物聯網與自動氣象站深度融合方法研究

黃飛龍， 譚晗凌， 霍 亞

(廣東省氣象探測數據中心，廣州 510699)

0 引言

全國自動氣象站數量超過55 000個[1]，覆蓋了天氣和氣候關鍵區域、沿海和山地災害多發區、水陸交通要道和人口密集區域，為臺風、暴雨等氣象災害的防災減災提供準確可靠的觀測數據，為季風、熱帶海洋和大城市群等氣候研究提供了連續穩定的觀測數據，也為重大政治經濟活動、公眾集體活動和生產生活的氣象服務提供了堅實的基礎數據。隨著城市群的發展和氣象服務多樣性需求增加，充分利用城市群先進的物聯網基礎設施構建智能泛在的氣象信息感知網是自動氣象站的發展趨勢。通過連接周邊用戶的智能終端，物聯化自動氣象站可以讓用戶獲取身邊的實時氣象數據，形成 “觀測即服務”能力。地面氣象觀測技術發展必然與物聯網技術和智能技術結合，并且同時滿足專業觀測與大眾服務要求[2]。

物聯網技術在各個行業得到了普遍的應用[3-6]，但與自動氣象站的融合未得到深入的研究。文獻[7]通過NB-IoT網絡把數據傳輸到云端，實現了數據交互與網絡控制。文獻[8]在分布式自動氣象站現場核查系統中應用了無線遠程通信網絡，文獻[9]驗證了無線接入的多要素智能傳感器設計的可行性。自動氣象站只是部分利用了無線網絡作為傳輸，沒有以物聯網為基礎結合自身特點實現觀測方法和服務模式的轉變，沒有達到質的飛躍，難以滿足智慧城市智能綜合觀測網的建設需求。本文以自動氣象站信號特點、數據傳輸要求和智能服務要求為研究對象，結合物聯網無線技術，提出物聯網與自動氣象站深度融合方法，一方面促進自動氣象站觀測領域在信息化、智能化方面的發展，另一方面也為物聯網技術在不同的領域深度的垂直應用提供一個參考方法。

1 物聯需求研究

1.1 設備傳輸特點分析

傳統自動氣象站各部件的連接方式和數據特點分析如下。如圖1所示，風向、風速、雨量、氣壓、氣溫、濕度、能見度和蒸發等氣象要素傳感器通過幾米到幾十米不等的雙絞線把電壓或者電流信號直接與主機接線板相連[10]。由于連接距離較遠而且野外運行環境復雜，雙絞線的兩端都需要進行抗干擾和防雷保護。信號傳輸特點是距離遠、信號弱、易受干擾。采集器按照設定的頻率和采樣窗口長度，對各種要素進行數據采樣：每個要素每分鐘約30個樣本(風速需要240個樣本)[11]，采樣特點是時鐘精度要求高，時間一致性強。采集器對采樣數據進行質量控制、異常判定和統計處理之后，每分鐘通過幾十米到一百米不等的雙絞線發送一份統計數據(約1 kb)到電腦，傳輸特點是數據量少，但連續性和及時性要求高，再通過局域網將數據進行本地應用和遠程共享。自動氣象站是一個有線連接的整體，各個傳感器由采集器統一連接和管理，僅僅發揮了感應的作用。

圖1 傳統連接架構

1.2 物聯化目標

自動氣象站物聯化的目標架構如圖2所示。傳感器與采集器之間不再通過易受干擾的模擬信號連接，而是采用一種可靠的無線連接組網，發送實時短數據流，解決復雜環境下傳感器安裝布設的走線和干擾問題，這種無線網絡要求具有低功耗、可多點相互連接、可便于節點管理且在幾十米范圍內可快速傳輸。采集器和本地化應用之間采用另一種無線網絡傳輸準實時服務信息，這種網絡要求易于接入用戶現有的智能終端，能同時向多個用戶提供數據服務，但實時性要求不高，允許一定的延遲，甚至允許重新加載。當采集器將數據傳輸至數十公里乃至數百公里外的數據中心，需要借助遠程傳輸公用網絡，為了提高遠程數據的及時率和實現更多智能交互功能，要求該網絡具有低時延和高可靠的特點。

