地面氣象觀測站運行監測與控制系統設計

左湘文，肖建輝，荀家寶，劉青松，張 磊

(1.中國氣象局旱區特色農業氣象災害監測預警與風險管理重點實驗室，銀川 750002；2.寧夏氣象防災減災重點實驗室，銀川 750002； 3.寧夏大氣探測技術保障中心，銀川 750006)

0 引言

隨著我國氣象事業不斷發展，越來越多地面氣象觀測站投入使用，目前全國已建成國家級地面氣象觀測站約2 400套，省級地面氣象觀測站近60 000套。地面氣象觀測站觀測數據為氣象預報預警、氣象服務業務開展提供了有力的觀測支撐。隨著站點規模的不斷擴大，基層氣象部門維修保障壓力顯著增加。地面氣象站上傳的報文或流數據主要為氣溫、濕度、氣壓、降水、風速、風向等氣象觀測數據，部分關鍵的設備運行狀態數據并不上傳，而且數據上傳頻率為一小時，維修保障人員無法全面且及時地掌握設備運行狀態。有些站點地處偏遠，處于無人值守狀態，當主采集器或分采集器出現死機時需要奔赴現場重啟解決，大大降低了維修保障工作時效。為提高地面氣象觀測站平均無故障時間和數據正確率，并降低基層氣象部門維修保障人員勞動強度，開展地面自動氣象站遠程運行狀態監測與控制方法研究迫在眉睫。

目前國內在地面氣象觀測站運行狀態監測與遠程控制方面已取得了一些成果。在運行監測方面，吳頻頻等設計了一種地面氣象觀測站監測軟件[1]，能夠對站點觀測數據異常狀態進行遠程監控，但是該軟件是通過獲取站點上傳的氣象觀測數據來實現狀態監控，并不能獲取地面氣象觀測站存在本地的運行狀態參數。楊維發等設計了一種便攜式地面氣象觀測站故障分析儀[2]可在現場對地面氣象觀測站各種傳感器運行情況進行監測和判斷，但不能實現在遠端運行狀態實時監測并在出現狀態異常時進行遠程干預。在遠程控制方面，張初江等設計了一套地面氣象觀測站遠程智能控制系統[3]，實現了對地面氣象觀測站主采集器的遠程控制，但沒有實現對各個分采集器的電源控制，而且控制器體積較大，功耗較高。

為了解決上文中提到的問題，實現地面氣象觀測站遠程實時監控和控制的實際需要，設計了一套地面氣象觀測站運行監測與控制系統。通過在地面氣象觀測站主機箱向內部署一個體積小、功耗低的運行狀態采集與電源控制器，可以獲取較全面的地面氣象觀測站氣象觀測數據以及運行狀態數據，并可以根據用戶指令對地面氣象觀測站進行遠程開關機以及重啟控制。在遠端部署上位機軟件，維修保障人員可以通過上位機軟件對地面氣象觀測站運行狀態進行實時監測，發現設備死機故障可以及時重啟，從而達到提高維修保障效率的目的。

1 系統功能設計

地面氣象觀測站運行監測與控制系統由部署在站端的“運行狀態采集與電源控制器(以下簡稱：控制器)”以及部署在觀測室或監控中心的“上位機軟件”組成，系統總體結構如圖1所示。控制器硬件設計基于樹莓派卡片電腦來實現，其主要功能是：1)通過RS232串口實現地面氣象觀測站運行狀態的采集和控制命令的轉發；2)通過無線網絡實現與上位機軟件通信；3)通過控制繼電器控制電路實現自動站各部件電源[4]控制。在用戶發現故障時，根據上位機發送來的指令對地面氣象觀測站進行關機、開機或重啟操作。上位機軟件采用B/S結構設計，分為三個功能模塊：1)數據通訊功能模塊，實現與控制器通過網絡實現數據通訊和數據存儲；2)運行狀態判識功能模塊，實現對地面氣象觀測站數據和運行狀態進行實時監測判斷；3)用戶交互模塊，實現地面氣象觀測站運行狀態展示及遠程控制。運行狀態采集與電源控制器通過無線擴頻設備與上位機軟件相連，軟件通過UDP協議通訊。在軟硬件設計上均采用模塊化設計，盡量減小各功能模塊之間的耦合度，提高了系統可維護性。

