DUJ1 型激光云高儀無線通訊的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

劉佳明，李鏡玉，肖秀珠

（1.龍巖市氣象局，福建 龍巖 364000；2.龍巖市新羅區(qū)氣象局，福建 龍巖 364000）

云是由漂浮在高空中的微小水滴或微小冰晶組成的可見聚合體，是大氣中錯(cuò)綜復(fù)雜的物理過程的表現(xiàn)。它通過陽傘效應(yīng)和溫室效應(yīng)影響地球輻射收支變化，同時(shí)參與水循環(huán)過程改變地球上水的分布狀況[1]，直接影響氣候和水文變化。

為推動(dòng)龍巖市經(jīng)濟(jì)發(fā)展，建設(shè)立體交通，龍巖市人民政府?dāng)M在龍巖市新羅區(qū)東肖鎮(zhèn)隘頭村建設(shè)龍巖新機(jī)場。由于云是影響飛機(jī)起飛、著陸和飛行安全最重要的氣象要素之一[2]。為順利推進(jìn)機(jī)場項(xiàng)目建設(shè)，對云的探測顯得尤為重要。目前對于云的觀測，氣象部門主要以人工觀測為主，主要記錄云狀、云量、云高等基本信息，但由于人的主觀性和觀測標(biāo)準(zhǔn)不一致，導(dǎo)致數(shù)據(jù)存在較大差異，不利于分析統(tǒng)計(jì)。同時(shí)人工觀測無法實(shí)現(xiàn)長時(shí)間、高頻次觀測，尤其對偏遠(yuǎn)、野外環(huán)境下。

近年來隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，激光云高儀已廣泛應(yīng)用于云的自動(dòng)化觀測中，激光云高儀能夠全天候觀測，而且觀測頻率可到達(dá)分鐘級，大大提高了云觀測的自動(dòng)化水平。本項(xiàng)目選用了凱邁（洛陽）環(huán)測有限公司研制生產(chǎn)的DUJ1 型激光云高儀。激光云高儀布設(shè)在觀測場，通過通信線纜與臨時(shí)值班室里的上位機(jī)相連接，利用上位機(jī)安裝的ISOS 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)收集。

龍巖新機(jī)場氣象觀測場址地處山頂，同時(shí)龍巖天氣較為復(fù)雜，強(qiáng)對流天氣頻繁，而且云高儀與上位機(jī)的通信線纜較長，設(shè)備極易受到直擊雷或感應(yīng)雷的影響，導(dǎo)致數(shù)據(jù)缺測。從2019 年12 月19 日DUJ1 型激光云高儀安裝并投入使用，截至2020 年4 月17 日系統(tǒng)上位機(jī)已遭受3 次雷擊并損壞，導(dǎo)致期間數(shù)據(jù)長時(shí)間缺測，影響了數(shù)據(jù)完整性和后期機(jī)場場址氣候條件的評估工作。

為順利推進(jìn)機(jī)場項(xiàng)目評審，提高云觀測數(shù)據(jù)的完整性，需改變激光云高儀數(shù)據(jù)采集方式，將觀測數(shù)據(jù)直接進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳送并保存至市局服務(wù)器上，方便數(shù)據(jù)調(diào)取和實(shí)時(shí)分析。由于觀測場址地處山頂，周圍環(huán)境惡劣、交通極為不便，而且離通信基站較遠(yuǎn)，布設(shè)有線網(wǎng)絡(luò)成本較高，場址具有穩(wěn)定的運(yùn)營商服務(wù)信號，因此考慮使用無線通信進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)也避免雷擊損壞上位機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)。

1 無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的組成

利用通信運(yùn)營商提供的無線數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸。其系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖1 所示。DUJ1 型云高儀能夠測量云底高度、穿透厚度及云量，云高測量范圍30～10 000m，可測3 層云層，數(shù)據(jù)輸出間隔為1 min[3]。激光云高儀與安裝有SIM 卡(電話卡) 的無線通信模塊通過RS232 協(xié)議進(jìn)行相連，通過GPRS/CDMA 數(shù)據(jù)傳輸至市局公網(wǎng)地址，通過防火墻進(jìn)入市局局域網(wǎng)至服務(wù)器。無線通信模塊使用了深圳宏電技術(shù)股份有限公司生成的H7118 小型無線數(shù)據(jù)終端。其采用高性能工業(yè)級設(shè)計(jì)，溫度適應(yīng)能力超強(qiáng)，體積最小，功耗低，支持TCP/UDP 協(xié)議，支持?jǐn)?shù)據(jù)透明傳輸，穩(wěn)定性好，適用于野外惡劣的環(huán)境[4]。

H7118 小型無線數(shù)據(jù)終端，串行數(shù)據(jù)口支持RS-232/RS-485/RS-422/TTL 等方式，而且通信方式不一致，其接口管腳的功能定義不相同[5]。由于DUJ1 激光云高儀原先與上位機(jī)采用了RS232 的通信方式，為方便項(xiàng)目實(shí)施，亦采用RS232 方式與無線數(shù)據(jù)終端通信，因此項(xiàng)目中選用了H7118C 型無線數(shù)據(jù)終端。