圖2 物聯化架構

硬件方面，傳感器之間、傳感器與采集器之間相互獨立，互不干擾，提高了系統整體的可靠性，并且安裝和布線更為靈活；軟件方面，傳感器與傳感器之間可相互通信，相互校驗測量準確性，還可以把復雜的邊緣計算功能放在采集器上，提高自動氣象站的智慧能力和多元服務的能力，提高遠程中心與設備的交互能力。通過與物聯網技術融合，自動氣象站能增強自身的場景適應能力、觀測能力和應用便利性，拓展了數據共享的渠道和空間，使得它自身不僅僅是一個傳統的、孤立的測量節點，而能夠利用無處不在的城市物聯網組成一個更大的監測網絡，發揮更大的數據影響力。

通過自動氣象站信號特點、數據傳輸和數據服務需求的深入分析，對比常用無線網絡的性能特點[12-14]，研究結果顯示ZigBee技術適用于傳感器與采集器之間組成內部實時采集網絡，WiFi技術適用于提供本地化的數據傳輸和應用服務，而5 G技術適用于定時數據或者實時交互命令的遠程傳輸[15]，下面闡述具體的融合方法。

2 傳感器自組網

自組網技術是物聯網智能化的重要特征[16]。為便于構建智能泛在的觀測網，在城市復雜環境下安裝建設，融合ZigBee組網技術實現傳感器之間、傳感器與采集器之間的智能化連接，建立傳感器探測網絡，提升自動氣象站智能觀測范圍、密度、種類和時效等性能。

2.1 ZigBee模塊集成

ZigBee無線通信技術是基于蜜蜂相互間聯系的方式而研發生成的一項應用于互聯網通信的網絡技術[17]。相較于傳統網絡通信技術，ZigBee無線通信技術表現出更為高效、便捷的特征。作為一項近距離、低成本、低功耗的無線網絡技術，ZigBee無線通信技術關于組網、安全及應用軟件方面的技術是基于IEEE批準的802.15.4無線標準。

本設計選擇無線頻率為2.4 GHz的ZigBee模塊，3.3 V供電下平均工作電流不超過25 mA，傳輸距離達1 km。采集器和智能傳感器的MCU通過TTL電平的UART與模塊相連，并配置2個I/O端口分別控制模塊的自動搜尋網絡功能和重啟功能，2個LED燈用于顯示ZigBee模塊通電狀態和傳輸數據狀態。

2.2 自組網觀測

由于城市建筑環境復雜和安裝空間有限，歸屬同一個自動氣象站管理的傳感器很可能需要安裝在不同的建筑物上，彼此之間直線距離很短但是難以通過線纜連接。通過內置的ZigBee模組，傳感器可以與采集器在1 km范圍內實時通信，經過自動的站號分配、采集器節點管理和傳感器節點管理等程序處理，傳感器所采集到的氣象數據將被解析和讀取，與采集器自身采集的數據融合為一個整體，便于數據一體化存儲和調用。因此附近的傳感器和采集器通過ZigBee物聯網技術可以自動組成一個智能自動氣象站，便于站點設備的管理、數據的統一采集和數據比對等應用。

根據ZigBee模塊通信架構，采集器的ZigBee節點可配置為協調器模式或路由器模式。自組網流程如圖3所示，包括通信組網和站點組網兩部分。在采集器MCU發布搜尋已有網絡的指令之后，ZigBee模塊根據無線頻段和協議搜尋網絡，并在協調器分配節點號，即可與原有網絡的其他節點通信，完成通信組網。通過用戶配置站點號和工作模式，采集器可設置為主設備或者從設備，從設備將測量到的數據通過ZigBee網絡實時發送到主設備，主設備將所有節點數據統一處理，完成多種觀測要素數據的同步計算、數據融合、整體存儲和遠程傳輸。