圖1 地面氣象觀測站運行監測與控制系統總體結構圖

2 控制器關鍵技術設計

控制器由控制單元和繼電器控制電路組成。采用樹莓派[5]卡片式計算機作為控制單元核心部件，樹莓派是一個基于ARM構架的嵌入式開發平臺，具有體積小巧、可靠性高、開發快捷以及低功耗的優點。樹莓派可運行linux操作系統，完全支持Python語言開發，集成了GPIO和常用硬件控制引腳，可以方便快捷地和外圍硬件電路進行交互。本次系統設計時采用的樹莓派型號是Raspberry Pi 3b+。

在系統實現中，樹莓派上運行Raspberry Pi操作系統。在軟件方面，運行狀態監測及供電控制程序采用Python語言實現運行狀態監測[6]、電源控制并與上位機軟件進行通信。在硬件設計方面，樹莓派第6引腳(GND)、第8引腳(TXD)、第10引腳(RXD)與地面氣象觀測站調試通信接口相連，通過RS232通信接口實現對地面氣象觀測站觀測數據和運行狀態的獲取。第36、37、38、40引腳與繼電器控制模塊相連，用來控制地面溫度分采集器、溫濕度分采集器、雨量分采集器以及主采集器電源的通斷，后期可根據需要進一步擴展繼電器控制電路?？刂破饔布Y構如圖2所示。

圖2 控制器硬件結構圖

2.1 控制器運行狀態監測及供電控制程序設計

控制器支持與我國氣象部門常用的DZZ4、DZZ5和DZZ6型地面氣象觀測站主采集器通訊。程序流程見圖3。

如圖3所示，當控制器上電后通過握手命令與地面氣象觀測站采集器通信[7]握手，當在5秒內收到采集器返回指令[8]則進行下一步，反之則更換另一型號采集器的串口指令集，直到握手成功，若遍歷控制器內所有指令集后仍然沒有握手成功，則結束程序。

圖3 控制器運行狀態監測及供電控制程序流程圖

在通信握手成功后進入程序循環執行狀態，先檢查網絡通訊緩存中是否有上位機軟件發來了控制指令。若有指令則讀取上位機指令，識別指令種類和控制通道，并控制樹莓派對應GPIO引腳電平變化來使繼電器執行指令動作，可執行斷開、閉合、整機時序重啟等控制動作，控制完畢后生成控制完成回執回傳給上位機。若網絡通信緩存中沒有上位機控制指令則檢查是否達到運行狀態獲取時刻，若已到達獲取時刻則向主采集器發送獲取指令，獲取成功后完成數據打包，并發送至上位機，若獲取失敗則向上位機發送數據獲取失敗標識。

考慮到采集器在繁忙時有可能不會回復控制器讀取指令，為保證系統的可靠性，控制器程序會等待5秒，在5秒內沒收到信息的情況下會發送3次讀取指令，若三次都沒有收到運行狀態信息，則認為主采集器狀態異常，發送失敗標識。另外，在設置運行狀態數據獲取時刻時要滿足兩個條件：一是獲取數據間隔時間要大于60秒，因為地面氣象觀測站數據采集頻率在60秒以上。二是盡量避免影響地面氣象觀測站整點數據和分鐘數據傳輸，因為地面氣象觀測站在每小時整點[9]會處理并上傳整點觀測數據，在每分鐘30秒前會上傳分鐘數據，所以應不在每小時整點前5分鐘、后3分鐘以及每分鐘前30秒獲取數據。本文在控制器程序中將運行狀態數據獲取時刻設置為每小時的06分40秒、11分40秒、16分40秒、21分40秒、26分40秒、31分40秒、36分40秒、41分40秒、46分40秒、51分40秒、54分40秒。程序流程如圖3所示。

