基于物聯(lián)網(wǎng)的分布式自動氣象站現(xiàn)場核查技術(shù)探討

張治楠

（內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市氣象局，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

現(xiàn)階段，氣象觀測行業(yè)朝著信息化、網(wǎng)絡(luò)化的趨勢發(fā)展。信息技術(shù)的更新迭代，必然推動自動氣象站現(xiàn)場核查的建設(shè)和發(fā)展，其不僅具有極高的研究價值，同時也具備較高的應用價值。在自動氣象站的建設(shè)及發(fā)展過程中，需要借助技術(shù)手段不斷地進行創(chuàng)新和改良，積極地通過技術(shù)革新來改進自動氣象站現(xiàn)場核查的運作流程。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是一項涉及領(lǐng)域多、應用范圍廣的信息技術(shù)，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，萬事萬物將不僅具有物理屬性，同時也具備信息屬性?；ヂ?lián)網(wǎng)與顯示物品可以無縫銜接，是自動氣象站現(xiàn)場核查整體建設(shè)體系中極為重要的技術(shù)支撐。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)的分布式自動氣象站現(xiàn)場核查系統(tǒng)需求分析

目前，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)隨著時代的發(fā)展已經(jīng)廣泛應用到各個領(lǐng)域。而中國新型自動氣象站緊跟時代發(fā)展以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，采取分布式自動氣象站現(xiàn)場核查技術(shù)，確?；谖锫?lián)網(wǎng)分布式自動氣象站現(xiàn)場核查系統(tǒng)的需求分析，這就在一定程度上解決了現(xiàn)階段自動氣象站計量檢定業(yè)務(wù)存在的問題，比如新型自動氣象站現(xiàn)場核查技術(shù)是否核查準確等。而基于物聯(lián)網(wǎng)的分布式自動氣象站現(xiàn)場核查技術(shù)的主要特征是對新型氣象站的主采集器、風向、風速、氣壓、雨量傳感器等進行準確測量，與此同時，利用新型自動氣象站現(xiàn)場核查技術(shù)也能大大提高多個通道以及設(shè)備之間同時進行核查的能力。此外，利用新型自動氣象站現(xiàn)場核查技術(shù)還能夠?qū)Ω魍ǖ纻鞲衅鬟M行實時監(jiān)控，并且不定時地對各通道傳感器進行現(xiàn)場測試，保證基于物聯(lián)網(wǎng)的分布式自動氣象站現(xiàn)場核查系統(tǒng)得到準確的需求分析[1]。

2 自動氣象站現(xiàn)場核查裝置的設(shè)計

2.1 物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)設(shè)計

在新型自動氣象站中采取基于互聯(lián)網(wǎng)的分布式自動氣象站現(xiàn)場核查技術(shù)，就必須要做好新型自動氣象站現(xiàn)場核查裝置的設(shè)計。而自動氣象站現(xiàn)場核查裝置的設(shè)計離不開物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)設(shè)計的支撐。想要完全地發(fā)揮出現(xiàn)場對采集器、傳感器同時進行核查的作用，新型自動氣象站核查系統(tǒng)的設(shè)計就必須要采取多個核查分機的分布式結(jié)構(gòu)。只有以互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)將采集器與各傳感器之間相互連接起來，才能實現(xiàn)主核查機與各個核查分機之間的協(xié)調(diào)合作。要想提高整體工作效率，提升核查工作智能化水平，現(xiàn)場工作人員操作時必須每人都配置一臺核查系統(tǒng)的手持終端，在新型自動站采取物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)的分布式自動氣象站現(xiàn)場核查技術(shù)的同時，要對所有的核查數(shù)據(jù)進行規(guī)范化管理，以此來提高各個核查機的工作效率，進而提高智能化水平。此外，核查系統(tǒng)的設(shè)計必須要具備對各傳感器進行現(xiàn)場測試的能力，并且無論是主核查機，還是各核查分機，都必須能夠擁有單獨測試傳感器的機會，擁有獨立離線運行的能力，只有這樣，才能更好地將主核查機以及各個核查分機利用到現(xiàn)場故障診斷的情況中。

