縣級(jí)區(qū)域雨量站觀測(cè)設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

崔炳儉　崔燦　董衛(wèi)紅

【摘 要】目前縣級(jí)的區(qū)域自動(dòng)站氣象裝備運(yùn)行狀態(tài)、數(shù)據(jù)缺乏有效提取與監(jiān)控，無法掌握裝備的實(shí)時(shí)狀態(tài)，不利于縣局及時(shí)解決出現(xiàn)的故障以及排除可能出現(xiàn)的故障隱患，各個(gè)區(qū)域自動(dòng)雨量站觀測(cè)探測(cè)設(shè)備疏散分部，數(shù)據(jù)上傳到省級(jí)，沒有形成省市縣一體化觀探測(cè)網(wǎng)絡(luò)，影響了整個(gè)基層氣象保障工作的效率，采用縣局區(qū)域雨量監(jiān)控系統(tǒng)可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和控制，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、資料應(yīng)用、設(shè)備控制、測(cè)量參數(shù)調(diào)節(jié)以及各類報(bào)警等各項(xiàng)功能。

【關(guān)鍵詞】縣級(jí)；雨量站；觀測(cè)設(shè)備；監(jiān)控系統(tǒng)；研究設(shè)計(jì)

0 引言

目前縣局的區(qū)域自動(dòng)站氣象裝備運(yùn)行狀態(tài)、數(shù)據(jù)缺乏有效提取與監(jiān)控，無法掌握裝備的實(shí)時(shí)狀態(tài)，不利于縣局及時(shí)解決出現(xiàn)的故障以及排除可能出現(xiàn)的故障隱患，各個(gè)區(qū)域自動(dòng)雨量站觀測(cè)探測(cè)設(shè)備疏散分部，數(shù)據(jù)上傳到省級(jí)，沒有形成省市縣一體化觀探測(cè)網(wǎng)絡(luò)，影響了整個(gè)基層臺(tái)站氣象保障工作的效率，觀測(cè)數(shù)據(jù)與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)中需要的格式不統(tǒng)一，影響了數(shù)據(jù)的有效傳送。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

縣級(jí)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)將探測(cè)終端、臺(tái)站服務(wù)器、監(jiān)控系統(tǒng)連接在一起，組成觀探測(cè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崿F(xiàn)所有觀探測(cè)設(shè)備狀態(tài)的實(shí)時(shí)采集，完成歷史和實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)和觀探測(cè)數(shù)據(jù)的有效匯集、存儲(chǔ)，并且能夠在縣站端對(duì)所有設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和觀探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的監(jiān)控，提高了保障的效率和安全性。系統(tǒng)主要具有以下五個(gè)功能：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)上傳、數(shù)據(jù)分析、實(shí)時(shí)監(jiān)控、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。

從物理結(jié)構(gòu)上，系統(tǒng)可劃分為觀探測(cè)采集終端、站級(jí)服務(wù)器、監(jiān)控終端。

從軟件結(jié)構(gòu)上可劃分為數(shù)據(jù)采集模塊、通信模塊、終端監(jiān)控模塊，數(shù)據(jù)庫模塊。數(shù)據(jù)采集模塊對(duì)設(shè)備狀態(tài)和觀探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，數(shù)據(jù)通過處理后，轉(zhuǎn)換為適合網(wǎng)絡(luò)傳輸和計(jì)算機(jī)處理的格式。通信模塊將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密并匯集到通信服務(wù)器，數(shù)據(jù)經(jīng)過解密、分析、處理后存儲(chǔ)到臺(tái)站數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。臺(tái)站終端監(jiān)控模塊通過對(duì)數(shù)據(jù)庫資料的訪問，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控和歷史資料的顯示。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊的實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)模塊是系統(tǒng)的基礎(chǔ)模塊，完成數(shù)據(jù)的采集工作。數(shù)據(jù)采集模塊分為兩個(gè)部分實(shí)現(xiàn)，氣象要素探測(cè)數(shù)據(jù)的采集和設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)的采集。

