物聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)氣象站的試制

唐慧強(qiáng)李超李全月

（1 南京信息工程大學(xué)信息與控制學(xué)院，南京 210044；2 南京慧明儀器儀表有限公司，南京 210032）

物聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)氣象站的試制

唐慧強(qiáng)1李超2李全月1

（1 南京信息工程大學(xué)信息與控制學(xué)院，南京 210044；2 南京慧明儀器儀表有限公司，南京 210032）

為適應(yīng)現(xiàn)代氣象檢測的需求，試制了物聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)氣象站。溫度、濕度、風(fēng)、氣壓、降水等氣象傳感器節(jié)點(diǎn)以及路由器、協(xié)調(diào)器構(gòu)成局域無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，并通過數(shù)據(jù)通信器利用3G、GPRS、Internet等與遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)組成廣域網(wǎng)。遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)接收、解析數(shù)據(jù)，并經(jīng)質(zhì)量控制后保存到網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫。實(shí)現(xiàn)了氣象數(shù)據(jù)的管理及分發(fā)，并可通過用戶手機(jī)或互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查詢。

物聯(lián)網(wǎng)，自動(dòng)氣象站，傳感器節(jié)點(diǎn)

1 引言

自2005年物聯(lián)網(wǎng)概念正式提出以來,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)得到高度關(guān)注與高速發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)通過信息傳感設(shè)備,把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來,實(shí)現(xiàn)信息交換。物聯(lián)網(wǎng)是泛在網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分,向下又包容了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)庫等技術(shù),是互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)與應(yīng)用的延伸。本文針對(duì)氣象應(yīng)用,基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)局域連接各氣象傳感器節(jié)點(diǎn),構(gòu)建了自動(dòng)氣象站,并在此基礎(chǔ)上結(jié)合遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)等,構(gòu)建了一個(gè)典型而完整的物聯(lián)網(wǎng)概念系統(tǒng)。

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的無線檢測系統(tǒng)相對(duì)于傳統(tǒng)的觀測體系就像移動(dòng)電話相對(duì)于固定電話的優(yōu)勢一樣：安裝方便,移動(dòng)靈活,維護(hù)簡單,備份容易,數(shù)據(jù)通信可靠。而這些特性非常適合需要眾多氣象要素的常規(guī)觀測、應(yīng)急觀測、科學(xué)試驗(yàn)等場合。

檢測系統(tǒng)經(jīng)歷了數(shù)字式、智能式、總線式到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為代表的物聯(lián)網(wǎng)階段。氣象觀測由于觀測數(shù)據(jù)連續(xù)性、大量臺(tái)站的更新代價(jià)過大等原因而相對(duì)保守,至今仍主要采用集中式的檢測方式[1,2],直到近幾年才推出了具有CAN總線的混合型的數(shù)據(jù)通信方式,但存在安裝維護(hù)繁瑣等問題。而目前基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的氣象觀測儀器開始進(jìn)入應(yīng)用階段,如美國的HOBO ZW系列無線數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)等,用于建筑物的能量和溫濕度等環(huán)境條件檢測。美國Vantage Pro2無線自動(dòng)氣象站也開始普及,但精度較差,如溫度誤差約為0.5℃,相對(duì)濕度約為3%,氣壓約1hPa。國內(nèi)的南京慧明儀器儀表有限公司等已經(jīng)把無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)等非氣象部門的氣象檢測。

本文在環(huán)境重金屬檢測網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)研究的基礎(chǔ)上,采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),實(shí)現(xiàn)無線化、網(wǎng)絡(luò)化的自動(dòng)氣象觀測,并提高氣象儀器的準(zhǔn)確度,采用移動(dòng)通信網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信,利用數(shù)據(jù)庫技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)管理與分發(fā),從而降低布站、維護(hù)等成本,并提高集成度,構(gòu)建全天候、高精度、高可靠性的氣象觀測系