核查系統(tǒng)設(shè)計必須要擁有4個功能組件，其包括1個核查主機、2個核查分機及手持終端。此外，對核查系統(tǒng)進行設(shè)計的主要目的是將核查系統(tǒng)應用到氣象觀測場，各個組件之間再利用無線網(wǎng)進行連接，實現(xiàn)對鋰電池的供電，從無線連接方式中可以看出，對各組件的傳輸速率要求不高。因此，核查主機和手持終端可以選用4G 網(wǎng)絡(luò)作為遠程數(shù)據(jù)傳輸方式。該系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)主要包括傳感器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、電源系統(tǒng)以及軟件系統(tǒng)，各系統(tǒng)詳細信息如下。

傳感器系統(tǒng)：以現(xiàn)場核查儀器為主的傳感器系統(tǒng)，在結(jié)構(gòu)上主要包括傳感器以及無線節(jié)點盒。傳感器采用的是標準傳感器，是由中國氣象局設(shè)計定型的智能測量儀，具有溫濕度測量、氣壓測量的功能。除此之外，還有二維超聲風傳感器以及雨量標準器。傳感器系統(tǒng)能夠?qū)τ^測數(shù)據(jù)進行自動化采集、自動化分析、質(zhì)量控制及存儲和傳輸，完全能夠適應自動采集模式。通訊模式及處理模式能夠?qū)υO(shè)備的狀態(tài)進行自動化檢測，并進行質(zhì)量控制、計量檢定及信息報警[2]，可以自動診斷出設(shè)備的工作狀態(tài)是否正常，如果設(shè)備發(fā)生狀態(tài)異常，還可以進行自動化故障定位，便于技術(shù)人員及時對故障問題進行控制。在數(shù)據(jù)上采用標準化的數(shù)據(jù)格式以及三線制rs 232 串行數(shù)據(jù)接口，也可以進行拓展連接Zigbee，北斗衛(wèi)星等通信模塊可以進行熱插拔，即插即用，加快數(shù)據(jù)交互的速度。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是提高采集精度和采集效率的關(guān)鍵節(jié)點，因此，其選用具有較高性能的嵌入式處理器，同時采用高精度的模擬量采集器電路和時鐘電路。系統(tǒng)內(nèi)部內(nèi)嵌藍牙通信模塊和Zigbee 模塊，增加藍牙通信和Zigbee 無線組網(wǎng)通訊功能。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠最大程度上加大數(shù)據(jù)采集的效率，完全擺脫了原始自動化采集系統(tǒng)采集效率及準確程度低等諸多弊端。同時，最大程度上提升了通訊效率。

電源系統(tǒng)：供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性也是決定整個系統(tǒng)運行效率和運行可靠性的重要因素。根據(jù)供電模塊的不同，電源系統(tǒng)主要由采集器供電系統(tǒng)和智能節(jié)點處理單元供電系統(tǒng)組成。而采集器供電系統(tǒng)主要由充電器和電池組成，采用12 V 直流電源為數(shù)據(jù)采集器系統(tǒng)進行供電。無線智能節(jié)點和電源系統(tǒng)則由電池和無線充電板組成，為節(jié)點和本身以及傳感器進行直流供電。

軟件系統(tǒng)：軟件部分主要由嵌入式軟件以及業(yè)務(wù)軟件共同組成。其中，嵌入式軟件基于Linux 操作系統(tǒng)，可以充分發(fā)揮傳感器系統(tǒng)數(shù)據(jù)采樣、智能控制、數(shù)據(jù)傳輸與存儲的功能。而業(yè)務(wù)軟件主要由Pad 終端核查軟件系統(tǒng)以及遠端中心站數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接系統(tǒng)共同組成。核查軟件系統(tǒng)的主要功能就是核查數(shù)據(jù)，進行自動站現(xiàn)場數(shù)據(jù)的收集、比對、分析及原始數(shù)據(jù)的存儲和核查報表的自動化生成。遠端中心站軟件的主要功能就是進行現(xiàn)場核查數(shù)據(jù)的存儲和業(yè)務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)連接[3]。