觀測(cè)數(shù)據(jù)的采集：自動(dòng)氣象站探測(cè)設(shè)備對(duì)氣象要素進(jìn)行探測(cè)，獲得氣象數(shù)據(jù)，將氣象數(shù)據(jù)以產(chǎn)品的形式保存在探測(cè)終端的計(jì)算機(jī)內(nèi)，產(chǎn)品采集文件的形式進(jìn)行保存，數(shù)據(jù)采集模塊將自動(dòng)氣象站產(chǎn)品專有的文件格式轉(zhuǎn)換為文本格式，保存在指定的路徑，并且為通信模塊提供接口，便于文件的讀取和傳輸。

自動(dòng)氣象站設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)的采集：每個(gè)自動(dòng)氣象站探測(cè)設(shè)備都有自身的控制和操作系統(tǒng)，但是對(duì)外缺乏提供信息的接口，無法獲取狀態(tài)參數(shù)信息，數(shù)據(jù)采集模塊在不同型號(hào)設(shè)備原有的控制軟件系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，開發(fā)設(shè)備控制系統(tǒng)中的軟件接口，將實(shí)時(shí)的狀態(tài)參數(shù)信息導(dǎo)處，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為文本形式，保存在探測(cè)終端計(jì)算機(jī)上，對(duì)通信模塊提供接口，便于上傳信息。

2.2 通訊模塊的實(shí)現(xiàn)

通訊模塊是基于臺(tái)站探測(cè)的軟件，主要是將設(shè)備終端的數(shù)據(jù)匯集到臺(tái)站，并交付給數(shù)據(jù)模塊。它包括設(shè)備終端數(shù)據(jù)的讀取、數(shù)據(jù)的編碼與解析、數(shù)據(jù)上傳與下載、數(shù)據(jù)同步、數(shù)據(jù)加密與解密、數(shù)據(jù)壓縮與解壓縮、通信安全以及網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視等功能。

實(shí)現(xiàn)上述功能，首先應(yīng)該對(duì)分離的各個(gè)探測(cè)設(shè)備進(jìn)行組網(wǎng)，觀測(cè)設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)采集用無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和有線網(wǎng)絡(luò)對(duì)設(shè)備進(jìn)行連接，網(wǎng)絡(luò)的邏輯結(jié)構(gòu)采用星型結(jié)構(gòu)，以臺(tái)站服務(wù)器為中心，各個(gè)觀測(cè)設(shè)備為節(jié)點(diǎn)，組成觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)，和不同設(shè)備相連接的無線網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備通信頻道的設(shè)置應(yīng)該按照系統(tǒng)的規(guī)定和要求，避免影響通信質(zhì)量。觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)連接方式如圖2。

通信模塊包括臺(tái)站端通信程序和探測(cè)設(shè)備端通信程序。通訊模塊采用TCP/IP軟件基于 windowssocket規(guī)范開發(fā)。探測(cè)設(shè)備端口通信程序以一分鐘為間隔，實(shí)時(shí)對(duì)探測(cè)設(shè)備狀態(tài)參數(shù)日子文件進(jìn)行掃描讀取，并且保存文件指針，便于后續(xù)讀取，數(shù)據(jù)讀取后進(jìn)行加密，然后啟動(dòng)臺(tái)站端口通信socket與服務(wù)器連接，等待響應(yīng)，服務(wù)器響應(yīng)請(qǐng)求，建立連接，加密后傳輸數(shù)據(jù)，若發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)出錯(cuò)，則寫告警日志，通信程序支持?jǐn)?shù)據(jù)續(xù)傳功能，在網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時(shí)保證數(shù)據(jù)的無差錯(cuò)傳輸。

臺(tái)站端通信程序采用多線程機(jī)制，并且為每個(gè)設(shè)備終端通信程序分配端口地址，通過各個(gè)線程的進(jìn)行，掃描對(duì)應(yīng)各個(gè)設(shè)備端的通信端口，在掃描的過程中，程序監(jiān)聽判斷是否有連接請(qǐng)求的到來，如果沒有，則繼續(xù)對(duì)下一個(gè)設(shè)備端口掃描，當(dāng)發(fā)現(xiàn)某個(gè)設(shè)備的通信端口有連接請(qǐng)求到來時(shí)，則相應(yīng)連接，建立會(huì)話socket，讀取來自終端的數(shù)據(jù)，臺(tái)站端通信程序在接收到設(shè)備端傳來的數(shù)據(jù)時(shí)，解密后交付數(shù)據(jù)庫模塊進(jìn)行處理。

