基于CDMA的氣象顯示屏實時信息服務系統(tǒng)①

曾臺盛， 溫繼昌

(1.泉州師范學院數(shù)學與計算機科學學院，福建泉州362000;2.泉州市氣象局，福建泉州362000)

0 引言

利用先進的科技手段，為社會大眾提供準確、及時的氣象信息服務，是氣象部門義不容辭的責任.隨著社會經(jīng)濟生活的日益繁榮，社會公眾以及各行業(yè)對氣象信息服務的需求日益增加，特別是隨著災害性天氣的頻繁發(fā)生，公眾對于氣象信息產(chǎn)品的需求更多，如需要了解實時的雨量等天氣實況、需要了解臺風實時狀況、需要了解天氣預報和預警信息，各行業(yè)也迫切需要獲得與自身行業(yè)具有針對性強的專業(yè)氣象服務［5］;另外，隨著通信技術和媒體的發(fā)展，社會公眾以及各行業(yè)可以獲取氣象信息的手段更多，相應的對于獲取氣象信息的及時性的要求更高，除了廣播、電視、報紙、手機短信之外，氣象顯示屏因其可在公共場所實時在線顯示各種氣象信息而成為當今氣象信息服務的新“寵兒”.

1 氣象顯示屏現(xiàn)狀分析

1.1 目前在用氣象顯示屏概況

氣象顯示屏現(xiàn)雖已成為氣象服務新貴，但目前也存在著一定的問題，主要表現(xiàn)在自動化程度不高、氣象信息產(chǎn)品不夠豐富、以及缺乏社會用戶的聯(lián)動參與——社會用戶也希望能通過氣象顯示屏發(fā)布相關信息.

1.1.1 單點固定格式氣象顯示屏

單點固定格式氣象顯示屏如圖1所示，該顯示屏雖然也有實時的天氣實況等信息，但只能顯示單點的實況信息(不能滿足一些用戶如防汛部門需要同時實時顯示轄區(qū)內(nèi)的多個鄉(xiāng)鎮(zhèn)雨量等氣象信息的需求)，且界面的擴展性差，如下圖產(chǎn)品，若要增加能見度、濕度、昨最高溫度、昨累計雨量等信息就不行了;另外僅顯示一行氣象預報、預警信息，感官上對于氣象信息的整體瀏覽不是那么直觀.

圖1 單點固定格式氣象顯示屏

圖2 整屏單一內(nèi)容氣象顯示屏

1.1.2 整屏單一內(nèi)容氣象顯示屏

整屏單一內(nèi)容氣象顯示屏如圖2所示，該顯示屏上所發(fā)布的氣象信息產(chǎn)品少，目前國內(nèi)氣象顯示屏所發(fā)布的信息主要局限在一天兩次的天氣預報和不定時的天氣預警信息發(fā)送.

氣象信息發(fā)布的自動化程度低也是問題之一，主要表現(xiàn)在發(fā)布的大部分氣象信息采用手工錄入［1－4］.這樣，限制了氣象信息的發(fā)布量，一整天一直僅顯示天氣預報顯然過于單調(diào)，難以吸引公眾的注意.由于采用的是手工輸入發(fā)送方式，對于一些實時性強的氣象信息，如每小時一次的臺風實況、每十分鐘更新一次的氣象自動站實況，就不能自動發(fā)送提供，同時可擴展性差，無法進行更多的應用開發(fā).

1.2 新型氣象顯示屏概況

新型氣象顯示屏如圖3所示，顯示屏的顯示區(qū)域分為兩個區(qū)域:上區(qū)由下往上滾動顯示天氣預報、臺風實時信息，以及由各級用戶利用互聯(lián)網(wǎng)在任何地方編輯輸入的災害預警信息和各類通知公告;下區(qū)由右向左滾動顯示指定的多個氣象觀測點的每十分鐘天氣實況.這些信息均由軟件自動收集生成和自動發(fā)送.