2.2 繼電器控制電路設計

各繼電器控制電路實現了對控制主采集器、地面溫度分采集器、溫濕度分采集器、雨量分采集器供電線路的通斷的控制，單路繼電器控制電路設計方案如下：電源控制模塊有四路相同的繼電器控制電路組成，另外可根據需要增加備份，單路繼電器控制電路如圖4所示：P1端子1腳接電源供電VCC，2腳接地面溫度分采集器、溫濕度分采集器或雨量分采集器等供電正極輸入端，3腳懸空。為保證樹莓派控制模塊安全，采用PC817光電耦合器實現繼電器通斷控制。通過上拉電阻將樹莓派GPIO引腳電平設為高電平[10]，當控制器收到上位機控制指令后，會在指定的GPIO引腳輸出低電平，PC817的3、4腳導通，S8050三極管基極輸入電流，Q1三極管處于導通狀態，繼電器K1的3、5腳閉合，需要控制的電源斷開，反之電源閉合。繼電器為感性元件，在繼電器通斷時會產生反向勢能可能會燒壞電子元件，在繼電器控制端并聯一個續流二極管D3，可以起到吸收反向勢能的作用[11]。

圖4 單路繼電器控制電路圖

3 上位機關鍵技術設計與實現

3.1 上位機數據通訊程序設計

上位機數據通訊功能模塊是使用Python語言編寫的控制臺程序，數據通訊功能模塊通過UDP/IP協議與控制器通訊，利用Socket接口[12]實現接收控制器數據并發送用戶電源控制指令。程序流程見圖5。

如圖5所示，程序開始運行時，首先偵聽網絡通訊緩存中是否有控制器發來的地面氣象觀測站運行狀態數據包，若有則檢查數據格式，若格式錯誤則將讀取錯誤標識寫入數據庫。若格式正確則將數據格式化后，然后通過SQL語言將運行狀態數據寫入數據庫。

圖5 上位機軟件數據通訊程序流程圖

若沒有偵聽到地面氣象觀測站運行狀態數據包，則檢查用戶是否發出控制指令，若沒有則繼續偵聽通訊緩存，若用戶發送了控制指令，則通過UDP/IP協議向控制器發送指令，收到回執后，生成控制完成標識并寫入數據庫，循環等待后接收失敗則生成失敗標識寫入數據庫。

3.2 運行狀態判識模塊程序設計

地面氣象觀測站運行狀態主要有：采集器狀態，電池電壓，主機箱門狀態以及個各傳感器運行狀態等。其中采集器狀態、電池電壓、主機箱門等狀態信息可以直接從采集器中讀取在進行判識，稱為直接狀態數據。傳感器[13]運行狀態包含溫度、濕度、氣溫、氣壓、風速、風向、降水、能見度等傳感器的狀態。各傳感器狀態無法從地面氣象觀測站采集器中直接獲取，要通過對傳感器觀測數據分析判識獲得，若觀測數據異常則認為傳感器狀態可疑或故障，這類數據稱為間接狀態數據。