圖3 ZigBee組網流程

3 本地物聯服務

3.1 模塊集成

通過內置的WiFi模組，采集器可采用AP方式提供實時數據的web服務，方便多個本地用戶同時查看數據或者將數據發送到智能電視等對公眾展示的顯示屏上[18]，實現觀測數據即時服務。具體方案如下：選擇支持802.11 b/g/n無線標準且通過CE/FCC/ROHS標準認證的模塊，采用工業級高性能嵌入式結構，運行在AP模式的時候最多可容納24個智能終端同時連接，也可以同時容納24個TCP客戶端。利用模塊的AP工作模式，實現無線物聯網接入的web頁面配置和自動氣象站數據服務和設備控制管理。

硬件集成最小電路原理如圖4所示，左邊為氣象站主采集器MCU，右邊為WiFi模塊，兩者通過接收端和發送端交叉連接的UART端口進行通信，將MCU復用I/O端口的PC8、PA15與模塊的Reload和Reset端口連接，實現MCU對模塊的參數復位和電氣復位功能，使用LED1、LED2燈連接模塊的Ready和Link端口，顯示模塊的工作狀態和聯網狀態。為滿足WiFi模塊發送時功耗需求，其電源輸入端配置100 μF以上的電容。

圖4 WiFi模塊連接圖

3.2 工作流程

當智能終端連接上采集器的WiFi網絡，可在簡潔的web配置界面使用無線組網AT命令和Socket命令對WiFi自身的參數進行配置，包括操作模式、SSID、登錄密碼、加密模式、網絡IP、UART的波特率和數據位等。測量數據從采集器MCU通過UART實時傳輸到WiFi模塊之后，按每日一個文件存在WiFi緩存TF卡中，在智能終端打開數據界面的時候即調用TF卡數據進行表格顯示和趨勢繪圖。采用緩存的方式降低了WiFi多用戶同時連接并請求歷史數據時產生的擁堵現象，提高了數據展示的用戶體驗。采用HTML5框架開發美觀和個性化的web服務界面，展示數據和設備狀態信息。

3.3 WiFi交互設計

采集器MCU、WiFi模塊和智能終端三者之間采用異步的松耦合交互方式，在不影響采集器實時采集任務的同時滿足智能終端多用戶的交互需要。如圖5所示，采集器主動發送的數據包含每個氣象要素實時的觀測值以及采集器工作狀態值，在接收到WiFi參數命令之后，采集器MCU根據中斷處理程序馬上響應，完成實時交互。而智能終端與WiFi模塊之間則采用多用戶輪詢的異步方式，請求數據和返回數據并不需要很強的實時性，WiFi環節起到數據緩沖和管理用戶的作用。通過命令系統和格式化數據協議，智能終端可通過WiFi網絡對自動氣象站進行系列操作，所能查詢和設置的參數主要包括：臺站編號、時間日期、要素開關、傳感器類型、傳感器靈敏度、采集器主動傳輸的頻率、通信端口使能和模擬端口配置等。

圖5 WiFi交互原理

4 遠程智能控制

自動氣象站作為一個專業的測量設備，需要對測量數據的數據質量進行控制[1]，提高數據的可靠性。傳感器或者采集器將模擬電壓、模擬電流信號進行模數轉換采樣之后，首先要根據質控規則和閾值參數對采樣數據進行初級的測量極值范圍檢查和采樣變化率檢查。檢查異常的采樣數據被標記了之后，不參與下一步的計算。合格的采樣數據用于計算氣象瞬時值時，還需要根據質控規則和閾值參數進行二級質控，包括氣候極值和氣象瞬時值的變化率檢查。檢查結果通過質控碼和傳感器狀態碼的形式，在實時報文中與數據一起通過5 G網絡發送到云端的數據中心以便提供數據共享和產品服務。自動氣象站配置5 G-IoT通信模塊，可通過移動通信網絡與云中心服務器進行數據雙向傳輸，實現自動氣象站數據質量控制、遠程管理和數據共享。

