基于5G通信及遙感衛星的氣象觀測站數據監測系統設計

張潤東，張 雄，陳鑫羽

(延安大學 物理與電子信息學院，陜西 延安 716000)

0 引言

氣象衛星數據傳輸所用的大部分頻帶使用 l波段(16701710兆赫茲)，這是國際電信聯盟為氣象衛星分配的頻帶[1]。這一頻率范圍總共只有40 MHz，所以傳輸數據的速率只能達到幾兆字節/秒級距離[2]。隨著氣象衛星探測設備數量的增加，精度的提高，數據傳輸量和碼率大大增加，需要增加的信道帶寬也相應增加。舉例來說，碼率要求每秒幾十兆位，帶寬為幾十兆赫，甚至更高更寬[3]。很明顯l波段已不再符合要求，必須增加到更高的波段，與前四代移動通信技術不同的是5 G。該系統集成了一系列的無線通信技術和無線空中接口技術，具有更大的帶寬、更高的速率、更強的性能。5 G不僅僅是一個特定的無線接入技術，而且很可能是一個伴隨現有無線接入技術發展而產生的革命性設計。氣象衛星數據接收是衛星數據的接收、處理、分發和應用過程中的首要環節[4]。在無法接收到高質量的數據時，處理和分發數據是不可能的，用戶無法使用該信息。

近幾年來，我國建立了大量的氣象衛星數據接收處理系統，在天氣預報和環境監測中發揮了重要作用。在監測系統設計中，采用了 CCSDS標準衛星數據傳輸方式。對于衛星地面站接收系統來說，不僅要根據信號的射頻頻率來設計天線和伺服跟蹤系統，而且解調系統也要適應信號的編碼特性。工藝操作繁瑣，數據監測結果解調不準確。

數據監測系統作為PCIE總線的一種，雖然具有較高的帶寬優勢，能夠滿足大規模數據采集的需要，但由于數據采集的大型化，一些關鍵數據無法及時收集，導致監測結果不完整。為此，設計了一種基于5G通信及遙感衛星的氣象觀測站數據監測系統。著重進行了軟硬件的研究，并通過模擬實驗對系統進行了驗證，為衛星地球站接收新一代衛星數據提供了可靠的工程應用。

1 系統平臺設計

利用遙感衛星產品作為氣象觀測站數據監測應用平臺的5G通信和遙感衛星，作為主要數據源，并根據研究結果對大氣、水和生態環境遙感參數進行反演[5]。合理地劃分了應用平臺的各種功能，開發了獨立的插件。靈活地將插件結合，實現了系統的各個功能模塊，形成了多源遙感衛星環境監測應用平臺[6]。這個系統主要被劃分為4個級別，見圖1。

圖1 系統平臺架構圖

1.1 應用層

依靠插入層，面向用戶，整合系統平臺上各種應用服務。

1.2 插件層

插入層是應用支持層。在此基礎上，對系統應用程序進行了分類，歸納了平臺需要的種子功能。將每個子函數封裝后，就可以得到具有通用功能的對象(即插件)，結合使用插件將構成每個業務功能[7]。

1.3 數據層

包含資料庫及文件系統，利用 SQL Server數據庫對遙感數據元數據、產品數據和其他輔助數據進行存儲和管理，從而實現對本地衛星遙感數據的管理[8]。

1.4 軟硬件支撐層

這一層主要描述了系統開發和運行所需要的硬件和軟件環境。

2 系統硬件結構設計

該系統主要由CC2530采集終端、5G通信技術、網關(ZigBee協作器)、NodeMCU平臺開發等部分組成[9]。在這些數據中，環境采集終端以CC2530為基礎，獲取溫度、濕度、光線和其他數據，通過采集模塊的空氣溫度和濕度、土壤濕度、數字照明等數據，應用5G 通信技術將數據發送到物聯網網關，網關包根據地址將接收到的數據通過串口發送到網關的 NodeMCU模塊[10]。通過 MQTT數據框架發送(發布)和接收(訂閱)氣象和環境數據，儲存在數據庫中，并基于 Web開發在 PC、智能手機和其他設備上顯示[11]。圖2中顯示了系統硬件結構的設計。

圖2 系統硬件結構

2.1 PCIE采集卡

該數據采集卡主要用于接收衛星數據解調器輸出的數據信號，并向存儲器中的共享緩沖區傳輸數據。它的輸入信號有數據信號、時鐘信號、復位信號和有效數據信號。數據采集卡和前端采用 LUTTL級互連，確保數據傳輸的可靠性[12]。

通過 CPLD數據采集卡實現局部總線邏輯控制、FIFO緩沖區乒乓球切換、FIFO讀寫控制、兩段 FIFO依次緩沖數據、專用接口芯片實現 PCIE總線與局部總線之間的連接。圖3顯示了 PCIE數據采集卡硬件電路。

