基于物聯(lián)網(wǎng)的分布式自動(dòng)氣象站現(xiàn)場(chǎng)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(cè)行業(yè)朝著信息化、網(wǎng)絡(luò)化的趨勢(shì)發(fā)展。信息技術(shù)的更新迭代，必然推動(dòng)自動(dòng)氣象站現(xiàn)場(chǎng)核查的建設(shè)和發(fā)展，其不僅具有極高的研究?jī)r(jià)值，同時(shí)也具備較高的應(yīng)用價(jià)值。在自動(dòng)氣象站的建設(shè)及發(fā)展過(guò)程中，需要借助技術(shù)手段不斷地進(jìn)行創(chuàng)新和改良，積極地通過(guò)技術(shù)革新來(lái)改進(jìn)自動(dòng)氣象站現(xiàn)場(chǎng)核查的運(yùn)作流程。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是一項(xiàng)涉及領(lǐng)域多、應(yīng)用范圍廣的信息技術(shù)，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，萬(wàn)事萬(wàn)物將不僅具有物理屬性，同時(shí)也具備信息屬性?；ヂ?lián)網(wǎng)與顯示物品可以無(wú)縫銜接，是自動(dòng)氣象站現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)氣象站現(xiàn)場(chǎng)核查系統(tǒng)需求分析

目前，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)隨著時(shí)代的發(fā)展已經(jīng)廣泛應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域。而中國(guó)新型自動(dòng)氣象站緊跟時(shí)代發(fā)展以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，采取分布式自動(dòng)氣象站現(xiàn)場(chǎng)核查技術(shù)，確?；谖锫?lián)網(wǎng)分布式自動(dòng)氣象站現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)氣象站計(jì)量檢定業(yè)務(wù)存在的問(wèn)題，比如新型自動(dòng)氣象站現(xiàn)場(chǎng)核查技術(shù)是否核查準(zhǔn)確等。而基于物聯(lián)網(wǎng)的分布式自動(dòng)氣象站現(xiàn)場(chǎng)核查技術(shù)的主要特征是對(duì)新型氣象站的主采集器、風(fēng)向、風(fēng)速、氣壓、雨量傳感器等進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，與此同時(shí)，利用新型自動(dòng)氣象站現(xiàn)場(chǎng)核查技術(shù)也能大大提高多個(gè)通道以及設(shè)備之間同時(shí)進(jìn)行核查的能力。此外，利用新型自動(dòng)氣象站現(xiàn)場(chǎng)核查技術(shù)還能夠?qū)Ω魍ǖ纻鞲衅鬟M(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并且不定時(shí)地對(duì)各通道傳感器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，保證基于物聯(lián)網(wǎng)的分布式自動(dòng)氣象站現(xiàn)場(chǎng)核查系統(tǒng)得到準(zhǔn)確的需求分析[1]。

2 自動(dòng)氣象站現(xiàn)場(chǎng)核查裝置的設(shè)計(jì)

2.1 物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

在新型自動(dòng)氣象站中采取基于互聯(lián)網(wǎng)的分布式自動(dòng)氣象站現(xiàn)場(chǎng)核查技術(shù)，就必須要做好新型自動(dòng)氣象站現(xiàn)場(chǎng)核查裝置的設(shè)計(jì)。而自動(dòng)氣象站現(xiàn)場(chǎng)核查裝置的設(shè)計(jì)離不開(kāi)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)設(shè)計(jì)的支撐。想要完全地發(fā)揮出現(xiàn)場(chǎng)對(duì)采集器、傳感器同時(shí)進(jìn)行核查的作用，新型自動(dòng)氣象站核查系統(tǒng)的設(shè)計(jì)就必須要采取多個(gè)核查分機(jī)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(lái)，才能實(shí)現(xiàn)主核查機(jī)與各個(gè)核查分機(jī)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(chǎng)工作人員操作時(shí)必須每人都配置一臺(tái)核查系統(tǒng)的手持終端，在新型自動(dòng)站采取物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)的分布式自動(dòng)氣象站現(xiàn)場(chǎng)核查技術(shù)的同時(shí)，要對(duì)所有的核查數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范化管理，以此來(lái)提高各個(gè)核查機(jī)的工作效率，進(jìn)而提高智能化水平。此外，核查系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須要具備對(duì)各傳感器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的能力，并且無(wú)論是主核查機(jī)，還是各核查分機(jī)，都必須能夠擁有單獨(dú)測(cè)試傳感器的機(jī)會(huì)，擁有獨(dú)立離線運(yùn)行的能力，只有這樣，才能更好地將主核查機(jī)以及各個(gè)核查分機(jī)利用到現(xiàn)場(chǎng)故障診斷的情況中。