2.2 結(jié)構(gòu)及功能設(shè)計

在新型自動氣象站采取基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的分布式自動氣象站現(xiàn)場核查技術(shù)時，必須要充分考慮到核查系統(tǒng)是否使用方便且易攜帶的問題。要想核查系統(tǒng)能夠使用方便并具有易攜帶性，還要核查系統(tǒng)的各個核查單元是否擁有獨立離線運行的能力，必須要對核查系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及功能進行合理設(shè)計。相關(guān)操作人員可以在每個核查單元內(nèi)置鋰電池供電、觸摸屏、信號源輸出端口等。保證核查系統(tǒng)的各個核查單元以及連接線都能完整地放置在一個手提工作箱內(nèi)。核查系統(tǒng)要想擁有以上功能就必須包括核查主機、核查分機、手持終端以及遠程服務(wù)器這些組件。

核查主機：在本系統(tǒng)中，核查主機的主要功能包括對氣壓、雨量、風速、風向傳感器的信號源功能及性能進行測試，即對氣壓、雨量、風速、風向傳感器所檢測到的數(shù)據(jù)進行收集和匯總，并在特定的顯示器上進行展示。

核查分機：核查分機的主要功能為對濕度、溫度、地溫傳感器的信號源功能及性能進行測試，也就是對大氣溫度、濕度、地溫進行檢測并將觀測結(jié)果進行實時展示。

手持終端：手持終端是技術(shù)人員對整個系統(tǒng)進行操控的工具，在終端上安裝控制軟件，并且能夠根據(jù)定位識別站點按照預定配置的核查要求通過Zigbee 通信模塊控制各個核查主機和核查分機。并將整個核查過程進行展示，在核查結(jié)束后，通過通信模塊連接至遠程服務(wù)器，將原始數(shù)據(jù)進行保存。

遠程服務(wù)器：遠程服務(wù)器本質(zhì)上是存儲服務(wù)器，配備有磁盤陣列和數(shù)據(jù)庫軟件。主要功能是負責接收并存儲各個信號節(jié)點的原始記錄，并通過打印軟件對數(shù)據(jù)庫原始記錄進行批量打印。

3 現(xiàn)場核查的主要工作流程

3.1 采集器現(xiàn)場核查/校準的流程

采用基于物聯(lián)網(wǎng)的分布式自動氣象站現(xiàn)場核查技術(shù)進行周期核查校驗可以實現(xiàn)全面自動化控制。在此過程中，可依靠處理系統(tǒng)和采集器，擺脫對人力的依賴。采集器現(xiàn)場核查及校準的主要流程如下：①技術(shù)人員將核查主機每個信號輸入口采集器進行連接，而后將核查主機的通信端口與主采集機的調(diào)試端口進行連接，確認連接完成后開啟核查主機和各個核查分機。②技術(shù)人員確認終端設(shè)備和主機設(shè)備皆處于正常運行狀態(tài)后，根據(jù)經(jīng)緯度確認站點的詳細信息。并且在終端設(shè)備上連接遠程服務(wù)器，獲取更新配置文件。更新文件的內(nèi)容包括但不限于各個觀測要素的核查點、穩(wěn)定時間、采樣次數(shù)及采樣間隔。③技術(shù)人員使用終端設(shè)備或是主機設(shè)備通過Zigbee 網(wǎng)絡(luò)向各個采集節(jié)點發(fā)送核查指令。④每臺核查主機和分機按照技術(shù)人員的核查指令向每個采集節(jié)點發(fā)送相關(guān)信號及指令。核查主機通過采集器的通信端口獲取自動站各通道輸出的值，并將其實時發(fā)送至各個核查分機。主機及分機設(shè)備顯示器上將同時顯示相應通道的標準信號值和采集器的輸出值，而后核查主機將標準信號及采集器的輸出值發(fā)送至技術(shù)人員的終端上。⑤終端設(shè)備或核查主機根據(jù)核查配置文件的參數(shù)對整個過程進行自動化控制，該過程不需要人工進行干預。若在核查過程中某個通道的核查值或校驗偏差值大于設(shè)定的最大偏差時，終端設(shè)備將給予技術(shù)人員警報提示。核查工作結(jié)束后，終端設(shè)備或核查主機將會顯示本次核查的主要結(jié)果并將整個核查過程的延時記錄上傳至特定的遠程服務(wù)器中。

