基于北斗衛(wèi)星的自動氣象站數(shù)據(jù)傳輸管理系統(tǒng)*

張 勇，陳蘇婷，張 燕

（南京信息工程大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，江蘇 南京210044）

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國自主研發(fā)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)[1]，廣泛應(yīng)用于交通、海洋、氣象、水利和測繪等領(lǐng)域[2]?；诒倍沸l(wèi)星短報文通信功能的自動氣象站數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)[3]具有無覆蓋盲區(qū)、全天候?qū)崟r通信、數(shù)據(jù)傳輸成本低、可靠性和安全性高的特點，解決了偏遠(yuǎn)地區(qū)布設(shè)自動氣象站數(shù)據(jù)傳輸困難的問題[4]。同時，北斗系統(tǒng)的授時和定位功能保證了自動氣象站精確位置信息和氣象數(shù)據(jù)時間的準(zhǔn)確度[5]。

基于北斗衛(wèi)星的自動氣象站數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)在福建和新疆等省份已初步推廣應(yīng)用[6]，但由于氣象數(shù)據(jù)長度遠(yuǎn)大于北斗短報文通信單次通信數(shù)據(jù)量[7-8]，因此需分包發(fā)送。例如，CDT-441H型北斗用戶機IC卡3級通信等級時單次最大通信量為78.5 B，發(fā)送數(shù)據(jù)協(xié)議長度為230 B的CAMS620-HM自動氣象站數(shù)據(jù)時，要將數(shù)據(jù)分3包發(fā)送，而短報文通信服務(wù)頻度為1 min，所以最小發(fā)送周期為4 min?？梢?，現(xiàn)有數(shù)據(jù)發(fā)送的方式不僅使發(fā)送頻度減小，且使氣象數(shù)據(jù)傳輸成功率和系統(tǒng)設(shè)備利用效率大大降低。此外，自動氣象站多布設(shè)在偏遠(yuǎn)地區(qū)，對其的監(jiān)測、維護(hù)和管理比較困難。

針對上述問題，設(shè)計了基于北斗的自動氣象站數(shù)據(jù)傳輸管理系統(tǒng)，旨在運用數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)、北斗短報文通信技術(shù)和自動檢測控制技術(shù)，解決北斗短報文單次通信限制氣象數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾y題，提高對自動氣象站監(jiān)測、維護(hù)和管理的能力。

1 系統(tǒng)設(shè)計方案

基于北斗的自動氣象站數(shù)據(jù)傳輸管理系統(tǒng)由FPGA處理器模塊、北斗模塊和外圍檢測控制模塊組成。FPGA處理器模塊通過I/O口與外圍檢測控制模塊連接，通過雙通信串口分別與自動氣象站和北斗模塊對接，構(gòu)成集氣象數(shù)據(jù)采集、壓縮處理、傳輸和遠(yuǎn)程管理于一體的自動氣象站數(shù)據(jù)傳輸管理系統(tǒng)。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 北斗氣象站數(shù)據(jù)傳輸管理系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)包括3個功能模塊：氣象數(shù)據(jù)傳輸模塊、遠(yuǎn)程管理模塊和系統(tǒng)檢測控制模塊。氣象數(shù)據(jù)傳輸模塊接收、處理和發(fā)送氣象數(shù)據(jù)；遠(yuǎn)程管理模塊接收、識別和響應(yīng)基于北斗短報文的遠(yuǎn)程管理指令；系統(tǒng)檢測控制模塊用于系統(tǒng)調(diào)試、自動檢測和控制。

2 氣象數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)計

2.1 數(shù)據(jù)傳輸模塊工作流程

氣象數(shù)據(jù)傳輸模塊用于接收、處理和發(fā)送氣象數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 氣象數(shù)據(jù)傳輸框圖

