本系統所有相關數據，如系統參數、待備份文件信息、報警信息、報警日志等，均保存在同一個Mdb數據庫中。程序采用多線程實現不同的功能，因此可能出現多個線程同時訪問數據庫同一數據表而產生異常。

使用SyncLock語句可確保多個線程不在同一時間執行相同的語句塊，避免數據庫訪問沖突。下面以訪問Basedata.mdb數據庫為例說明其使用方法：

Imports System.Data.OleDb '引用對象

Private DataBaseLock As New Object'聲明變量

Private Sub AddOrSaveRecord(ByVal SqlStr As String)'SqlStr為SQL語句字符串

SyncLock DataBaseLock

Try

Conn = New OleDbConnection("Provider=Microsoft.Jet.OLEDB.4.0; Data Source= "D:Basedata.mdb")

Conn.Open()

Dim SqlCmd As OleDbCommand

SqlCmd = New OleDbCommand(SqlStr, Conn)

SqlCmd.ExecuteNonQuery()

Catch ex As Exception

MsgBox(ex.Message.ToString)

Finally

Conn.Close()

End Try

End SyncLock

End Sub

當一個線程調用AddOrSaveRecord過程后， SyncLock就會防止其它線程進入SyncLock與End SyncLock之間的語句塊，直到當前線程執行完該語句，其它線程才能使用該語句塊。

3.3 運行異常處理

該系統程序需24 h不間斷穩定運行，但任何一個異常都可能導致程序停止工作。由于系統功能較為復雜，難免出現異常情況。因此，除了認真檢查調試程序，主動消除程序的邏輯錯誤外，還必須在程序中進行異常處理，捕獲并處理運行時可能產生的各種錯誤，保證程序在任何情況下都能正常運行。

3.4 使用短信貓的注意事項

短信貓工作是否正常，是手機報警和遠程短信獲取監控信息成敗的關鍵。計算機通過AT指令控制短信貓收發短信和撥打電話，但指令使用不當、設備連接異常或設備使用環境信號差，常常會導致通信失敗。為保證短信貓的正常工作，需注意以下幾點：

①部分AT指令的執行耗時較多(如打開設備、讀取短消息、清除緩沖區等)，如果連續執行多條指令，即使指令正確，也可能會得到錯誤的結果。因此，使用AT指令得不到正確的結果時，應考慮指令執行時間不足的問題，在執行一條指令后，進行適當的延時等待，再執行后面的指令。舉例如下：

SerialPort1.Open()'打開設備端口

System.Threading.Thread.Sleep(200)'延時0.2 s

SerialPort1.WriteLine("AT+CMGL=ALL" & vbCrLf)'讀取所有短消息

System.Threading.Thread.Sleep(5000)'延時5 s

Dim Txt As String = SerialPort1.ReadExisting.ToString()'得到短消息內容

上述程序在執行SerialPort1.Open后，如不延時，則后面的語句均可能無法正常執行。在執行SerialPort1.WriteLine("AT+CMGL=ALL" & vbCrLf)后，如等待時間過短，則讀取的短消息內容可能不完整。

②短信存儲空間管理

短信貓接收信息的條數有限，不同生產批次的短信貓信息的存儲位置也不盡相同，通信運營商還會不定時發送一些短信給短信貓。因此，要保證軟件的通用性并能準確接收和讀取短信，程序必須對短信的存儲位置進行設置，并定時刪除已經讀取的信息。

可以用AT+CPMS指令設置、讀取短信存儲位置。

可以用AT+CMGD指令刪除短信。該指令可以刪除一條指定的短信，也可以按已讀取、未讀取、全部信息等分類刪除短信。但不是所有短信貓都支持全部刪除方式，應針對不同的短信貓分別測試。

③短信貓的使用環境通信信號差或設備連接不當，可能導致通信失敗。因此，有必要定時對設備連接狀態、信號強度進行檢查，發現通信設備故障及時提醒值班員處理。方法如下：

發送任意At指令到短信貓所在端口，如返回值中包含字符“OK”，說明通信設備連接正常；

通過"AT+CSQ"指令獲取信號強度，執行 SerialPort1.WriteLine("AT+CSQ" & vbCrLf)的返回值“SerialPort1.ReadExisting.ToString()”即包含信號強度信息。

3.5 自動備份自動站數據

使用FileSystemWatcher控件對文件進行監視，可以找到發生變化(新增文件、大小或修改時間發生變化)的文件，實現有選擇的備份文件，減少數據備份所需的時間。

在實際業務中，有時業務軟件會幾乎同時生成或更新多個文件，個別文件還比較大(達數百兆)的情況,同時復制多個文件將會降低復制的效率，并可能導致備份失敗。為實現可靠備份，本系統先將需要備份的文件名登記到數據庫表，再由專門的文件復制線程逐個備份。

4 系統使用現狀

通過近半年的業務試運行，并對存在的問題進行了修正和完善，本系統于2016年6月30日正式投入業務運行。2016年9月1日截止，貴州省已有42個氣象臺站安裝使用。據各臺站使用后反饋的情況分析，系統運行穩定，各項功能均能正常使用，效果良好，達到了預期研究目標。

5 結束語

縣級自動站監控系統的開發和應用，能對影響綜合觀測質量的主要因素，如自動站計算機、自動氣象站軟硬件、網絡、市電等工作情況進行較為全面的監控。還提供了數據自動備份、自動連接備用網絡上傳數據等功能。有效地減少了業務人員工作量，提高了業務質量。但系統尚有改進和優化的空間，研發小組將努力探索，根據業務發展需要，不斷改進和完善。

[1] 李黃.自動氣象站實用手冊(第1版)[M].北京：氣象出版社,2007.

[2] Bill Sheldon,Billy Hollis,Rob Windsor,David McCarter等.NET 4.5與Visual Basic 2012 高級編程(第7版)[M].北京：清華大學出版社,2014.

[3] 鐘靜,李赟,陳海濤,等.基于SMS技術的氣象報文監控設計與實現[J].貴州氣象,2011,35(4):42-43.

[4] 湯寧,方斌,王娟.貴州省氣象局實時業務管理及監控平臺簡介[J].貴州氣象,2012,36(4):42-43.

[5] Zhang jianlou上傳.TC35 TC35i AT指令手冊. http://wenku.baidu.com/view/22efb7f4f61fb7360b4c652f.html(上傳日期：2011年3月19日)

Research on monitoring system of automatic station at county level

PENG Xianfeng1,WANG Qiao1,DU Longcai2

(1.Xingren Meteorological Bureau of Guizhou Province，Xingren 562300, China;2.Guiyang Meteorological Bureau of Guizhou Province, Guiyang 550001, China)

With the modernization of meteorological observation, observation apparatus, business software, network fault and power supply system instability have become the major factors affecting the quality of observation. Using the computer to observe the system for automatic monitoring, and timely notice to the staff to deal with abnormity, can effectively improve the service quality and efficiency. This paper introduces the main functions and working principle of the "automatic station monitoring system ", and focus on discussing the key programming techniques multi thread programming, database access, using of GSM/GPRS Modem and file automatic backup in detail.

automatic station monitoring system; working principle; programming skills

1003-6598(2017)01-0081-04

2016-10-26

彭顯鋒(1975—)，男，副高，主要從事綜合氣象業務工作，E-mail:780398175@qq.com。

貴州省氣象局氣象科技開放研究基金項目(黔氣科合KF[2016]04號)。

TP311.52

B