核查系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須要擁有4個(gè)功能組件，其包括1個(gè)核查主機(jī)、2個(gè)核查分機(jī)及手持終端。此外，對(duì)核查系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的主要目的是將核查系統(tǒng)應(yīng)用到氣象觀測(cè)場(chǎng)，各個(gè)組件之間再利用無(wú)線網(wǎng)進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰電池的供電，從無(wú)線連接方式中可以看出，對(duì)各組件的傳輸速率要求不高。因此，核查主機(jī)和手持終端可以選用4G 網(wǎng)絡(luò)作為遠(yuǎn)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(xì)信息如下。

傳感器系統(tǒng)：以現(xiàn)場(chǎng)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(wú)線節(jié)點(diǎn)盒。傳感器采用的是標(biāo)準(zhǔn)傳感器，是由中國(guó)氣象局設(shè)計(jì)定型的智能測(cè)量?jī)x，具有溫濕度測(cè)量、氣壓測(cè)量的功能。除此之外，還有二維超聲風(fēng)傳感器以及雨量標(biāo)準(zhǔn)器。傳感器系統(tǒng)能夠?qū)τ^測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)化采集、自動(dòng)化分析、質(zhì)量控制及存儲(chǔ)和傳輸，完全能夠適應(yīng)自動(dòng)采集模式。通訊模式及處理模式能夠?qū)υO(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)化檢測(cè)，并進(jìn)行質(zhì)量控制、計(jì)量檢定及信息報(bào)警[2]，可以自動(dòng)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(jìn)行自動(dòng)化故障定位，便于技術(shù)人員及時(shí)對(duì)故障問(wèn)題進(jìn)行控制。在數(shù)據(jù)上采用標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行拓展連接Zigbee，北斗衛(wèi)星等通信模塊可以進(jìn)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(diǎn)，因此，其選用具有較高性能的嵌入式處理器，同時(shí)采用高精度的模擬量采集器電路和時(shí)鐘電路。系統(tǒng)內(nèi)部?jī)?nèi)嵌藍(lán)牙通信模塊和Zigbee 模塊，增加藍(lán)牙通信和Zigbee 無(wú)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(dòng)化采集系統(tǒng)采集效率及準(zhǔn)確程度低等諸多弊端。同時(shí)，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(gè)系統(tǒng)運(yùn)行效率和運(yùn)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(diǎn)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(jìn)行供電。無(wú)線智能節(jié)點(diǎn)和電源系統(tǒng)則由電池和無(wú)線充電板組成，為節(jié)點(diǎn)和本身以及傳感器進(jìn)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(chǔ)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(yuǎn)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(jìn)行自動(dòng)站現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的收集、比對(duì)、分析及原始數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和核查報(bào)表的自動(dòng)化生成。遠(yuǎn)端中心站軟件的主要功能就是進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)核查數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)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(jì)

在新型自動(dòng)氣象站采取基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的分布式自動(dòng)氣象站現(xiàn)場(chǎng)核查技術(shù)時(shí)，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(wèn)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(gè)核查單元是否擁有獨(dú)立離線運(yùn)行的能力，必須要對(duì)核查系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及功能進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。相關(guān)操作人員可以在每個(gè)核查單元內(nèi)置鋰電池供電、觸摸屏、信號(hào)源輸出端口等。保證核查系統(tǒng)的各個(gè)核查單元以及連接線都能完整地放置在一個(gè)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(jī)、核查分機(jī)、手持終端以及遠(yuǎn)程服務(wù)器這些組件。