2 H7118C 模塊通信設(shè)置

將H7118C 模塊通過串口與電腦進(jìn)行連接，打開DTU 工具盒，連接成功后，點(diǎn)擊“更多＞管理員登錄”，輸入管理員登錄密碼，默認(rèn)登錄密碼為“admin”，在“運(yùn)行”模塊啟用“調(diào)試信息”改為“INFO”，配置DTU 身份識別碼“13903791001”，身份識別碼為自定義11 位數(shù)字，以便與數(shù)據(jù)接收端進(jìn)行身份認(rèn)證；設(shè)置DSC 的IP 地址為“211.211.211.189”，即遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)接收端公網(wǎng)IP 地址；設(shè)置DSC 的端口1 為“7580”，其配置信息如表1 所示。

表1 H7118C 終端配置信息Tab.1 The H7118C terminal configuration information

RTU 的最大數(shù)據(jù)包設(shè)置為“1024”，即傳輸文件的大小限制為1KB 以內(nèi)，當(dāng)數(shù)據(jù)文件大小超過1KB，H7118C 模塊自動(dòng)將文件分割為多個(gè)不超過1KB 的文件大小進(jìn)行傳輸。信息配置結(jié)束后，點(diǎn)擊“設(shè)置參數(shù)”，完成配置信息的保存，同時(shí)為避免正常通訊時(shí)與云高儀通信中產(chǎn)生數(shù)據(jù)冗余信息，需要將"調(diào)試信息"狀態(tài)更改為“OFF”狀態(tài)。

3 數(shù)據(jù)終端接收軟件

主界面包括站點(diǎn)名稱、站點(diǎn)編號、數(shù)據(jù)時(shí)間，一層至三層，每層云高值及每層的積分云量值，通訊配置、站點(diǎn)配置、手動(dòng)對時(shí)、補(bǔ)測管理、歷史數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)曲線。

站點(diǎn)名稱是顯示接收軟件能夠發(fā)起通信的站點(diǎn)名單；站點(diǎn)DTU 是接收軟件標(biāo)識站點(diǎn)號的唯一標(biāo)志；通訊狀態(tài)是顯示站點(diǎn)與接收軟件的通信情況，如通訊正常，顯示綠色，如通訊中斷或異常，顯示紅色狀態(tài)。數(shù)據(jù)時(shí)間顯示最新數(shù)據(jù)的時(shí)間，一至三層云高和積分云量，分別顯示了最新數(shù)據(jù)各層云高值和對應(yīng)過去30 min 的積分云量值。

點(diǎn)擊菜單“通訊配置”按鈕可打開接收軟件通訊配置，在該界面上可以選擇站點(diǎn)通訊方式選擇，包括“無線通信”與“串口通信”的選擇以及端口的設(shè)置?！罢军c(diǎn)配置”界面可以查看和添加站點(diǎn)名稱、設(shè)備類型、站號、通訊端口和通訊波特率、校驗(yàn)位以及站點(diǎn)的經(jīng)緯度和海拔。

點(diǎn)擊“手動(dòng)對時(shí)”按鈕后，以服務(wù)器時(shí)間為標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)遠(yuǎn)程云高儀系統(tǒng)時(shí)間，以保證數(shù)據(jù)時(shí)間的準(zhǔn)確。“補(bǔ)測管理”界面可以手動(dòng)補(bǔ)測選定時(shí)間（離當(dāng)前時(shí)間不超過30 d）未收集到云高儀數(shù)據(jù)。“歷史數(shù)據(jù)”界面提供了整點(diǎn)或分鐘歷史數(shù)據(jù)的查詢與導(dǎo)出功能。“數(shù)據(jù)曲線”繪制了各層云高數(shù)據(jù)變化規(guī)律。

4 系統(tǒng)運(yùn)行情況

2020 年5 月28 日正式完成數(shù)據(jù)無線通信，截至6 月28日，1 個(gè)月時(shí)間里強(qiáng)雷電天氣過程導(dǎo)致云高儀市電跳閘3 次，值班員操作失誤關(guān)閉服務(wù)器接收軟件1 次，總影響時(shí)間457 min 數(shù)據(jù)，其余時(shí)間段數(shù)據(jù)均正常到報(bào)，數(shù)據(jù)到報(bào)率約為98.95%。前期現(xiàn)場有線傳輸在強(qiáng)對流天氣過程關(guān)閉計(jì)算機(jī)或雷擊導(dǎo)致計(jì)算機(jī)損壞，導(dǎo)致數(shù)據(jù)收報(bào)率較低，其收報(bào)率約為56%，無線數(shù)據(jù)傳輸提高了數(shù)據(jù)的收報(bào)率和完整性。數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延不超1min，實(shí)收報(bào)文數(shù)據(jù)均在觀測時(shí)間的下1min 內(nèi)接收，傳輸及時(shí)率高。