統(tǒng)。本文涉及基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的自動(dòng)氣象站系統(tǒng)設(shè)計(jì),包括無線氣象傳感器節(jié)點(diǎn)、路由器、協(xié)調(diào)器、通信器、數(shù)據(jù)接收軟件、本地及遠(yuǎn)程動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)以及信息分發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)氣象站的基本架構(gòu)

圖2 HM-DZY1型無線溫濕度計(jì)

2 氣象觀測系統(tǒng)架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)氣象觀測系統(tǒng)架構(gòu)極其簡單(圖1),由氣象傳感器節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)通信器、數(shù)據(jù)庫等構(gòu)成。利用溫度、濕度、氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向、降水、地溫等氣象傳感器,融合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信部件,構(gòu)成了氣象傳感器節(jié)點(diǎn)。數(shù)據(jù)通信器一方面接收氣象傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù),組建局域網(wǎng),另一方面,通過GPRS、3G或互聯(lián)網(wǎng)技術(shù),把數(shù)據(jù)傳送到位于監(jiān)控中心的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫,構(gòu)建集成氣象觀測系統(tǒng)。

3 傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

3.1 氣象傳感器

氣象傳感器是自動(dòng)氣象觀測系統(tǒng)的基礎(chǔ)。由于氣象傳感器繁多,本文僅以溫度傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)為例來介紹。

氣溫是最成熟的檢測參數(shù)之一,可以利用熱電阻、熱敏電阻、熱電偶、半導(dǎo)體PN結(jié)等方法來進(jìn)行數(shù)字化檢測。鉑熱電阻的穩(wěn)定性相對(duì)較好,但目前氣象檢測應(yīng)用還是不夠理想,誤差的原因有傳感器自身的準(zhǔn)確性,以及自熱效應(yīng)、通風(fēng)、遲滯、輻射等。

本文采用了穩(wěn)定性優(yōu)越的Pt1000鉑電阻,并經(jīng)過進(jìn)一步的篩選、老化處理來保證精度。鉑電阻在溫度為t時(shí),阻值為：R=Ro(1+αt+βt2),具有二次項(xiàng),因此需要進(jìn)行非線性校準(zhǔn)。極端精度需求的情況下,可以采用高次函數(shù)或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法來提高精度。通過24位的高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器等電路來檢測鉑電阻值,并利用微控制器來反演出溫度值。自熱效應(yīng)是影響檢測精度的重要因素之一,根據(jù)P=U2/R,在輸出電壓U不變時(shí),由功率與電阻的反比關(guān)系說明電阻越大,則功率越小所以自熱效應(yīng)越小。如零度時(shí)可以確保Pt1000正常工作的100μA的激勵(lì)電流就可以取得100mV的輸出電壓,而采用Pt100時(shí)需要1mA的激勵(lì)電流才能輸出相同的電壓,并且增加了自熱效應(yīng)。經(jīng)試制,單要素的溫度計(jì)精度可達(dá)到0.01℃,而試制的氣象用HM-DZY1型無線溫濕度計(jì)(圖2),精度為0.02℃,相對(duì)單要素溫度計(jì)略有下降,具體檢測結(jié)果如表1所示。測試時(shí),所采用溫度發(fā)生器為FLUKE7080,溫度標(biāo)準(zhǔn)器采用配備二等基準(zhǔn)鉑電阻的FLUKE1529,由于溫度發(fā)生器與溫度標(biāo)準(zhǔn)器之間也具有較大誤差,所以測試過程中以溫度標(biāo)準(zhǔn)器為基準(zhǔn)。此外,HM-DZY1型無線溫濕度計(jì)的相對(duì)濕度在10%～95%的量程范圍內(nèi)的精度達(dá)到0.5%,也可較好地滿足氣象檢測的要求,在環(huán)境溫度15℃時(shí)的測試結(jié)果如表2所示。

