一種基于電力網架服務全民的微觀氣象監測系統

國網莆田供電公司 姚鐘武 徐麗紅 林忠喜

1 系統搭建的背景

眾所周知，電網企業在電力調度、施工作業、防風減災等多個領域都需要依賴實時而精準的氣象數據。然而，目前的天氣預報只是對城市的天氣情況進行籠統預測，這個預測無法精確到各個具體地點。而且，天氣預報只是事先預測，并不對任何地點真實發生的天氣情況做實時監測匯報。現今，電力系統各項工作對精確氣象信息的需求在不斷提高，我們亟需一套足夠精確且實時的氣象監測系統，能使我們對所關注的任何地點的天氣信息觸手可得，并為我們提供精準且實時的天氣服務（包括但不限于監測、記錄、提示、嵌入）。

2 系統概述

ZigBee 具有功耗低、距離短、無線傳輸速率低等優點,產品設置也愈發成熟。此外，GPRS 還可以遠程傳輸，在有信號地方，可以使用GPRS 進行傳輸，GPRS 也適用于以較低的數據傳輸成本傳輸少量數據。因此，系統主要結合兩種無線技術，設計了一種無線傳感器網絡氣象監測系統。無線傳感器網絡氣象監測系統體系結構包括氣象監測主機軟件、無線傳輸網關與ZigBee 路由三個部分，氣象監測合同氣象監測計算機軟件作為系統核心，同時具備數據存儲及顯示功能。ZigBee 無線網關路由器負責維護整個無線網絡的數據傳輸。氣象監測節點大多在較為偏僻的位置，所配備的氣象傳感器也較為多樣，主要工作為氣象數據采集，且由上位機進行控制。

3 系統基于電力平臺的優勢

巧合的是，在捕捉到電網企業對天氣數據具有強烈需求的同時，我們發現電網企業在搭建微觀氣象監測系統中具有獨特且巨大的優勢。通過基于電力設施搭建系統可充分利用電力系統設施獨有的幾大內在價值，大大降低建設成本。

一是露天優勢。戶外電力網絡設施直接面對風吹雨淋等氣候征象，具備采集降雨、風力風向、氣溫等多種氣象信息的先天優勢。

二是信號優勢。電力桿塔等設施所在地無線通信信號強，信號傳輸順暢。在經歷了配網智能化之后，電力設施上已廣泛布設了足夠多的通信傳輸網絡，且電力的通信網絡具有足夠多的信息承載余量，這樣就完全免去了一般氣象站建設中的通信設施搭建及流量費用。

三是供電優勢。配電網絡設施如電線桿塔、配電站房本身具備強大的供電能力，氣象數據采集設備圍繞其搭載，取電方便。而常規氣象站建設中一個很大的問題就是供電設施的搭建，若是野外氣象站，往往采用太陽能板供電方案。特點是價格昂貴、維護麻煩、壽命短、供電不穩定，電力網架服務全民的微觀氣象監測分布如圖1所示。

圖1 電力網架服務全民的微觀氣象監測分布

四是場地優勢。電力系統擁有非常龐大且分布廣泛的各種電力硬件，可為微觀氣象監測系統的搭提供免費且寶貴的占地資源。

4 氣象監測節點硬件設計

氣象監測節點由STM32F103ZET 單片機、ZigBee 外圍設備、存儲芯片、氣象采集傳感器等組成，利用各種傳感器采集風速、風向、溫度、濕度、氣壓等氣象要素。該節點由普通鉛酸電池和太陽能電池板供電。Usart2主芯片STM32直接連接到ZigBee UART 終端設備。串行通信中使用的波特率為115200，數據位為8位，中斷位為1位，不使用校驗和位。氣象監測節點通過ZigBee 終端設備模塊連接到ZigBee 無線通信網絡。為了加快開發速度，直接使用成熟的ZigBee 模塊。基于IEEE802的嵌入式ZigBee 無線數據傳輸模塊。15.4/Zigbee技術符合IEEE 802.15.4無線傳輸功能。ZigBee 模塊可以通過制造商提供的配置軟件配置ZigBee 終端設備、路由器及設備協調器。

ZigBee 網絡是由ZigBee 模塊組成的網絡，其節點容量可達65000，支持多種網絡拓撲，如傳輸網絡、點對多點傳輸網絡等。數據傳輸方式多種多樣。可以通過配置目標地址或廣播數據來路由數據,支持三種數據傳輸模式：ini 和透明傳輸。在透明傳輸模式下，ZigBee 終端設備進入網絡后，通過串口將數據傳輸到ZigBee 模塊，并通過ZigBee 網絡將數據傳輸到指定目的地址的設備。通過無線通信從ZigBee 終端接收的數據通過串口輸出。氣象監測節點中的ZigBee 模塊配置為ZigBee 終端設備，采用透明傳輸方式，可以接收任何節點發送的數據，并通過ZigBee 網絡將數據進行傳送處理。

5 系統的構造

如圖2所示，本微觀氣象監測系統包括：氣象數據采集設備（圖中標注為1），安裝于電力網絡的各個節點（包括但不限于電力桿塔、配電站房等，圖中標注為200），用于采集天氣信息，以上天氣信息包括但不限于降水、風力風向、氣溫等天氣信息；通信設施（圖中標注為2），安裝于配電網絡的各個節點，通信設施與氣象數據采集設備信號連接；服務器（圖中標注為3），與各個節點的通信設施信號連接，服務器可以時間為軸記錄各個節點的天氣信息，個人終端（圖中標注為100）與服務器信號連接并可接收或讀取服務器傳來的天氣信息。通過氣象數據采集設備、通信設施、服務器及個人終端環環相扣，節點之間有機結合，產生矩陣效應，形成完整鏈條，最終構成一種基于電力服務全民的微觀氣象監測系統，以下簡稱系統。