上位機運行狀態判識模塊是使用Python語言編寫的控制臺程序。運行狀態判識與分析模塊程序執行流程如圖6所示。程序開始運行時，先裝載本站參數，包括各站元數據信息以及氣象要素觀測歷史極值。然后讀取數據庫是否有新的運行狀態數據，若沒有則等待一段時間再讀取，若有新數據則讀取一行新數據，并遍歷其中每個狀態數據。如果該數據為直接狀態數據，布爾類型的數據(采集器狀態、主機門開關狀態等)直接讀取，浮點數類型(電池電壓等)數據則需要進行閾值判斷。若該數據為間接狀態數據，則首先進行本站歷史極值對比，若超過歷史極值(包括低值與高值)則認為傳感器狀態異常，之后讀取之前若干時刻的觀測數據進行時間變化率檢查，若變化率過低或者過高則判斷傳感器狀態異常。最后將判識結果寫入數據庫，供用戶交互模塊讀取。需要說明的是在時間變化率檢查時，每種氣象要素時間變化率閾值以及讀取歷史數據的長度并不相同，這主要由各類傳感器正常情況下觀測要素隨時間變化快慢以及變化特征決定。

圖6 上位機運行狀態判識程序流程圖

3.3 用戶交互模塊功能設計

用戶交互模塊直接面對業務值班員等用戶。在設計用戶交互模塊時要考慮到系統使用的便利性，要實現可以通過不同計算機終端訪問系統，故采用B/S結構設計，利用Flask框架技術實現。Flask[14]是一個輕量級的可定制框架，使用Python語言編寫，其WSGI工具箱采用Werkzeug ，模板引擎則使用Jinja2。較其他型框架更為靈活、輕便、安全且容易上手。它可以很好地結合MVC模式進行開發，適合中小型網站的開發。另外，Flask具有較強的擴展性，用戶可以根據自身需要添加定制功能。

用戶交互模塊設計遵循直觀便捷原則[15]，在實時顯示運行狀態數據與報警設計時，以界面展示直觀、美觀為出發點，通過清晰直觀的展示界面，實現對自動站氣象觀測數據、運行狀態、報警信息等信息的實時監測，對于直接狀態數據，使用圓形“小燈”表示，紅色為異常，綠色為正常。對于間接狀態數據，數字變為紅色為異常，其他顏色為正常。在自動站供電的遠程控制設計時，以操作便捷，反饋明確為出發點，可以手動單獨關閉、打開或重啟主采集器、溫濕分采集器、雨量分采集器，也可以一鍵時序重啟整個地面自動氣象站。用戶界面見圖7。

圖7 用戶交互模塊界面示意圖

3.4 數據存儲

采用Mysql數據庫系統實現本系統數據庫構建，數據庫包含自動站點信息表、運行狀態信息表、控制器操作日志表、用戶信息表。站點信息表存儲需要監測的自動氣象站區站號，控制器標識等信息；運行狀態信息表存儲接收到的各站運行狀態數據；控制器操作日志表用來記錄用戶操作控制器的日志信息；用戶信息表存儲系統用戶權限、名稱、密碼、所述機構等信息。

4 實驗結果與分析

4.1 可靠性測試

測試指標:使用運行狀態獲取成功率與運行狀態異常判識成功次數作為測試的指標。運行狀態獲取成功率計算公式見式(1)：

(1)

式(1)中，E為運行狀態獲取成功率，ES為測試時段內運行狀態數據應獲取總次數，Ea為系統運行狀態數據實際獲取次數。因為測試時間有限，地面自動氣象站自然出現狀態異常次數可能較少，所以人為設置典型地面自動氣象站運行狀態異常情況[16-17]進項測試，用運行狀態異常判識成功次數(N)來衡量系統判識性能。

測試方法：在可靠性測試中，將地面氣象觀測站運行監測與控制系統接入DZZ5、DZZ6型地面氣象觀測站測試運行1個月(30天)，每小時獲取數據11次，共獲取7 920次。人為設置10運行狀態異常情況，并依次觸發，詳情見表1。

表1 人為運行狀態異常簡述

測試結果與分析：運行狀態獲取成功率E與運行狀態判識異常成功次數N見表2。DZZ5型地面氣象觀測站E值為100%，DZZ6型地面氣象觀測站E值為99.5%，DZZ6型地面氣象觀測站相對較低的原因有可能是在該系統與主采集器通信的時刻出現了主采集器程序長時間繁忙的情況所致，需要對該型號主采集器程序運行機制開展進一步研究。該系統對于兩種型號地面氣象觀測站出現的運行狀態異常情況都能準確判識，N值均為10次。

