新型自動氣象站和自動氣候站結(jié)構(gòu)對比

吳道航 劉杰鋒 蔡成滿

摘? 要：把物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引入氣象站，使新型智能氣象站技術(shù)上具有先進(jìn)性和創(chuàng)新性，同時，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的引入整體提高了業(yè)務(wù)臺站的技術(shù)水平。采用ZigBee（基于IEEE02.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議）無線組網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)傳輸，節(jié)約傳統(tǒng)布線成本，并使布站更為簡單。采用太陽能供電，即清潔環(huán)保，又可以保證臺站數(shù)據(jù)不因停電而缺失，增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性。

關(guān)鍵詞：新型自動站、自動氣候站、物聯(lián)網(wǎng)、ZigBee

0引言

隨著觀測自動化技術(shù)不斷提高，人工觀測逐步被自動觀測所取代，觀測系統(tǒng)轉(zhuǎn)型發(fā)展任務(wù)艱巨。隨著氣象現(xiàn)代化不斷推進(jìn)，提高預(yù)報預(yù)測準(zhǔn)確率、增強(qiáng)公共氣象服務(wù)和應(yīng)對氣候變化能力對觀測內(nèi)容、時空分辨率和觀測質(zhì)量提出了新的更高的要求。新型自動氣象站的出現(xiàn)為全面實(shí)現(xiàn)地面氣象觀測自動化奠定了良好基礎(chǔ)，也為地面氣象觀測業(yè)務(wù)改革提供了基礎(chǔ)保障。

智慧氣象是新時期氣象現(xiàn)代化的重要標(biāo)志，發(fā)展智慧氣象需要?dú)庀笥^測更加智能、標(biāo)準(zhǔn)化、信息化。基于太陽能供電，ZigBee無線傳輸技術(shù)的自動氣候站，突破智能觀測關(guān)鍵技術(shù)，基于國產(chǎn)高精度、高可靠性核心器件和物聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代信息技術(shù)，實(shí)現(xiàn)常規(guī)氣象觀測裝備的智能感知。針對人煙稀少、環(huán)境惡劣地區(qū)，無人自動氣候站的建設(shè)基本消除氣象災(zāi)害監(jiān)測盲區(qū)，完成基準(zhǔn)氣候觀測布局。

1 新型自動氣象站

新型自動氣象站屬于分布式結(jié)構(gòu)自動氣象站，是基于現(xiàn)代總線技術(shù)和嵌入式系統(tǒng)技術(shù)構(gòu)建，采用國際標(biāo)準(zhǔn)并遵循開放的技術(shù)路線進(jìn)行設(shè)計。按照統(tǒng)一的功能規(guī)格書為設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研制開發(fā)，并由中國氣象局組織統(tǒng)一考核定型。

自動化的地面氣象觀測系統(tǒng)大致包括地面自動化觀測設(shè)備、數(shù)據(jù)采集業(yè)務(wù)處理平臺、數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)、質(zhì)量審核、歸檔存檔、資料應(yīng)用共享等子系統(tǒng);在分布的層次上從縣級氣象觀測站、省級氣象數(shù)據(jù)中心到國家級氣象數(shù)據(jù)中心。系統(tǒng)運(yùn)行需配套技術(shù)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)和業(yè)務(wù)工作流程等。自動化發(fā)展目標(biāo)是要建成一個精細(xì)化、自動化與智能化運(yùn)行，具有結(jié)構(gòu)合理、集約高效、技術(shù)先進(jìn)、功能完備、穩(wěn)定可靠的地面氣象綜合觀測業(yè)務(wù)系統(tǒng)。

圖1所示的是總線式自動氣象站結(jié)構(gòu)圖，其核心是基于CAN（Controller Area Network，控制器區(qū)域網(wǎng)）總線技術(shù)和國際標(biāo)準(zhǔn)CANopen協(xié)議進(jìn)行設(shè)計，涉及物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層的標(biāo)準(zhǔn)定義。滿足此定義和功能規(guī)格書的主/分采集器具備統(tǒng)一的物理接口和應(yīng)用接口，從而達(dá)到兼容、互換的目的。為了實(shí)現(xiàn)自動氣象站的最小配置，將基本氣象要素傳感器直接掛接在主采集器上?？梢詫ψ詣託庀笳具M(jìn)行不同的配置，以實(shí)現(xiàn)不同觀測任務(wù)或滿足不同類別氣象觀測站的需要，以最大限度地方便維護(hù)和降低維護(hù)成本。