圖3 新型氣象顯示屏

圖4 “泉州氣象顯示屏”系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)圖

2 新型氣象顯示屏簡介

新型氣象顯示屏系統(tǒng)由硬件設備和軟件平臺組成.系統(tǒng)以電信CDMA無線網(wǎng)絡為數(shù)據(jù)傳輸通道，通過無線數(shù)據(jù)通信傳輸模塊DTU和顯示控制器實現(xiàn)在顯示屏上顯示氣象信息.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與發(fā)送流程拓撲圖如圖4所示.

2.1 硬件設備

氣象顯示屏由氣象顯示屏屏體(LED屏)、顯示屏控制卡和CDMA通信模塊DTU組成.

2.1.1 氣象顯示屏體(LED屏)

氣象顯示屏屏體采用Ф3.75單基色室內(nèi)顯示屏，其主要技術指標見表1.

表1 氣象顯示屏主要技術指標

2.1.2 顯示屏控制卡

顯示屏控制卡采用型號為SCL2008－N的LED顯示屏控制器，其主要技術指標如下:

控制范圍:4032×128，2048×256，1024×512，2048 ×128，1024 ×256，512 ×512.

掃描模式:1/16掃描、1/8掃描、1/4掃描、1/2掃描和靜態(tài)等各類LED驅(qū)動.

通訊方式:RS232/10M以太網(wǎng).

串口 通 訊 速 率:2400、4800、9600、19200、38400、57600 和115200

存儲容量:FAT16管理的至少4M字節(jié)FLASH非易失性內(nèi)存和4M字節(jié)RAM易失性內(nèi)存，可外擴256M的SD卡.

工作溫度:－10℃至+70℃

工作電源:+5V±0.2V，峰值電流650mA，工作電流400mA.

2.1.3 CDMA無線通信模塊DTU

CDMA無線通信模塊實現(xiàn)即插即用串口到顯示屏控制卡串口的透傳.用戶采集到的數(shù)據(jù)通過CDMA和Internet傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心 mServer，配合mServer軟件虛擬串口功能，就可以輕松對串口設備進行遠程采集和控制，如圖5所示.

圖5 DTU遠程采集和控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 軟件平臺

軟件平臺由四部分組成:氣象信息自動生成平臺、基于互聯(lián)網(wǎng)的用戶分級與顯示屏管理平臺、基于互聯(lián)網(wǎng)的信息發(fā)布平臺、無線通信的信息自動發(fā)送平臺，如圖6所示.

圖6 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

3 氣象信息自動生成平臺

從前面了解到我們把氣象顯示屏分成上下兩部分顯示區(qū)域，即上區(qū)是由下向上滾動顯示“天氣預報”、“臺風實時信息”、“天氣預警”、“信息通告”、“用戶信息”五部分內(nèi)容，所對應的信箱號分別是:12，19，20，21，61，下區(qū)由右向左滾動顯示“各自動氣象觀測站每十分鐘的實況信息”.

因此氣象信息自動生成平臺將定時自動判斷數(shù)據(jù)庫中天氣預報產(chǎn)品、臺風實時位置信息、天氣預警、天氣實況信息及各類通知公告所對應的數(shù)據(jù)表是否有數(shù)據(jù)更新，如果數(shù)據(jù)表有更新，則根據(jù)規(guī)則生成臨時文件，天氣實況信息文件命名規(guī)則為“區(qū)域自動站名.TXT”，其余信息文件的命名規(guī)則為:“N分組名X信箱號.TXT”.

3.1 天氣預報(12信箱)

該模塊將根據(jù)預先設定的定時時間去掃描數(shù)據(jù)庫中“天氣預報產(chǎn)品”的數(shù)據(jù)表，當數(shù)據(jù)有更新時，根據(jù)發(fā)布區(qū)域編碼配置文件生成對應的天氣預報文本文件，如:鯉城“qz00”所要發(fā)布的天氣預報產(chǎn)品將生成文件名為“N00X12.TXT”.

