氣象智能機頂盒服務(wù)系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)*

錢崢 朱純陽 張晶晶 林宏偉

(1.寧波市氣象服務(wù)中心，浙江 寧波 315012;2.寧波市鎮(zhèn)海區(qū)氣象局，浙江 寧波 315194;3.寧波市北侖區(qū)氣象局，浙江 寧波 315826;4.寧波市慈溪市氣象局，浙江 寧波 315300)

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)被稱為繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)后，信息產(chǎn)業(yè)的第三次浪潮[1]。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在氣象行業(yè)中主要應(yīng)用于氣象數(shù)據(jù)采集和氣象服務(wù)發(fā)布領(lǐng)域，對于提升氣象行業(yè)的信息化、智能化水平有著非常重要的意義。

智能機頂盒是指內(nèi)置CPU處理器和操作系統(tǒng)，用戶可以方便地獲取定制化應(yīng)用軟件的機頂盒終端[2]。智能機頂盒在配置上具有硬件開源、功能模塊化、網(wǎng)絡(luò)接口豐富、二次開發(fā)容易等特點。智能機頂盒能在內(nèi)容表現(xiàn)形式、互動性和擴展性等方面給用戶帶來全新的體驗[3]。

智能網(wǎng)格預(yù)報利用云計算、互聯(lián)網(wǎng)+、人工智能等現(xiàn)代信息技術(shù)和氣象大數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)來改造傳統(tǒng)預(yù)報業(yè)務(wù)，從而實現(xiàn)業(yè)務(wù)技術(shù)客觀智能，業(yè)務(wù)流程扁平高效，滾動制作、實時同步、協(xié)同一致的網(wǎng)格預(yù)報制作[4]。這種統(tǒng)一數(shù)據(jù)源的“一張網(wǎng)”網(wǎng)格預(yù)報業(yè)務(wù)是中國氣象部門未來業(yè)務(wù)發(fā)展方向。這種網(wǎng)格空間分辨率5 km，逐3 h發(fā)布的未來10 d預(yù)報產(chǎn)品是實現(xiàn)基于位置的精細化氣象服務(wù)的基礎(chǔ)[5]。

我國自然災(zāi)害多發(fā)、頻發(fā)，是世界上受自然災(zāi)害影響最為嚴重的國家之一，自然災(zāi)害嚴重危害了人民群眾生命財產(chǎn)安全和生產(chǎn)生活秩序。氣象信息的準確、及時發(fā)布是降低自然災(zāi)害對社會公眾造成損失的基礎(chǔ)條件，也是氣象部門面臨的重要而且急迫的任務(wù)[6]。近年來國內(nèi)氣象部門在利用新技術(shù)進行預(yù)警信息分發(fā)方面做了許多嘗試[7-9]。周捷等研究了基于多媒體技術(shù)的氣象災(zāi)害預(yù)警信息發(fā)布系統(tǒng)[10]；陳往溪等通過采用無線廣域廣播系統(tǒng)和預(yù)警電話機組建高集成的突發(fā)災(zāi)害預(yù)警平臺[11]；李娜等研究了短信小區(qū)廣播技術(shù)在解決高時效信息發(fā)布的應(yīng)用問題[12]。

目前寧波氣象部門已經(jīng)建設(shè)了一套涵蓋短信、電視、電話、廣播、網(wǎng)絡(luò)、顯示屏等多渠道的突發(fā)預(yù)警信息發(fā)布平臺。該平臺渠道豐富、用戶覆蓋面廣，但仍存在一些不足：1)信息的分發(fā)高度依賴服務(wù)提供商，發(fā)布渠道煙囪式，發(fā)布時效性不高；2)信息分發(fā)的智能化程度不高，難以做到靶向式發(fā)布，無法支撐基于位置的精細化氣象服務(wù)需求；3)信息單向發(fā)布，缺乏交互式反饋。

本文介紹的氣象智能機頂盒服務(wù)系統(tǒng)，是依托寧波氣象部門現(xiàn)有的業(yè)務(wù)環(huán)境，在網(wǎng)格預(yù)報預(yù)警產(chǎn)品發(fā)布技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)上研發(fā)的智能化、扁平化、可視化的多媒體氣象信息發(fā)布系統(tǒng)。

1 架構(gòu)與功能設(shè)計

1.1 環(huán)境條件

氣象智能機頂盒設(shè)備可以通過物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)和服務(wù)端進行通訊。設(shè)備硬件以當(dāng)前迅速興起的開源硬件為基礎(chǔ)，其中主要用到的是樹莓派微電腦系統(tǒng)。它具有與計算機相同的功能和接口，具有多媒體處理能力，具有體積小巧、可擴展性強等特點。使用通用端口(GPIO)來控制外部設(shè)備，通過針腳賦值高低電平以實現(xiàn)對外部設(shè)備的交互。硬件功能見圖1。