集成式新型自動氣象站的總體結(jié)果如圖2所示。隨著自動化只能傳感器的發(fā)展和觀測要素的增加，按照原有功能規(guī)格書上的新型自動氣象站功能已經(jīng)不能滿足觀測業(yè)務(wù)發(fā)展需求，對具有高采樣頻率、復(fù)雜數(shù)據(jù)處理的智能化傳感器在地面觀測領(lǐng)域的應(yīng)用受到了制約。為此，引入了綜合集成控制技術(shù)，一種新型集成式自動氣象站應(yīng)運(yùn)而生，由綜合集成控制器承擔(dān)接收數(shù)據(jù)的功能，使得系統(tǒng)具有更強(qiáng)大的擴(kuò)展能力。集成式自動氣象站是在分布式結(jié)構(gòu)自動氣象站的基礎(chǔ)上增加綜合集成控制器，并將分布式自動氣象站作為一個“多要素智能傳感器”看待，與其他智能傳感器儀器集成到串口服務(wù)器中，并把多個串口通信

轉(zhuǎn)換為一個網(wǎng)絡(luò)通信。一個綜合集成控制器可以接入多路串口信號，任何智能化傳感器不經(jīng)過主采集器接入，也就不需要修改主采集器的內(nèi)部程序，只要在終端計算機(jī)上的測報業(yè)務(wù)軟件掛接該設(shè)備就可以方便地獲取觀測數(shù)據(jù)。另外，還引入了數(shù)據(jù)對象字典處理技術(shù)，即提高了數(shù)據(jù)綜合集成處理的能力，又降低了主采集器的負(fù)擔(dān)，同時也提高了數(shù)據(jù)采集處理部分的標(biāo)準(zhǔn)化程度。

2 自動氣候站

為了減少通信線路引起的雷擊，提高傳輸系統(tǒng)智能化，自動氣候站采用ZigBee無線通信技術(shù)，完成傳感器、電源等與集成處理器的通信集成處理器將觀測數(shù)據(jù)和設(shè)備狀態(tài)收集整理后，通過GPRS或北斗與遠(yuǎn)程業(yè)務(wù)平臺互通。統(tǒng)一通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)不同廠家產(chǎn)品互聯(lián)互通，通信協(xié)議分為：物理層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層、信息安全等內(nèi)容。

物聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)的延伸和擴(kuò)展，延伸到了任何設(shè)備和設(shè)備之間，實(shí)現(xiàn)智能化設(shè)備之間的信息交換和通信。目前國內(nèi)業(yè)務(wù)運(yùn)行的地面觀測站技術(shù)水平落后，設(shè)備穩(wěn)定性、擴(kuò)展性差;并且布站過程需要向觀測場拉入大量的電源線和通信線，而地面觀測站一般布置遠(yuǎn)離市區(qū)的地段，這加大了布站成本和設(shè)備運(yùn)行可靠性。把物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引入氣象站，使新型智能氣象站技術(shù)上具有先進(jìn)性和創(chuàng)新性，同時，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的引入整體提高了業(yè)務(wù)臺站的技術(shù)水平。采用ZigBee（基于IEEE02.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議）無線組網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)傳輸，節(jié)約傳統(tǒng)布線成本，并使布站更為簡單。采用太陽能供電，即清潔環(huán)保，又可以保證臺站數(shù)據(jù)不因停電而缺失，增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是融合了傳感器、嵌入式計算、無線通信、分布式信息處理等多學(xué)科知識的前沿?zé)狳c(diǎn)研究領(lǐng)域它能夠通過各類集成化的微型傳感器協(xié)同完成對各種環(huán)境或檢測對象的信息實(shí)時監(jiān)測、感知和采集，并將這些信息在無線多跳網(wǎng)絡(luò)中傳送給用戶。無線傳感器

網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)，將邏輯上的信息世界與客觀的物理世界融合在一起，改變了人與機(jī)器、人與自然的交互方式，從而實(shí)現(xiàn)物理世界、計算世界以及人類社會這三元世界的聯(lián)通，極大地擴(kuò)展人類認(rèn)識世界的能力。

ZigBee是一種低成本、低功耗、低速率、短距離無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（LR-WPAN），凡是具有上述特征或要求的場合都可以應(yīng)用。如數(shù)字家庭領(lǐng)域、工業(yè)領(lǐng)域、智能交通、醫(yī)療領(lǐng)域、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、環(huán)境檢測、智能建筑、安全保障。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)是一種粗放型的耕作方式，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)要求對局部的環(huán)境、土壤成分、氣候等進(jìn)行全面的檢測。無土栽培、大棚溫室的環(huán)境控制等都需要有效的檢測手段，ZigBee技術(shù)由于具有成本低、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，因此在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中有廣泛的應(yīng)用前景。環(huán)境監(jiān)測，在氣象、環(huán)保領(lǐng)域，可以將ZigBee網(wǎng)絡(luò)與其他的通信技術(shù)（如GPM/GPRS）結(jié)合起來，采集某特定區(qū)域中的溫度、氣壓、降雨、噪聲、大氣成分等有效數(shù)據(jù)。在這里，眾多的ZigBee設(shè)備負(fù)責(zé)采集個點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集，由ZigBee協(xié)調(diào)器進(jìn)行集中，然后再使用GSM等將采用的數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)測中心。

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