3.2 臺風實時位置信息(19信箱)

該模塊將根據(jù)預先設定的定時時間去掃描數(shù)據(jù)庫中“臺風實時位置”的數(shù)據(jù)表，當數(shù)據(jù)有更新時，根據(jù)發(fā)布區(qū)域編碼配置文件生成臺風實時信息的文本，如:鯉城“qz00”所要發(fā)布的天氣預報產(chǎn)品將生成文件名為“N00X19.TXT”.

3.3 天氣預警信息、信息通告、用戶信息(20、21、61信箱)

該模塊將根據(jù)預先設定的定時時間去掃描數(shù)據(jù)庫中“天氣預警信息”的數(shù)據(jù)表，當數(shù)據(jù)有更新時，系統(tǒng)從“天氣預警信息”與“各類信息通告”數(shù)據(jù)表中讀取分組名，信箱號，信息內(nèi)容，并把信息內(nèi)容輸出到TXT文件中，文件命名規(guī)則為:“N分組名X信箱號.TXT”，如:鯉城“qz00”發(fā)布天氣預警信息(信箱號為20)后，系統(tǒng)將把數(shù)據(jù)表中對應的信息輸出后生成文件名為“N00X20.TXT”，分組名為“qz00lc00”發(fā)布用戶信息(信箱號為61)后，系統(tǒng)將從數(shù)據(jù)表中對應的信息輸出后生成文件名為“N0000X61.TXT”.

3.4 天氣實況信息

可根據(jù)需要選擇顯示屏所在區(qū)域周邊的一個或多個自動氣象觀測站的每十分鐘實況數(shù)據(jù)，將自動氣象觀測站的各個氣象要素進行實況的組合輸出.輸出內(nèi)容包含有時間，地點，組合的氣象要素值(如:溫度、濕度、雨量、風力風向等).單個站的天氣實況信息保存為“自動氣象觀測站站名.TXT”.

3.5 氣象信息匯總

根據(jù)顯示屏的各信息收集模塊生成了以各自信箱號命名的“.TXT”文件，根據(jù)顯示屏的上下顯示模式，我們將顯示屏上下顯示的兩部分內(nèi)容分為以下兩個文件進行發(fā)送:1)“N分組號X00.TXT”，文件內(nèi)容發(fā)布到顯示屏的上區(qū)，2)“N分組號X01.TXT”，文件內(nèi)容發(fā)布到顯示屏的下區(qū).

在氣象信息自動生成平臺中定時將“天氣預報”、“臺風實時信息”、“天氣預警”、“信息通告”、“用戶信息”五部分內(nèi)容匯總到“N分組號X00.TXT”和“N分組號X01.TXT”兩個文本文件中.

4 基于互聯(lián)網(wǎng)的用戶分級與顯示屏管理平臺

4.1 用戶分級管理

用戶分級管理規(guī)則:依實際情況，用戶分為省級用戶、地區(qū)級用戶、縣(市)級用戶，鎮(zhèn)級用戶、村(小區(qū))級用戶或單屏級用戶.所設計的用戶含管理用戶(省級、地區(qū)級用戶)、災害預警信息發(fā)布用戶(縣級用戶)、各類通知公告發(fā)布用戶(縣、鄉(xiāng)、鎮(zhèn)、村、小區(qū)級用戶).為避免信息間的相互覆蓋，設計各級用戶有一個或多個不同編碼的操作信箱(信箱編碼定為2位數(shù)字).

管理用戶為系統(tǒng)的最高級別用戶，權(quán)限包含了地理區(qū)域的編碼管理，顯示屏的添加、刪除管理，以及發(fā)布用戶的添加管理.系統(tǒng)設計管理用戶只有2位字母暨地區(qū)的前兩位縮寫，如福州為“fz”，泉州為“qz”.

地理區(qū)域的編碼管理為整個系統(tǒng)最關鍵的地方，由區(qū)域編碼我們可以對顯示屏進行編碼，可以對屬于不同區(qū)域的顯示屏進行分組，可以對不同分組的顯示屏進行不同信息的發(fā)布.區(qū)域編碼使用a～z，0～9等36個字符進行編碼，總共為12位.前兩位為管理用戶;3、4位為縣級代碼;5、6位為縣的名字縮寫;7、8位為鄉(xiāng)鎮(zhèn)代碼;9，10位為鄉(xiāng)鎮(zhèn)縮寫;11，12位為村、小區(qū)代碼.