表1 HM-DZY1型無線溫濕度計(jì)的溫度誤差（單位：℃）

表2 HM-DZY1型無線溫濕度計(jì)的相對(duì)濕度誤差（%）

3.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中采用CC2530片上系統(tǒng)等電路構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)模塊,并利用IEEE 802.15.4協(xié)議等構(gòu)建路由器、協(xié)調(diào)器。氣象數(shù)據(jù)通信器由協(xié)調(diào)器、ARM處理器、GPRS/3G模塊、TCP/IP接口、液晶顯示器等構(gòu)成(圖3)。其中,協(xié)調(diào)器用于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)與數(shù)據(jù)的無線接收；液晶顯示器用于顯示局地的氣象觀測數(shù)據(jù)；利用GPRS/3G通信模塊進(jìn)行無線遠(yuǎn)程通信,利用TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)接口實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)的接入。此外,通過路由器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)與延長通信距離,確保在數(shù)千米以內(nèi),采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)局域通信；由于氣象要素眾多,網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,因此統(tǒng)一了各網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)通信格式,包括傳感器節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器、協(xié)調(diào)器與數(shù)據(jù)通信器、數(shù)據(jù)通信器與遠(yuǎn)程主機(jī)等之間的協(xié)議規(guī)范。

4 遠(yuǎn)程氣象檢測及數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用C/S架構(gòu),以SQL Server 2005作為后臺(tái)數(shù)據(jù)庫,選擇Delphi 7.0作為系統(tǒng)的開發(fā)工具,來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中各模塊的設(shè)計(jì)與開發(fā)。遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)接收自動(dòng)氣象站通信器發(fā)送的氣象數(shù)據(jù),包括站點(diǎn)編號(hào)、采集時(shí)間、氣象要素等有關(guān)信息,并進(jìn)行解析后取得觀測數(shù)據(jù),GPRS數(shù)據(jù)采集界面如圖4所示。研制了氣象要素?cái)?shù)據(jù)質(zhì)量控制系統(tǒng),發(fā)現(xiàn)問題時(shí)返回重發(fā)或重測命令,以取得正確的氣象數(shù)據(jù)并保存到數(shù)據(jù)庫中,以進(jìn)一步處理。

網(wǎng)絡(luò)服務(wù)系統(tǒng)采用了B/S架構(gòu),通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的訪問提供了數(shù)據(jù)查詢功能,包括實(shí)時(shí)及歷史數(shù)據(jù)的顯示及時(shí)間變化曲線圖、數(shù)據(jù)下載、地圖顯示及等值線繪制等功能。同時(shí)還提供了臺(tái)站信息等的管理,實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)備份、下載、上傳等系統(tǒng)維護(hù)的功能。臺(tái)站設(shè)置、資源開放等管理功能見自動(dòng)氣象觀測系統(tǒng)管理平臺(tái)網(wǎng)頁(圖5),其中部分功能對(duì)匿名用戶開放,可直接通過http://www.chinahuiming.cn/ qx.html查詢。圖5顯示的界面中,溫濕度是放置于環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定的房間以及具有空調(diào)的房間中的一體化無線溫濕度傳感器所測得,整體一致性相對(duì)較好,而誤差主要來源是環(huán)境中的溫濕度不一致性,與恒溫槽中相比明顯變差。

地圖顯示系統(tǒng)可以對(duì)全國各自動(dòng)站在Google Map、Google Earth等地圖或系統(tǒng)上進(jìn)行布置,并可查詢各站點(diǎn)的實(shí)時(shí)氣象數(shù)據(jù)情況(圖6)。

手機(jī)端采用了C/S架構(gòu),利用Android操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)了手機(jī)客戶端軟件,提供實(shí)時(shí)觀測及預(yù)報(bào)的氣象信息,并對(duì)溫度、濕度、氣壓等氣象要素進(jìn)行等值線的繪制,并利用手機(jī)GPS定位功能實(shí)時(shí)更新地圖及位置

信息的同時(shí),能根據(jù)需要查詢實(shí)時(shí)氣象信息,其中實(shí)時(shí)天氣界面如圖7所示。

圖3 氣象數(shù)據(jù)通信器

圖4 遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

圖5 自動(dòng)氣象觀測系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)