圖3 PCIE數據采集卡硬件電路圖

通過 SMA連接器，數據信號和本地恢復時鐘 CLK進入主板，先從串行到并行轉換，然后比較同步碼，在 CPLD控制邏輯下，通過 word將8位并行數據轉換為 FIFO緩沖。在 FIFO存儲器中數據半滿的情況下，CPLD會發送本地中斷信號LINTiPEX8311總線控制器，該控制器會啟動 DMA傳輸，將數據上傳到 PC作為 PCIE總線的內存中，通過并等待上層應用處理軟件保存磁盤，迅速找到并存檔。這一次的設計主要包括兩個部分。根據PEX8311的工作原理，通過驅動程序對內部寄存器進行配置。根據PEX8311所提供的本地總線工作順序，在 CPLD中實現相應的控制邏輯，以保證系統協同工作[13]。

2.2 5G通信技術及網關設備

5G移動網絡是數字蜂窩網絡，在這種網絡中，供應商覆蓋的服務區域被劃分為許多被稱為蜂窩的小地理區域。5G無線設備通過無線電波與蜂窩中的本地天線陣和低功率自動收發器(發射機和接收機)進行通信。5G通信技術具有傳輸速度快、傳輸效率高的特點，可互聯網連接，通過Gateway (ZigBee coordinator)實現無線傳感器網絡和公共通信網絡接入設備的連接，它提供多種通信通道，確保將終端節點收集的數據傳送給用戶。它的主要功能是通過構建的 ZigBee網絡接收終端設備采集氣象環境數據，并根據設備類型分配地址進行分組處理，通過串口通信將數據發送給物聯網網關NodeMCU模塊[14]。

設計了一種基于CC2530與 NodeMCU的串口通信和 WiFi數據傳輸的網關設備。該系統的硬件主要包括CC2530射頻板模塊，電源模塊，程序下載模塊，NodeMCU模塊。線路設計中，將CC2530芯片與NodeMCU芯片通過磁頭進行連接。

接收端采用 DART與CC2530通信管腳連接的方式，實現上載數據的接收。接著，通過開發基于ESP8266芯片的 NodeMCU，使用 MATT向服務器發布數據。Gateway設計是 ZigBee技術和 NodeMCU技術的結合，它可以降低開發成本，同時保證數據傳輸效率和安全，非常適合經濟行業使用。

2.3 監測器

在采集了MSOP8顯示器的串行通信數據后，對其進行了硬件通信數據處理和分析，實現了氣象觀測站數據的監測，包括主機，協議轉換，話音卡，視頻處理器等。在Win7系統條件下，將監控中心設為局域網，借助智能設備對監控單元數據進行處理和分析，實現了對監控數據的實時存儲和處理。

若要確保可監視并測量到任何前端節點網絡運行狀態的實時位置，則可以在管理機內部設置一個復雜的前端機，根據總體部署策略的硬件結構，在后臺和前端的機會都將失敗。另外，其他前端機器會在節點被發現后迅速更新節點狀態列表。為使系統自動監測數據準確無誤，可以分鐘為單位記錄分組單行率和網絡寬帶利用率，并將分組分在多個網絡服務器底層鏈路上。若要保證接口端相應的鏈路異常信號，以增加帶寬，提高處理效率，可采用網絡接口服務器作為負載均衡器。

2.4 報警器

當異常數據發生時，系統需要自動報警，提醒管理員對異常數據進行管理，并根據報警級別采取相應的安全響應策略。圖4顯示了監控系統報警模塊的工作原理。

圖4 監測報警模塊設計

如圖4所示，設置一個警報傳感器，使其工作電壓達到20 V，比較警報傳感器能夠承受的壓力范圍和最小范圍內的相應電壓值，并輸出一個數字信號。如果指示為綠色，那么電路無故障，信號電壓值低于固定閾值；如果指示為紅色，那么電路就會出現故障，信號電壓值大于或等于一定的閾值。

3 軟件功能設計

3.1 后臺遙感衛星氣象觀測站數據庫選擇

監視系統處理的是復雜的用戶管理，數據量大，數據內容豐富。天氣資料處理過程中，對天氣資料的準確性、備份、查詢與檢索以及天氣資料的挖掘等方面提出了更高的要求，所以需要一個強大的數據庫作為外部存儲庫[15]。通過對比，該方案能夠滿足海量氣象數據存儲的需要，能夠極大地提高系統的吞吐量，并以其強大的兼容性增強系統的整體穩定性，同時能夠實現大規模數據表的跨平臺傳輸，該軟件還具有強大的數據管理功能，能夠有效地對程序進行優化和編譯，用于查詢數據庫中的表、視圖和數據。