在管理用戶生成時，必須同時規(guī)定該管理用戶可進行編組的3、4位編碼范圍，如用戶“qz”管理“00”～“29”，用戶“fz”管理“30”～“59”，理論上總共可以有36*36=1296個的縣級用戶可以錄入預警信息.例如:qz00即代表鯉城，依次對所屬區(qū)域的組別進行設置.

4.2 顯示屏管理平臺

對每個新產(chǎn)生的顯示屏都應在顯示屏管理平臺上進行添加，顯示屏的添加操作包含顯示屏的編碼和顯示屏的分組，并根據(jù)分組信息生成該顯示屏的操作用戶.

顯示屏添加時先要選擇顯示屏所在的區(qū)域，若該鄉(xiāng)鎮(zhèn)、社區(qū)不在可選范圍內(nèi)，必須先對鄉(xiāng)鎮(zhèn)和社區(qū)名進行添加.選擇完將直接自動生成15位的顯示屏屏號，即“12位區(qū)域編碼”+“3位數(shù)字編碼”，“3位數(shù)字編碼”由數(shù)據(jù)庫中本區(qū)域內(nèi)已有顯示屏編碼自動加 1生成.如:數(shù)據(jù)庫中已編了“qz00lc00jn01001”，則下一塊屏就為“qz00lc00jn01002”，說明在qz00lc00jn01區(qū)域內(nèi)有兩塊顯示屏，即001和002.

在對顯示屏進行編碼時，顯示屏屬于哪個組也隨之被確定，如編號為“qz00lc00jn01001”的顯示屏只能屬于“qz00”(縣級分組)、“qz00lc00”(鄉(xiāng)鎮(zhèn)級分組)、“qz00lc00jn01”(村、小區(qū)級分組)、“qz00lc00jn01001”(單屏級分組)等四個組，從中選擇一個作為顯示屏的分組，并根據(jù)分組碼創(chuàng)建這個屏的管理用戶，該管理用戶即可根據(jù)權(quán)限將信息發(fā)布到這個屏上.

圖7 服務器端軟件

圖8 客戶端軟件

無論選擇哪個組，災害預警信息發(fā)布用戶——“qz00”為必須生成的(數(shù)據(jù)庫中已存在該用戶時不生成，操作信箱為20).另外還需生成與分組代碼相同的用戶，用于發(fā)布各類“信息公告”，其操作信箱為21.當然，當選擇的分組為縣級分組，該分組操作信箱就有兩個，暨20和21.

同時在“顯示屏添加”中還應輸入該顯示屏的通信模塊(DTU)的編號、CDMA手機卡號及相應的安裝地點和備注信息，系統(tǒng)將把顯示屏的完整信息存入數(shù)據(jù)庫中.

5 基于互聯(lián)網(wǎng)的信息發(fā)布平臺

基于互聯(lián)網(wǎng)的信息發(fā)布平臺包括兩部分:天氣預警信息錄入模塊與各類通知公告錄入模塊.從前面了解到我們把氣象顯示屏分成上下兩部分顯示區(qū)域，即上區(qū)是由下向上滾動顯示“天氣預報”、“臺風實時信息”、“天氣預警”、“信息通告”、“用戶信息”五部分內(nèi)容，其中“天氣預報”和“臺風實時信息”屬于相對固定的內(nèi)容，由程序到數(shù)據(jù)庫中對應的數(shù)據(jù)表自動調(diào)取，而“天氣預警”、“信息通告”、“用戶信息”則屬于相對靈活、多變的信息，所以應該由用戶根據(jù)實際情況進行及時發(fā)布.

5.1 天氣預警信息錄入模塊(20信箱)

根據(jù)用戶分級與顯示屏管理平臺對顯示屏進行分級管理和確定分組后，即獲得該分組的用戶名和密碼.各分組用戶在任何地方都可通過互聯(lián)網(wǎng)登陸該模塊，進行天氣預警信息的錄入，提交后系統(tǒng)自動將用戶錄入的預警信息編入數(shù)據(jù)庫相對應的數(shù)據(jù)表中，并記錄該條信息為20號信箱信息.