氣象數(shù)據(jù)傳輸步驟為：(1)向自動氣象站發(fā)送氣象數(shù)據(jù)獲取指令。指令的最大發(fā)送頻度小于北斗導(dǎo)航模塊的短報文通信頻度，指令格式按照自動氣象站的數(shù)據(jù)協(xié)議編寫。(2)接收并識別自動氣象站反饋的數(shù)據(jù)。根據(jù)自動氣象站數(shù)據(jù)協(xié)議的起始位0x01和結(jié)束位0x0a判定數(shù)據(jù)的起始、結(jié)束和數(shù)據(jù)的長度，根據(jù)第2位0x55和第3位0x42識別數(shù)據(jù)類型。(3)處理接收到的一幀氣象數(shù)據(jù)，包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)壓縮和數(shù)據(jù)編碼。(4)通過北斗模塊以短報文方式將編碼數(shù)據(jù)發(fā)送到氣象中心。

2.2 氣象數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理是本系統(tǒng)的核心，系統(tǒng)根據(jù)氣象數(shù)據(jù)的特點，采用預(yù)編碼LZW編碼和靜態(tài)Huffman編碼壓縮氣象數(shù)據(jù)。氣象數(shù)據(jù)字符出現(xiàn)頻率的高冗余度使利用字符出現(xiàn)頻率冗余度壓縮數(shù)據(jù)的LZW編碼和Huffman編碼能夠保證氣象數(shù)據(jù)壓縮的效率，且均為無損壓縮，保證了壓縮后氣象數(shù)據(jù)的信息量不會減少。系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理流程如圖3所示。

圖3 氣象數(shù)據(jù)處理流程圖

首先，對識別后的數(shù)據(jù)預(yù)處理，整理氣象數(shù)據(jù)的標(biāo)志位等輔助信息并調(diào)整數(shù)據(jù)格式。例如，去掉氣象數(shù)據(jù)正文開始位、結(jié)束位等標(biāo)志位。其次，運用LZW編碼壓縮數(shù)據(jù)的字符串，通過步進(jìn)查詢法判定輸入的字符串是否與編碼表預(yù)設(shè)的字符串一致，若一致則用預(yù)設(shè)的字符替代該字符串。然后，根據(jù)預(yù)設(shè)的靜態(tài)Huffman編碼對數(shù)據(jù)的字符變長編碼。最后，整理數(shù)據(jù)并根據(jù)北斗短報文通信協(xié)議編碼數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)通過數(shù)學(xué)統(tǒng)計方法統(tǒng)計氣象數(shù)據(jù)特點預(yù)設(shè)LZW編碼表和靜態(tài)Huffman編碼表壓縮氣象數(shù)據(jù)，不傳輸LZW動態(tài)編碼表和Huffman樹的信息，降低了編解碼的復(fù)雜度，提高了編解碼速度。

3 遠(yuǎn)程管理模塊設(shè)計

3.1 模塊結(jié)構(gòu)及工作流程

遠(yuǎn)程管理模塊接收并響應(yīng)氣象中心基于短報文形式的遠(yuǎn)程管理指令，完成對數(shù)據(jù)傳輸管理系統(tǒng)、自動氣象站系統(tǒng)和外圍模塊的遠(yuǎn)程管理。具體包括：獲取小時和分鐘氣象數(shù)據(jù)、系統(tǒng)電源管理、位置定位、北斗模塊初始化、通信端口設(shè)置、系統(tǒng)校時、氣象數(shù)據(jù)發(fā)送頻度設(shè)置和氣象中心ID設(shè)置等。遠(yuǎn)程管理結(jié)構(gòu)如圖4所示。