圖1 樹莓派硬件功能圖

系統(tǒng)采用Java語言開發(fā)，開發(fā)環(huán)境為Eclipse 3.8、Spring Boot 1.5.3、VUE 2.0、NODE JS 7.9.0 ，運行環(huán)境為UBUNTU LIUNX 14.04。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)通過研發(fā)一款氣象智能機頂盒客戶端設(shè)備并以此為基礎(chǔ)建立氣象信息發(fā)布系統(tǒng)，系統(tǒng)不僅能以文字、圖片、圖表、聲音和高清視頻等多媒體形式將基于位置的天氣實況、天氣預(yù)報、應(yīng)急預(yù)警信息快速發(fā)布到客戶端，并通過高清晰度多媒體接口(High Definition Multimedia Interface，HDMI)展示到4K高清電視、觸摸屏、戶外LED大屏等展示設(shè)備上。而且能通過無線物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與周邊的傳感器設(shè)備通訊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)圖

系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖2所示，系統(tǒng)由服務(wù)端和客戶端兩部分組成。服務(wù)端包括數(shù)據(jù)中心、數(shù)據(jù)接口服務(wù)和系統(tǒng)管理平臺?？蛻舳擞蓺庀笾悄軝C頂盒、高清顯示設(shè)備組成，機頂盒與顯示設(shè)備通過HDMI接口連接。

系統(tǒng)為了提升系統(tǒng)性能，提高可靠性。系統(tǒng)改進了服務(wù)器端架構(gòu)，通過引入微服務(wù)架構(gòu)(Microservices Architecture Pattern)技術(shù)優(yōu)化服務(wù)效率。系統(tǒng)主要由以下3部分組成：

1)數(shù)據(jù)接口服務(wù)

負責(zé)響應(yīng)客戶端設(shè)備發(fā)起的數(shù)據(jù)請求，通過WebService數(shù)據(jù)接口的方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)和指令的交互。

2)系統(tǒng)管理平臺

負責(zé)管理客戶端設(shè)備以安全的通訊方式接入系統(tǒng)，實現(xiàn)用戶管理和權(quán)限管理，以微服務(wù)架構(gòu)的方式發(fā)布氣象信息。

3)客戶端設(shè)備

負責(zé)將來自服務(wù)端的數(shù)據(jù)展示在顯示設(shè)備上，通過用戶交互方式收集服務(wù)反饋并上傳服務(wù)端。

這種設(shè)計有如下優(yōu)點：

首先服務(wù)端采用微服務(wù)架構(gòu)，微服務(wù)是去中心化的分布式軟件架構(gòu)，它可以將大型的、復(fù)雜的、長期運行的應(yīng)用程序構(gòu)建為一組相互配合的服務(wù)，提高開發(fā)效率；服務(wù)之間可以獨立部署，微服務(wù)架構(gòu)讓持續(xù)部署成為可能；每個服務(wù)可以各自進行擴展；每個服務(wù)可以根據(jù)自身的需要部署到合適的硬件上，提高了系統(tǒng)可靠性和靈活度。

其次使用數(shù)據(jù)接口服務(wù)來實現(xiàn)跨平臺的數(shù)據(jù)交換，數(shù)據(jù)接口是目前比較流行的一種互聯(lián)網(wǎng)軟件架構(gòu)。它結(jié)構(gòu)清晰、符合標準、擴展方便，這種機制可以實現(xiàn)松耦合、應(yīng)用擴展性和異構(gòu)系統(tǒng)間的互操作性。

再次數(shù)據(jù)計算與產(chǎn)品生成任務(wù)交給分布式的管理平臺?？蛻舳瞬恍枰罅康挠嬎闾幚砼c存儲需求，降低了客戶端的實現(xiàn)難度和硬件要求。

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計

軟件系統(tǒng)采用了基于B/S(Browser/Server)架構(gòu)的3層設(shè)計模式。業(yè)務(wù)層采用Web服務(wù)技術(shù)完成與數(shù)據(jù)層的交互，表現(xiàn)層使用JavaScript技術(shù)提高人機交互體驗，而數(shù)據(jù)層由數(shù)據(jù)接口和消息隊列實現(xiàn)松耦合。在系統(tǒng)實現(xiàn)過程中，采用了多種開源軟件包，如Tomcat、Apache、ActiveMQ等。

2.1 服務(wù)端軟件設(shè)計

服務(wù)端軟件負責(zé)將精細化觀測、預(yù)報、預(yù)警數(shù)據(jù)以RESTful Web Services數(shù)據(jù)接口的形式發(fā)布到客戶端。通過服務(wù)端軟件，系統(tǒng)管理員能實現(xiàn)對客戶端設(shè)備和服務(wù)內(nèi)容的高效管理。實現(xiàn)了通過數(shù)據(jù)接口與客戶端交換信息和通過消息隊列實時推送應(yīng)急信息到客戶端的功能。軟件流程圖見圖3，服務(wù)端軟件主要由以下5個模塊組成。