表2 運行狀態數據獲取成功率以及人為 運行狀態異常判識測試結果

4.2 控制器功耗測量

測試指標：使用控制器瞬時功率(Pr)、控制器平均功率(Pra)、整機瞬時功率(P)、整機平均功率(Pa)以及平均續航時間(T)作為功耗測試指標。平均續航時間是指：在只有蓄電池供電的情況下測量設備從開機到因電力不足而關機的時長，反復測量5次后取平均值。

測試方法：將系統控制器接入典型的DZZ5型地面氣象觀測站，該站配有風向、風速、溫度、濕度、氣壓、地溫、降水、能見度八個觀測要素傳感器，供電采用免維護蓄電池供電(蓄電池充滿電，不接太陽能或市電供電裝置，蓄電池參數為12 V 65 AH)。用功率監測裝置分別接在控制器與地面氣象觀測站電力輸入端進行功率監測[18]，每2秒記錄一次Pr和P值，經過30分鐘的測試，共記錄900次，期間控制了15次繼電器并同時向上位機發送信息。

測試結果與分析：功率變化見圖8。試驗表明控制器瞬時功率Pr在3.6～5.7 W之間波動，計算得到控制器平均功率Pra為3.9 W，在程序觸發繼電器工作時Pr較大，在4.6～5.7 W之間。同時測量地面氣象站整機(包含控制器)瞬時功率P在64.3～75.1 W之間波動，計算得到整機平均功率Pa為69.1 W，控制器平均功率占八要素地面氣象站整機功率的5.6%。用同一塊滿電12V65AH免維護蓄電池供電情況下，將控制器接入DZZ5型地面氣象觀測站進行續航時間測試5次，平均電池續航時間T為8小時09分，在不接入控制器的情況T值為8小時34分，平均續航時間減少了4.9%。

實驗表明控制器耗電量相對較小，在蓄電池供電情況下，對8要素地面氣象觀測站工作時間影響不明顯。而2要素(溫度、雨量)氣象站和4要素氣象站(風速、風向、雨量、溫度)中由于氣象站本身功耗減小，很可能導致控制器功耗所占比例有所上升，對電池續航時間影響也更加明顯，所以在使用該系統控制器時要考慮更換容量更大的電池，否則有可能會明顯影響地面氣象觀測站續航時間。

圖8 控制器與地面氣象觀測站整機功耗對比情況

5 結束語

該系統支持對DZZ4、DZZ5、DZZ6型地面氣象觀測站和DSN3型[19]自動土壤水分站進行運行監測和遠程電源控制，指令集更新后可以支持更多型號的設備。該系統在寧夏5個八要素地面氣象觀測站使用9個月，運行期間控制器出現7次無法遠程控制站點設備的故障，經檢查發現有6次是由于繼電器控制電路與樹莓派連接端子接插不牢靠導致，用焊錫固定連接后恢復正常；有1次是由于人為維護地面氣象站時沒有及時恢復控制器供電引起。上位機軟件在試運行中修復軟件漏洞19個，完善功能點11個，目前運行穩定，軟件界面友好，操作便捷。實際應用證明，該系統可以實現對地面氣象觀測站設備實時監控，并只實現了遠程控制，維修人員不用到達現場就可以解決自動站程序死機等故障，顯著提高了維修效率，取得了良好的效益。在下一步工作中，一是開展降低控制器功耗研究并進一步縮小體積，在保證靠性的情況下，基于低功耗版本樹莓派或其他嵌入式開發平臺設計研發更低功耗、更小巧便攜的控制器；二是對DZZ6等主采集器程序運行機制開展深入研究，改進控制器運行狀態監測及供電控制程序，進一步提高系統獲取運行狀態成功率。