3.2 監測流程設計

該系統能夠實時分析氣象觀測站傳輸的數據，實現氣象觀測站的在線監測。獲得采集設備的各種信息，快速監控指標異常故障情況。臨時確認判斷錯誤，借助讀寫天氣監測表的相關數據進行輔助確認，通過關聯規則進行分析判斷，提高判斷結果的可信度。圖5中顯示了具體的分析過程。

圖5 監測流程

設備安裝時，通過監測開關的位置及功率因數，判斷開關功率是否改變。當監測的功率因數超過預定范圍時，監測的準確數據與理想的運行數據進行比較，從而確定氣象觀測點，零件運行不正常。

3.3 抗干擾濾波處理

針對通信氣象站的異常數據中存在的大量干擾數據，提出了抗干擾濾波方法。對于遙感衛星氣象觀測臺站，監測異常數據會受到噪聲干擾，從而使監測精度大大降低，必須對干擾進行處理。

利用平均算子來描述濾波器降噪情況，由此得到的濾波器傳輸函數為：

(1)

公式(1)中：n表示濾波窗口數，gi表示窗口像素值，gj表示鄰域像素值，f(gj)表示灰度值，αij表示隸屬度，λj表示尺度參數。

假設遙感衛星的氣象觀測站監測系統中存在的異常數據為h(x)，那么該組寬帶調節頻率序列中頻率點也落在h(x)中。通過自適應處理，分解遙感衛星氣象觀測站異常數據特征，由此得到的異常數據模型可表示為：

(2)

公式(2)中：t表示數據采集時間，hx為處理后的數據，通過濾波處理能夠得到遙感衛星氣象觀測站精準監測數據。

4 實驗分析

為了驗證基于5G通信及遙感衛星的氣象觀測站數據監測系統設計合理性，進行實驗驗證分析。

4.1 實驗裝置設置

實驗裝置各功能模塊均安裝在標準電源箱內，通過電纜與電能表、變壓器和電能計量裝置的二級回路連接，完成現場全部數據采集。各監測數據采集完畢后，通過有線或無線方式將各監測中心服務器直接上傳到監測中心。監控系統管理和分析軟件對服務器執行統一的管理操作，并向管理員通報必要的事件。與此同時，決策者可直接了解當前的運行狀況測量裝置，根據各種趨勢圖等曲線打印報表進行數據分析。

在上述實驗環境中，通過收集250次故障記錄，建立包含150條記錄的氣象觀測信息，并對其記錄進行驗證的合理性研究。

4.2 氣象數據分析

根據實驗環境，監測系統中存在的異常數據，由此得到的濾波前原始數據傳輸、濾波后原始數據傳輸變化幅度如圖6～7所示。

圖6 濾波前數據傳輸

圖7 濾波后數據傳輸

由圖6～7可知：濾波前數據變化幅度較大，數據在監測時間為0～0.01 s和0.035～0.06 s時間內波動最大。濾波后數據傳輸變化幅度有所減小，雖然也在0～0.01 s和0.035～0.06 s時間內波動出現波動，但波形趨勢明顯變小，且在變化幅度～0.5～0.5 V范圍內波動。

4.3 異常數據監測結果

將上述分析的氣象數據，進行異常數據監測，其結果如表1所示。

表1 異常數據監測結果

由表1可知：對于異常數據監測結果可確定異常數據頻率幅值，具有良好頻譜增益效果。基于此，為了驗證監測系統設計合理性，需將采用CCSDS標準衛星數據傳輸方式設計的監測系統、使用PCIE總線設計的數據監測系統和基于5G通信及遙感衛星監測系統監測效果對比分析，結果如表2所示。

表2 3種系統監測精準度對比分析

由表2可知：CCSDS系統的監測精準度平均值為34.4%，PCIE系統的監測精準度平均值為62%，使用5G通信系統監測效果較好，最高可達到99%，平均值為98%。由此可見，基于5G通信及遙感衛星的氣象觀測站數據監測系統對氣象觀測站數據監測準確性更高，通過遙感衛星可以實現海量氣象數據存儲的，從而提高系統的吞吐量，增強系統的整體穩定性，同時通過5G通信實現大規模數據表的跨平臺傳輸，具有良好監測效果。

5 結束語

基于5G通信及遙感衛星的氣象觀測站數據監測系統中，遙感衛星數據傳輸速率從最初的每秒100兆位數提高到現在的每秒100兆位數。衛星計算機發展速度快，完全能滿足衛星數據采集與處理的需要。實驗表明，該數據監測系統經過嚴格測試，解決了實驗過程中出現的數據檢測準確性較差的問題，保證了系統的穩定運行，并能實時記錄數據。實踐證明，該系統的各項指標均達到了要求，具有很強的實際應用性。