圖3 服務(wù)端軟件流程圖

1)消息隊列模塊

負責(zé)服務(wù)端與客戶端之間的高效通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)和指令的交互。采用消息隊列技術(shù)來解決異構(gòu)系統(tǒng)間的解耦與異步通信問題，降低了開發(fā)難度，并提供了功能上的擴展性。

2)設(shè)備管理模塊

具有客戶端設(shè)備的定位功能，能確保服務(wù)的靶向性發(fā)布。并以GIS(Geographic Information System)的形式為用戶提供終端管理功能。能夠?qū)崿F(xiàn)客戶端內(nèi)容展示策略配置的功能，當(dāng)配置發(fā)生變化時，能夠及時存儲并發(fā)送內(nèi)容展示策略到客戶端。此外還具備客戶端設(shè)備訪問權(quán)限、版本管理等設(shè)備配置功能。

3)數(shù)據(jù)加工模塊

不同的展示內(nèi)容需要不同的內(nèi)容幀來支撐，數(shù)據(jù)加工模塊負責(zé)內(nèi)容幀的生成。模塊需要定時從數(shù)據(jù)接口獲取數(shù)據(jù)并按預(yù)設(shè)的規(guī)則生成內(nèi)容幀，并按幀/時間的格式記錄到數(shù)據(jù)中心。

4)數(shù)據(jù)服務(wù)模塊

以Web Services數(shù)據(jù)接口的形式與客戶端通訊，提供調(diào)用數(shù)據(jù)中心的內(nèi)容幀來響應(yīng)來自客戶端的請求，以及將客戶端上傳的數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)中心的功能。該模塊實現(xiàn)對接口的標準化管理，向管理人員提供包括接口管理、權(quán)限管理等功能。

5)應(yīng)急信息發(fā)布模塊

模塊以網(wǎng)頁提交的方式提供手動發(fā)布應(yīng)急信息的功能。用戶可以在GIS地圖上圈選產(chǎn)品發(fā)布的范圍，發(fā)布的產(chǎn)品根據(jù)需要可以存儲到數(shù)據(jù)中心以供數(shù)據(jù)服務(wù)模塊調(diào)用，也可以通過消息隊列直接推送到客戶端。

2.2 客戶端軟件設(shè)計

終端軟件負責(zé)定時獲取來自服務(wù)端的內(nèi)容幀，并根據(jù)管理平臺定義的內(nèi)容展示策略將各種內(nèi)容幀以文字、圖片、音頻、視頻以瀏覽器的形式輸出到顯示器，并實現(xiàn)軟件自動管理。軟件流程圖見圖4。

客戶端和服務(wù)端軟件通過建立消息隊列，實現(xiàn)客戶端訂閱服務(wù)端廣播的顯示事件和升級事件的功能。當(dāng)顯示事件到達時，客戶端軟件將調(diào)用命令以全屏模式(kiosk)打開一個網(wǎng)頁瀏覽器來展示內(nèi)容幀。

圖4 客戶端軟件流程圖

每個顯示事件代表需要展示的一個內(nèi)容幀，幀包括顯示的界面元素配置、展示內(nèi)容組織和展示時長等信息。幀數(shù)據(jù)優(yōu)先從本地緩存文件中獲取，如果不存在則從服務(wù)端獲取。如果網(wǎng)絡(luò)故障則使用本地存儲的數(shù)據(jù)。當(dāng)展示時間超過定義時長，狀態(tài)監(jiān)測機制自動創(chuàng)建下一個展示事件并發(fā)送給瀏覽器。視頻播放幀由于視頻的時長不定且有可能被用戶暫?；蛘呖爝M，因此狀態(tài)監(jiān)測機制通過捕捉視頻結(jié)束事件，并以該事件來觸發(fā)下一個顯示事件的創(chuàng)建。

軟件升級也是通過事件來實現(xiàn)，升級事件中含有升級包的URL地址，當(dāng)收到升級事件推送后，客戶端將根據(jù)URL地址下載并暫存升級包，然后觸發(fā)客戶端軟件重啟，客戶端軟件的啟動過程中如果識別到存在新的升級包，將執(zhí)行自動升級指令。

3 核心功能的設(shè)計與實現(xiàn)

系統(tǒng)提供的服務(wù)是依托現(xiàn)有數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)環(huán)境，應(yīng)用精細化氣象服務(wù)產(chǎn)品和物聯(lián)網(wǎng)軟硬件技術(shù)為基礎(chǔ)研發(fā)的，有以下幾個核心功能。