3.2 傳感器現(xiàn)場測試流程

若在核查過程中發(fā)現(xiàn)自動站或某個傳感器節(jié)點存在故障問題，技術(shù)人員可以單獨使用核查主機或核查分機進行手動操作來對故障節(jié)點進行快速檢測，也可配合傳感器的校準設(shè)備進行使用，具體測試流程如下：①將故障節(jié)點的傳感器與核查主機或核查分機進行連接。氣壓、雨量傳感器及風速、風向傳感器對應核查主機，溫度、濕度傳感器對應溫濕度核查分機，地溫傳感器則對應地溫核查分機。②將被測傳感器放于校準設(shè)備或當前大氣環(huán)境下，技術(shù)人員使用終端設(shè)備和對應的核查主機或核查分機開啟傳感器的性能測試功能。③終端設(shè)備或核查主機及核查分機將被測傳感器的輸出值顯示在顯示器上。

3.3 系統(tǒng)的實際運用

該系統(tǒng)經(jīng)研制完成后，于2021年3月在中國海南省氣象探測中心進行模擬試用。試驗表明，該系統(tǒng)能夠通過自組網(wǎng)實現(xiàn)對溫濕度、氣壓、風量、雨量等6種采集要素的精準化采集測量。能夠在極短的時間內(nèi)快速實現(xiàn)對區(qū)域傳感器工作狀態(tài)的判斷，最大程度上提高區(qū)域內(nèi)現(xiàn)場檢修和核查能力。

該系統(tǒng)有如下5 大優(yōu)勢：①適用范圍廣。該系統(tǒng)能夠?qū)Σ煌瑥S家的自動氣象站及多要素的檢測要求進行滿足，最大程度上滿足地區(qū)氣象站的合規(guī)性建設(shè)需求。②檢測要素精準。可以精準地對傳感器數(shù)值進行輸出，并對數(shù)值偏移或跳躍等故障進行檢出。③操作簡單，便于攜帶。該系統(tǒng)體積小，質(zhì)量輕，能耗也相對較低，完全可以單人攜帶，單人操作能夠充分兼容野外的工作環(huán)境。④該系統(tǒng)支持無線自組網(wǎng)及藍牙通信模式。⑤在軟件系統(tǒng)上采用當下最先進的數(shù)字化技術(shù)和圖形化操作展示方式，界面簡潔易操作，檢測結(jié)果可隨時導出[4]。

4 結(jié)束語

基于物聯(lián)網(wǎng)的分布式自動氣象站現(xiàn)場核查技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在氣象觀測領(lǐng)域的應用，可以作為氣象觀測機構(gòu)傳感器實驗室檢定校準的補充方案，能夠?qū)δ壳白詣託庀笳居嬃繖z定工作進行補充和完善?，F(xiàn)查核查系統(tǒng)亦可作為自動站保障人員的測試工具，提高檢測水平和工作效率，是進行信息化建設(shè)的重要舉措。該系統(tǒng)采用軟硬件相結(jié)合的方式進行工作，不僅改良了傳統(tǒng)的工作流程，還提高了工作質(zhì)量和工作效率。該系統(tǒng)的開發(fā)及應用，為中國氣象觀測領(lǐng)域帶來全新的發(fā)展方向。