圖6 閉環質控流程

由于自動氣象站是長期工作的野外設備，而數據質量控制所需要的參數(采樣變化率、氣候極值和氣象瞬時值變化率)，與工作地點、季節和服務類型有關。由于設備安裝地理位置和地區氣候的不同，質控參數也會發生變化。同一個設備在同一個地點的不同季節，氣候極值和變化速率也不同。如果設備使用地點沒有發生變化，但設備服務類型被修改，氣象要素的最大允許誤差也可能發生變化，因此相應的質量控制參數也應該智能地變更。本設計中自動氣象站通過5 G網絡持續從云中心搜索本地區、本季節的歷史極值和變化率質控規則，并將參數保存在自身的質控規則庫中，實時地改進本設備的觀測數據質量。而本設備對某些極端天氣的實時觀測數據經過質控，在質控碼提出可疑告警之后，云中心將會根據附近其他自動氣象站或者天氣雷達等多源數據對可疑數據進行對比驗證，確認無誤之后用于更新云中心歷史規則庫。通過5 G物聯網實時數據的上傳和歷史規則的下載，實現了觀測數據閉環質控的智能化，持續改進自動氣象站的觀測質量。

5 實驗結果與分析

為驗證本設計方法，采用氣象業務在用的DZZ1-2型自動氣象站[19]作為原型機進行物聯化，關鍵部件如下：ARM芯片STM32F207，FLASH芯片K9LBG08，模數轉換芯片AD7792，WiFi模組ESP32-S，ZigBee芯片CC2630，SL2-1型雨量傳感器，HMP155型溫濕度傳感器，XFY9-1型螺旋槳風向風速傳感器以及SETRA270型氣壓傳感器。

主采集器如圖7所示，前面板上的插座用于連接部分傳感器、12 VDC供電以及通信線纜，后面板上安裝ZigBee天線。通過ZigBee自組網，物聯化的風傳感器和雨量傳感器可與主采集器組成一個局部探測網絡，通過主采集器的5 G傳輸功能將分鐘數據集中發送到遠程服務器上。在空間距離為25 m的距離內，智能傳感器上電10 s內即可連接上采集器，滿足專業氣象觀測場范圍(25 m×25 m)站[20]內的快速連接組網，在自動路由狀態下，智能傳感器可以布設到更遠的位置。

圖7 儀器實現

圖8 WiFi功能展示

自動氣象站附近20 m范圍內的的公眾可以使用手機、平板或者室內智能電視機連接到氣象站WiFi的AP熱點，打開瀏覽器比較流暢的查看實時的氣象站觀測數據。當查看某一個氣象要素一天的發展趨勢的時候，歷史數據從TF卡緩存直接調用，手機瀏覽器2 s內繪制曲線，無卡頓的感覺，且不影響自動氣象站實時采集系統正常工作。在用于社會化觀測的時候，自動氣象站的WiFi也可以設置為STA模式連接到附近的公眾網絡，向云服務器發送觀測數據。

通過5 G公眾網絡發送的遠程數據，數據需要經過5G基站、骨干網和虛擬專網等復雜的路由，也能在1 s之內傳輸到遠程數據中心，在不需要人工干預審核情況下，經過云中心數據庫審核更新的質控參數，確保在1 min之內回傳到采集器，參與下一分鐘的數據質控運算。

6 結束語

自動氣象站是地面氣象觀測中建設規模最大的自動化設備，但傳統的設備無法為復雜的大城市微氣候環境和智慧城市氣象服務提供高可用性的數據。本研究將ZigBee、WiFi和5 G等物聯網技術與自動氣象站深度融合，實現傳統觀測設備的更新換代，既充分利用智慧城市的網絡資源增強了自動氣象站在城市復雜環境的自適應能力和擴展能力，也通過閉環反饋方法提高了實時觀測網絡的數據質量。在綜合運用多種無線傳輸技術的基礎上，根據設備自身的特點和需求開展智能控制和智慧服務，可以深度挖掘物聯網技術在氣象觀測智能化上的價值。由于物聯網應用的是無線傳輸的公開頻段，在個別場合可能會由于用戶太多或者其他同類設備造成頻段擁塞和信號干擾，進一步將研究無線通信頻段的自動探測、自動選擇方法，提高傳輸性能和用戶體驗。