2.3 數(shù)據(jù)庫模塊

數(shù)據(jù)庫模塊將匯集到臺(tái)站的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后利用數(shù)據(jù)庫技術(shù)對(duì)探測(cè)設(shè)備的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存、查詢和輸出，為氣象保障提供監(jiān)控和決策支持信息，數(shù)據(jù)庫的建立主要按照所需信息的不同類別進(jìn)行區(qū)分儲(chǔ)存，分為設(shè)備狀態(tài)信息數(shù)據(jù)庫（實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)參數(shù)和歷史參數(shù)，包括三大設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)；故障歷史數(shù)據(jù)庫，包括故障設(shè)備編號(hào)，故障分類，故障日期，故障值；探測(cè)數(shù)據(jù)共享數(shù)據(jù)庫，包括各類探測(cè)設(shè)備探測(cè)所得的歷史和實(shí)時(shí)氣象要素?cái)?shù)據(jù)）。

2.4 臺(tái)站終端監(jiān)控模塊

臺(tái)站終端監(jiān)控模塊提供即時(shí)完整的動(dòng)態(tài)監(jiān)控功能。按照觀測(cè)設(shè)備分類類別，進(jìn)行時(shí)間區(qū)段等要素訪問數(shù)據(jù)庫，對(duì)被監(jiān)控的設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行查詢，統(tǒng)計(jì)通過列表，圖形文字聲音圖標(biāo)等方式顯示監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，反眏實(shí)時(shí)趨勢(shì)顯示及事件報(bào)警，通過屏幕畫面圖表及報(bào)表的配合使用，從整體和細(xì)節(jié)兩個(gè)方面對(duì)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，使整個(gè)監(jiān)控狀態(tài)可以以地圖形式顯示在屏幕上。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 無線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)

無線局域網(wǎng)使用于疏散分布在不同地點(diǎn)的探測(cè)設(shè)備的組網(wǎng)，無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，將WLAN的傳輸速率由目前的54mbps提高到500mdbps同時(shí)，利用MIMO（多入多出）與OFDM（正交頻分復(fù)用）技術(shù)，不僅使用傳輸速率得到極大提升，并且提高了傳輸質(zhì)量，多種設(shè)備的探測(cè)數(shù)據(jù)和設(shè)備自身的狀態(tài)參數(shù)數(shù)據(jù)龐大，為保證數(shù)據(jù)的高效傳輸，并且確保通信質(zhì)量，所以使用無線局域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

網(wǎng)絡(luò)通信的協(xié)議采用TCP/IP協(xié)議，TCP/IP協(xié)議是物理網(wǎng)上的一組完整的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，Socket就是應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)TCP/IP的一種編程界面，在網(wǎng)絡(luò)中每一個(gè)Socket用一個(gè)三元組描述：協(xié)議、本地地址、本地端口、遠(yuǎn)程地址、遠(yuǎn)程端口。每個(gè)Socket都有一個(gè)本地唯一的Socket號(hào)，有操作系統(tǒng)分配。

考慮到氣象網(wǎng)絡(luò)通信要求高可靠性，所以本系統(tǒng)采用面向連接的方式，Socket接口提供了一種可靠的面向連接的服務(wù)，實(shí)現(xiàn)無差錯(cuò)無重復(fù)的順序數(shù)據(jù)傳輸，它通過內(nèi)置的流量控制解決了數(shù)據(jù)的擁塞，將數(shù)據(jù)當(dāng)作字節(jié)流，應(yīng)用程序可以發(fā)送任意長的數(shù)據(jù)這符合系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的要求。

4 結(jié)語

實(shí)現(xiàn)了縣級(jí)氣象探測(cè)設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控和各類觀測(cè)數(shù)據(jù)的匯集，利用無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，數(shù)字化通信技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)了縣級(jí)氣象站觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)的一體化，實(shí)現(xiàn)了裝備實(shí)時(shí)狀態(tài)參數(shù)的有效提取，為氣象裝備運(yùn)行管理提供了有效的監(jiān)控手段，提高了氣象裝備管理的效率，由此實(shí)現(xiàn)了氣象裝備保障的體系化，對(duì)歷史和實(shí)時(shí)的氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行了匯集和儲(chǔ)存，為氣象保障工作提供更多可靠的決策信息。

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[責(zé)任編輯：王偉平]