氣象中心遠(yuǎn)程管理流程如下：

(1)接收遠(yuǎn)程管理指令。通過北斗模塊接收氣象中心北斗短報文形式發(fā)來的管理指令。

圖4 遠(yuǎn)程管理結(jié)構(gòu)框圖

(2)指令識別。通過查詢法根據(jù)預(yù)設(shè)的指令碼表判定指令的具體內(nèi)容。

(3)指令響應(yīng)。根據(jù)指令的具體內(nèi)容發(fā)送相應(yīng)控制指令。

(4)接收反饋信息。接收指令執(zhí)行后的反饋信息并將其發(fā)送到氣象中心。

3.2 遠(yuǎn)程管理指令設(shè)計

本系統(tǒng)遠(yuǎn)程管理指令采用指令內(nèi)容首字母加標(biāo)志位的格式，使指令具有很強的可識別性。例如，當(dāng)系統(tǒng)漏發(fā)小時氣象數(shù)據(jù)時，氣象中心可以短報文形式發(fā)送指令XSSJ#，當(dāng)系統(tǒng)收到指令后遠(yuǎn)程管理模塊向自動氣象站發(fā)送獲取小時氣象數(shù)據(jù)指令UC ，自動氣象站收到指令后反饋小時氣象數(shù)據(jù)，系統(tǒng)接收到氣象數(shù)據(jù)后調(diào)用數(shù)據(jù)傳輸模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到氣象中心。

現(xiàn)有基于北斗衛(wèi)星的自動氣象站系統(tǒng)缺乏遠(yuǎn)程管理功能，而本系統(tǒng)遠(yuǎn)程管理模塊不僅能使氣象中心實現(xiàn)對自動氣象站系統(tǒng)的遠(yuǎn)程管理，而且管理功能豐富。

4 系統(tǒng)檢測控制模塊設(shè)計

本模塊用于系統(tǒng)檢測、控制和調(diào)試。一方面，本模塊自動檢測主板溫度和電源電壓等狀態(tài)，實現(xiàn)控制電源通斷、電池組切換、遠(yuǎn)程信息報警等功能。例如，當(dāng)檢測到系統(tǒng)存在異常時，模塊自動完成控制功能并發(fā)送報警信息到氣象中心；另一方面，在系統(tǒng)安裝調(diào)試時配置系統(tǒng)初始參數(shù)，如通信端口波特率、氣象數(shù)據(jù)發(fā)送頻度、系統(tǒng)時間、報警閾值、氣象中心ID等參數(shù)。系統(tǒng)檢測控制模塊的功能如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)檢測控制模塊功能框圖

本模塊和遠(yuǎn)程管理模塊共同完成對自動氣象站的管理，模塊的自動管理權(quán)限優(yōu)先級小于氣象中心遠(yuǎn)程管理指令，本模塊的設(shè)計減少了人工管理的工作量，出現(xiàn)異常問題時能及時自動響應(yīng)，保護(hù)系統(tǒng)設(shè)備。

表1 系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析表

5 系統(tǒng)驗證

為驗證系統(tǒng)LZW字符串編碼與Huffman字符編碼相結(jié)合對氣象數(shù)據(jù)的壓縮能力和系統(tǒng)的傳輸性能，分別設(shè)置了 2 min、5 min、10 min、20 min 4 種數(shù)據(jù)發(fā)送頻度對系統(tǒng)進(jìn)行驗證測試，分別統(tǒng)計分析每種發(fā)送頻度下的連續(xù)200幀氣象數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析如表1所示。

由統(tǒng)計分析結(jié)果可見，氣象數(shù)據(jù)的平均壓縮率最小為64.98%，原本需分3次發(fā)送的氣象數(shù)據(jù)現(xiàn)在一次即可發(fā)送完畢，發(fā)送效率提高了3倍，數(shù)據(jù)傳輸成功率均為100%。可見，本系統(tǒng)數(shù)據(jù)壓縮率高，且具備遠(yuǎn)程管理功能，解決了北斗導(dǎo)航短報文單次通信數(shù)據(jù)量限制氣象數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴}，提高了氣象數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎统晒β剩档土俗詣託庀笳鞠到y(tǒng)的監(jiān)測和管理的難度。

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