核查主機(jī)：在本系統(tǒng)中，核查主機(jī)的主要功能包括對(duì)氣壓、雨量、風(fēng)速、風(fēng)向傳感器的信號(hào)源功能及性能進(jìn)行測(cè)試，即對(duì)氣壓、雨量、風(fēng)速、風(fēng)向傳感器所檢測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和匯總，并在特定的顯示器上進(jìn)行展示。

核查分機(jī)：核查分機(jī)的主要功能為對(duì)濕度、溫度、地溫傳感器的信號(hào)源功能及性能進(jìn)行測(cè)試，也就是對(duì)大氣溫度、濕度、地溫進(jìn)行檢測(cè)并將觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)展示。

手持終端：手持終端是技術(shù)人員對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)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(shí)別站點(diǎn)按照預(yù)定配置的核查要求通過(guò)Zigbee 通信模塊控制各個(gè)核查主機(jī)和核查分機(jī)。并將整個(gè)核查過(guò)程進(jìn)行展示，在核查結(jié)束后，通過(guò)通信模塊連接至遠(yuǎn)程服務(wù)器，將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行保存。

遠(yuǎn)程服務(wù)器：遠(yuǎn)程服務(wù)器本質(zhì)上是存儲(chǔ)服務(wù)器，配備有磁盤(pán)陣列和數(shù)據(jù)庫(kù)軟件。主要功能是負(fù)責(zé)接收并存儲(chǔ)各個(gè)信號(hào)節(jié)點(diǎn)的原始記錄，并通過(guò)打印軟件對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)原始記錄進(jìn)行批量打印。

3 現(xiàn)場(chǎng)核查的主要工作流程

3.1 采集器現(xiàn)場(chǎng)核查/校準(zhǔn)的流程

采用基于物聯(lián)網(wǎng)的分布式自動(dòng)氣象站現(xiàn)場(chǎng)核查技術(shù)進(jìn)行周期核查校驗(yàn)可以實(shí)現(xiàn)全面自動(dòng)化控制。在此過(guò)程中，可依靠處理系統(tǒng)和采集器，擺脫對(duì)人力的依賴(lài)。采集器現(xiàn)場(chǎng)核查及校準(zhǔn)的主要流程如下：①技術(shù)人員將核查主機(jī)每個(gè)信號(hào)輸入口采集器進(jìn)行連接，而后將核查主機(jī)的通信端口與主采集機(jī)的調(diào)試端口進(jìn)行連接，確認(rèn)連接完成后開(kāi)啟核查主機(jī)和各個(gè)核查分機(jī)。②技術(shù)人員確認(rèn)終端設(shè)備和主機(jī)設(shè)備皆處于正常運(yùn)行狀態(tài)后，根據(jù)經(jīng)緯度確認(rèn)站點(diǎn)的詳細(xì)信息。并且在終端設(shè)備上連接遠(yuǎn)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(gè)觀測(cè)要素的核查點(diǎn)、穩(wěn)定時(shí)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(jī)設(shè)備通過(guò)Zigbee 網(wǎng)絡(luò)向各個(gè)采集節(jié)點(diǎn)發(fā)送核查指令。④每臺(tái)核查主機(jī)和分機(jī)按照技術(shù)人員的核查指令向每個(gè)采集節(jié)點(diǎn)發(fā)送相關(guān)信號(hào)及指令。核查主機(jī)通過(guò)采集器的通信端口獲取自動(dòng)站各通道輸出的值，并將其實(shí)時(shí)發(fā)送至各個(gè)核查分機(jī)。主機(jī)及分機(jī)設(shè)備顯示器上將同時(shí)顯示相應(yīng)通道的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)值和采集器的輸出值，而后核查主機(jī)將標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)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(jī)根據(jù)核查配置文件的參數(shù)對(duì)整個(gè)過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)化控制，該過(guò)程不需要人工進(jìn)行干預(yù)。若在核查過(guò)程中某個(gè)通道的核查值或校驗(yàn)偏差值大于設(shè)定的最大偏差時(shí)，終端設(shè)備將給予技術(shù)人員警報(bào)提示。核查工作結(jié)束后，終端設(shè)備或核查主機(jī)將會(huì)顯示本次核查的主要結(jié)果并將整個(gè)核查過(guò)程的延時(shí)記錄上傳至特定的遠(yuǎn)程服務(wù)器中。