圖2 微觀氣象監測系統

6 系統的用途

6.1 指導施工

系統可用于電力施工及搶修，為電力工人提供智能的、實時的、準確的現場氣象情況支撐，提升現場電力工作的工作效率和安全系數。電力作業普遍對現場的天氣情況有較高要求，比如安規規定多項電力工作的現場風力不得大于5級。本系統可通過手機實時查看工作地點的天氣情況，并可通過設置，向工作人員發出多種定制化提示。

6.2 抗風減災

系統可用于抗風減災，精準監控過境臺風微觀形態，減少臺風對電力系統的破壞，減少電力系統經濟損失，保障抗風搶險人員生命安全。福建地處東南沿海，常年遭遇臺風。如何做好臺風監測是電力系統的一項重要課題。本系統通過在分布廣泛的電力桿塔上或配電站房上布局風力風向等氣象監測儀，以點成面，形成臺風監測矩陣，像一臺顯示器一樣，將臺風的準確形態刻畫出來，成為電力系統抵御臺風的一項利器。電力網架服務全民的微觀氣象監測流程如圖3所示。

圖3 電力網架服務全民的微觀氣象監測流程

6.3 水電調度

系統可服務于電力系統水電站調度。水力發電是經濟性高的清潔能源，準確預測水電站的發電能力可減少對水力資源的浪費，提升并網電能的經濟效益。本系統可通過讀取水電站所在地及水電站上游流域相關的降水監測節點矩陣的數據，準確預測水電站上游的徑流量，從而對水電站的發電能力做到精準把控。（注釋：徑流量與降水、地質結構相關，地質結構是定量，而降水是變量，所以只要降水數據足夠精確就可以通過不斷迭代的算法，使得對徑流量的預測足夠準確。而之前的水電站僅依賴籠統的降水數據，根本無法滿足準確預測的要求。）

6.4 森林火災

2020年3月31日，四川大涼山專業打火隊接到任務，21名隊員在一名當地向導的帶領下，義無反顧地沖向火海。可又沒想到，風向突變，22個人被大火包圍。就在人們盼望著他們平安歸來的時候，傳來的卻是一個痛心的消息：19名年輕的救火英雄犧牲。本微觀氣象監測系統可布局于經常發生山火的林區，為消防員滅火時提供實時準確的微觀風力風向圖，即使風向突變，也可帶領消防員及時走出危險的下風區。

6.5 雷電定位

雷電對電力系統的危害普遍且多發，對雷擊點的定位是個全社會的命題（比如，雷擊電力設施引發故障時若能準確定位雷擊點將大大縮短搶修時長），而尋找雷擊點卻是一個極大的難題。微觀氣象監測系統可通過聲光捕捉比較法，多節點響應，精確定位雷電，可使對雷擊點的定位精度達到相當高的級別。

6.6 服務全民

系統所采集并記錄到的降雨、風力風向、氣溫等天氣大數據可廣泛應用于居民生活生產各行各業。天氣情況與人們的日常生活息息相關，每個人每天都有查看某個特定地點實時天氣狀況的需求再做決策，我們都迫切需要知道目標地點的天氣情況。現今基本人手一部手機，然而目前沒有任何一款手機端應用能滿足上述需求。本系統一旦建立完成，即可服務所在城市每位市民的日常所需，為每位市民提供其所要知道的任何地點的準確且實時的天氣信息。

例如，農業生產需要關注天氣情況。本系統所得各地點的天氣情況大數據日積月累，積少成多。該大數據對農民農業生產決策及農業科研人員分析研究至關重要。再例如，行車導航公司若接入讀取本系統天氣數據，即可收到不同地點的各自的實時的天氣狀況，為司機在行車途中提供精準天氣導航，比如避開暴雨路徑，避開狂風地帶。又或者天氣情況會影響消費者消費習慣，精準的天氣大數據可提供給當地商業調研機構分析使用。每個市民可以選擇一個自己最關注的地點實時獲取該地點的天氣信息并享受相關定制服務（比定制可讓自己手機收到“該地點下雨”或“該地點雨停”的提示），這個地點可以是自己的家，也可以是你上班的地點，也可使是你家的農田等等。當然用戶也可以選擇獲取全市任何地點的準確天氣信息。對于企事業單位，比如商業調研公司，可購買該城市所有地點全部采集器累積下來的一整年的天氣大數據原始資料，用于非常廣泛的科研或商業用途。

所以，本系統搭建后的用戶需求將異常強烈且廣泛。基于本系統出誕生出一款全民熱捧的互聯網APP 產品。

7 意義與價值

國家在呼吁創新，電力系統在大力倡導提質增效，本系統是對提質增效的一次極佳響應。通過創造性的構思，挖掘出電力硬件的潛在價值，對內產生巨大經濟效益，對外產生重大社會價值。系統為全社會提供了一種從未有過又每日皆需、每人皆需的原始大數據。原始大數據的社會效益是巨大的，其社會效益是一級一級傳導并不斷累積的且無法用具體數值估量的。類似電能，電能是社會運轉的源動力，每一度電有價，但每一度電對社會的貢獻是無價的。且在ZigBee 與GPRS 無線通信技術不斷發展前提下，提出了一種基于無線傳感器網絡的氣象監測系統。經過測試，無線傳感器網絡氣象監測系統中的節點可形成網絡，該系統可以方便、高效地管理多個氣象監測節點，有效地獲取和處理氣象數據，系統穩定可靠，該系統實用價值高，可操作性強。