圖6 氣象信息顯示系統(tǒng)

圖7 手機(jī)用戶系統(tǒng)

圖8 三傳感器氣溫日變化的對(duì)比觀測

5 小結(jié)

本文試制的物聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)氣象站,相對(duì)傳統(tǒng)的有線式觀測系統(tǒng)具有機(jī)動(dòng)性好、高精度、低功耗、可遠(yuǎn)程操作等特點(diǎn)。尤其是高精度特性,本系統(tǒng)的溫度傳感器與其溫度二等基準(zhǔn)達(dá)到優(yōu)于0.02℃的一致性,其分辨率可以定制成0.002℃,甚至可以敏感地監(jiān)測到百葉箱或室內(nèi)的微弱輻射影響。圖8是室溫日變化觀測結(jié)果,最大偏差0.04℃,其他如防輻射罩之間、百葉箱內(nèi)等溫濕度的觀測比較也可以在該網(wǎng)站上直接查詢到。聯(lián)網(wǎng)幾個(gè)月以來,觀測數(shù)據(jù)穩(wěn)定,各傳感器之間的偏差也沒有發(fā)生明顯變化,除觀測計(jì)算機(jī)停電外,沒有出現(xiàn)數(shù)據(jù)故障現(xiàn)象。室外觀測由于環(huán)境溫度變化較快,一致性會(huì)略有降低,而氣壓觀測由于響應(yīng)速度快,研制的各HM-AP1無線氣壓傳感器的一致性可以達(dá)到0.05hPa以內(nèi)。

該物聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)氣象站安裝使用簡單,適合于科學(xué)研究、大型試驗(yàn),也可用于實(shí)際氣象業(yè)務(wù)觀測中,溫度、氣壓、濕度等傳感器具有極高的精度,已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出WMO的要求[3],可以充當(dāng)觀測現(xiàn)場或計(jì)量室計(jì)量檢定的標(biāo)準(zhǔn)儀器。所研制的溫濕度、氣壓傳感器按1次/min的觀測頻率,其內(nèi)置電池考慮自放電后還可以確保6年以上的工作時(shí)間。目前物聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)氣象站已經(jīng)具有溫度、濕度、氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向、降水、多種輻射、各層地溫、各層土壤水分、日照時(shí)數(shù)等多種傳感器。部分功能已經(jīng)在農(nóng)業(yè)環(huán)境檢測上應(yīng)用,近一年的運(yùn)行使用情況表明,系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠,能夠勝任長期的環(huán)境氣象觀測工作。

[1]中國氣象局. 地面氣象觀測規(guī)范. 北京: 氣象出版社, 2003.

[2]李黃. 自動(dòng)氣象站實(shí)用手冊(cè). 北京: 氣象出版社, 2007.

[3]WMO-No. 8. Guide to Meteorological Instruments and Methods of Observation (Seventh edition). 2008.

Design of the Automatic Weather Station Based on IOT

Tang Huiqiang1, Li Chao2, Li Quanyue1
(1 Collage of Information and Control, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044 2 Nanjing Huiming Corp. of Instruments, Nanjing 210032)

In order to meet the needs of modern meteorological detection, automatic weather station of the Internet of Things is developed. Local area wireless sensor networks are composed of temperature, humidity, wind, pressure, precipitation and other meteorological sensor nodes, routers, and the coordinator. Wide area networks are also composed of the data communicator and remote computer through 3G, GPRS and the Internet. Data are received, analyzed and stored to real-time network database by the remote computer after the quality control. Meteorological data management and distribution is implemented and the data can be consulted through the user’s mobile phone or Internet computer.

Internet of Things, automatic weather station, sensor nodes

10.3969/j.issn.2095-1973.2014.03.009

2013年4月24日；

2013年6月18日

唐慧強(qiáng)（1965—），Email：thq@nuist.edu.cn

資助信息：國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)任務(wù)（2012YQ170003-5）