3.2 傳感器現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試流程

若在核查過(guò)程中發(fā)現(xiàn)自動(dòng)站或某個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)存在故障問(wèn)題，技術(shù)人員可以單獨(dú)使用核查主機(jī)或核查分機(jī)進(jìn)行手動(dòng)操作來(lái)對(duì)故障節(jié)點(diǎn)進(jìn)行快速檢測(cè)，也可配合傳感器的校準(zhǔn)設(shè)備進(jìn)行使用，具體測(cè)試流程如下：①將故障節(jié)點(diǎn)的傳感器與核查主機(jī)或核查分機(jī)進(jìn)行連接。氣壓、雨量傳感器及風(fēng)速、風(fēng)向傳感器對(duì)應(yīng)核查主機(jī)，溫度、濕度傳感器對(duì)應(yīng)溫濕度核查分機(jī)，地溫傳感器則對(duì)應(yīng)地溫核查分機(jī)。②將被測(cè)傳感器放于校準(zhǔn)設(shè)備或當(dāng)前大氣環(huán)境下，技術(shù)人員使用終端設(shè)備和對(duì)應(yīng)的核查主機(jī)或核查分機(jī)開(kāi)啟傳感器的性能測(cè)試功能。③終端設(shè)備或核查主機(jī)及核查分機(jī)將被測(cè)傳感器的輸出值顯示在顯示器上。

3.3 系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)用

該系統(tǒng)經(jīng)研制完成后，于2021年3月在中國(guó)海南省氣象探測(cè)中心進(jìn)行模擬試用。試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)能夠通過(guò)自組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫濕度、氣壓、風(fēng)量、雨量等6種采集要素的精準(zhǔn)化采集測(cè)量。能夠在極短的時(shí)間內(nèi)快速實(shí)現(xiàn)對(duì)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(chǎng)檢修和核查能力。

該系統(tǒng)有如下5 大優(yōu)勢(shì)：①適用范圍廣。該系統(tǒng)能夠?qū)Σ煌瑥S家的自動(dòng)氣象站及多要素的檢測(cè)要求進(jìn)行滿(mǎn)足，最大程度上滿(mǎn)足地區(qū)氣象站的合規(guī)性建設(shè)需求。②檢測(cè)要素精準(zhǔn)?？梢跃珳?zhǔn)地對(duì)傳感器數(shù)值進(jìn)行輸出，并對(duì)數(shù)值偏移或跳躍等故障進(jìn)行檢出。③操作簡(jiǎn)單，便于攜帶。該系統(tǒng)體積小，質(zhì)量輕，能耗也相對(duì)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(wú)線自組網(wǎng)及藍(lán)牙通信模式。⑤在軟件系統(tǒng)上采用當(dāng)下最先進(jìn)的數(shù)字化技術(shù)和圖形化操作展示方式，界面簡(jiǎn)潔易操作，檢測(cè)結(jié)果可隨時(shí)導(dǎo)出[4]。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于物聯(lián)網(wǎng)的分布式自動(dòng)氣象站現(xiàn)場(chǎng)核查技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在氣象觀測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用，可以作為氣象觀測(cè)機(jī)構(gòu)傳感器實(shí)驗(yàn)室檢定校準(zhǔn)的補(bǔ)充方案，能夠?qū)δ壳白詣?dòng)氣象站計(jì)量檢定工作進(jìn)行補(bǔ)充和完善?，F(xiàn)查核查系統(tǒng)亦可作為自動(dòng)站保障人員的測(cè)試工具，提高檢測(cè)水平和工作效率，是進(jìn)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(jìn)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(kāi)發(fā)及應(yīng)用，為中國(guó)氣象觀測(cè)領(lǐng)域帶來(lái)全新的發(fā)展方向。