5.2 各類通知公告錄入模塊(21、61信箱)

同樣，根據(jù)用戶分級與顯示屏管理平臺對顯示屏進行分級管理和確定分組后，即獲得該分組的用戶名和密碼.各分組用戶在任何地方都可通過互聯(lián)網(wǎng)登陸該模塊，進行“信息通告(21信箱)”、“用戶信息(61信箱)”的錄入，提交后系統(tǒng)自動將用戶錄入的各類通知公告編入數(shù)據(jù)庫相對應的數(shù)據(jù)表中，并記錄該條信息為21號信箱或者61號信箱的信息.

此平臺采用B/S架構(gòu)，各級用戶可以在任何地方通過互聯(lián)網(wǎng)進行相應權(quán)限的信息發(fā)布，大大提高了LED信息發(fā)布的互動性，讓用戶輕松的參與到LED信息的發(fā)布，豐富了顯示屏的內(nèi)容.

6 無線通信的信息自動發(fā)送平臺

該平臺是借助于電信的CDMA網(wǎng)絡來實現(xiàn)信息的自動發(fā)送，此平臺包含:服務器端和客戶端兩部分.

6.1 服務器端

首先，顯示屏內(nèi)置電信CDMA的通訊模塊(以下簡稱DTU)，在DTU中可以設置遠端數(shù)據(jù)中心的IP地址，連接的服務端口，傳輸速率等相關信息.只要DTU上電，并插上相應的CDMA數(shù)據(jù)卡，就可以一直實時在線，當發(fā)布中心在對應的服務端口進行偵聽，該DTU就能與數(shù)據(jù)中心進行連接.

其次，需在一臺具備固定公網(wǎng)ip地址的服務器上布設Server服務端軟件做為數(shù)據(jù)中心，其通過Internet與各個顯示屏上的DTU進行聯(lián)絡，通過預設的通信端口建立一條獨有的通道.

Server服務端軟件負責監(jiān)控各顯示屏的在線情況，根據(jù)通信模塊DTU的IEMI編號和地址建立一張DTU通信地址表.

6.2 客戶端

客戶端即信息自動發(fā)送平臺，氣象信息自動生成平臺生成的“N分組號X00.TXT”和“N分組號X01.TXT”兩個文件后通過預設的端口給客戶端發(fā)送一個啟動指令，客戶端收到啟動指令后將“N分組號 X00.TXT”和“N 分組號 X01.TXT”兩個文件打包成顯示屏控制卡所能識別的“N分組號X00.dat”和“N分組號X01.dat”并通過服務端發(fā)送到控制卡的內(nèi)存上，進行顯示.

同時客戶端具有監(jiān)控的功能，從服務端獲取相應的信息，能監(jiān)控各顯示屏是否在線、數(shù)據(jù)是否正常發(fā)送、發(fā)送記錄查詢等.

在客戶端中，可靈活設置服務器端口和所發(fā)送信息的文件路徑;對顯示屏的分組進行增加與修改，使之與所設置的顯示屏相對應.

7 結(jié)束語

本文主要研究基于CDMA的氣象顯示屏實時信息發(fā)布系統(tǒng)，系統(tǒng)可滿足用戶實時、直觀了解所需氣象信息的需求.該系統(tǒng)具備如下特點:1.實時性強、自動化程度高，整個發(fā)布過程無需人工干涉;2.信息發(fā)布的靈活性強，可自由增減發(fā)布信息欄目，可選擇顯示任意的氣象要素;3.發(fā)送成本低，以數(shù)據(jù)流量計費，每月只需50M;4.組網(wǎng)規(guī)模大、擴展性強、安裝方便;5.保密性、安全性強，實現(xiàn)用戶分級分組管理，確保系統(tǒng)安全可靠.本系統(tǒng)成本低，應用靈活，具有良好的通用性和可靠性，操作簡單，具有較高的應用價值.

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