3.1 客戶端安全設(shè)計

在客戶端的安全設(shè)計方面系統(tǒng)采用了定制化人機交互界面、數(shù)據(jù)接口權(quán)限控制和終端位置審核機制來實現(xiàn)。在人機交互界面系統(tǒng)采用全屏式多媒體瀏覽器技術(shù)Kiosk，它通過事件接口接收用戶的交互指令，并通過網(wǎng)絡(luò)連接提供特定的服務(wù)功能。它能通過鎖定應(yīng)用程序來阻止用戶惡意攻擊或入侵信息系統(tǒng)，能有效解決客戶端系統(tǒng)安全問題。其核心代碼如下：

String[] omxCommand = {"chromium-browser--kiosk http://localhost:7070"};

//客戶端軟件以kiosk模式打開一個瀏覽器頁面，訪問URL為http://localhost:7070。

process= new ProcessBuilder(omxCommand).start();

//啟動瀏覽器子進程

由于客戶端設(shè)備通過HDMI接口連接顯示屏，因此顯示屏實際顯示的是http://localhost:7070對應(yīng)的web頁面。進程啟動時，將自動為當(dāng)前客戶端軟件建立一個websocket連接和一個顯示狀態(tài)監(jiān)測線程，該線程負責(zé)創(chuàng)建展示事件?？蛻舳说娘@示數(shù)據(jù)及其顯示配置通過websocket消息(展示事件)推送到瀏覽器，瀏覽器將動態(tài)展示渲染的數(shù)據(jù)內(nèi)容。websocket消息能有效保障數(shù)據(jù)分發(fā)的實時性和一致性。

人機交互界面使用Kiosk不僅可以實現(xiàn)遠程更新終端的內(nèi)容和上傳用戶反饋信息的功能，而且它還是保護面向公眾服務(wù)的設(shè)備免遭黑客攻擊，阻止未經(jīng)授權(quán)訪問的關(guān)鍵組件。

此外，系統(tǒng)還通過數(shù)據(jù)接口權(quán)限控制策略配置了每個終端的訪問口令和權(quán)限，只有符合權(quán)限要求的訪問請求才會被響應(yīng)，避免了數(shù)據(jù)泄露的安全風(fēng)險。

系統(tǒng)具備終端位置審核機制，該機制是根據(jù)每次設(shè)備向服務(wù)端提交數(shù)據(jù)請求時校驗設(shè)備位置是否與數(shù)據(jù)中心存儲的預(yù)設(shè)位置相匹配，當(dāng)位置不匹配時停止響應(yīng)數(shù)據(jù)請求并觸發(fā)信息通知系統(tǒng)管理員。該機制能確?？蛻舳嗽O(shè)備在預(yù)設(shè)位置被合規(guī)使用。

3.2 Spring Boot微服務(wù)

隨著互聯(lián)網(wǎng)和軟件技術(shù)的發(fā)展,軟件系統(tǒng)架構(gòu)從單體式架構(gòu)到面向服務(wù)架構(gòu)一直在不斷演進。但是傳統(tǒng)的面向服務(wù)的模塊化架構(gòu)也存在集中化、成本高、維護難等問題，即使開發(fā)一個簡單的功能，也需要進行大量的配置聲明，以及大量繁瑣的注解。使得開發(fā)一個氣象業(yè)務(wù)系統(tǒng)的技術(shù)門檻比較高,而且業(yè)務(wù)可靠性難以保障。

面對這些問題,本系統(tǒng)通過采用Spring Boot微服務(wù)架構(gòu)方式，優(yōu)化系統(tǒng)服務(wù)的構(gòu)建和管理。Spring Boot能夠快速的搭建 RESTful風(fēng)格的后臺服務(wù)，通過默認配置以及注解，使得開發(fā)者不用面對大量繁瑣的配置文件。Spring Boot能將一個大而全的軟件開發(fā)需求拆分為若干獨立開發(fā)、獨立部署的軟件，并使之協(xié)同工作來完成同樣的軟件功能。模塊化架構(gòu)中功能模塊的故障還是會導(dǎo)致整個服務(wù)停止。采用微服務(wù)框架開發(fā)，即使一個微服務(wù)發(fā)生故障也不影響整個服務(wù)的正常運行。服務(wù)可以在不影響全局情況下進行改變或替換,能有效提升系統(tǒng)的可靠性。由于Spring Boot提供極其快速和簡化的操作，使用者能夠快速掌握該框架，從而專注于氣象服務(wù)核心業(yè)務(wù),提高研發(fā)效率。

4 業(yè)務(wù)應(yīng)用

系統(tǒng)自2018年7月起在寧波地區(qū)投入業(yè)務(wù)運行以來，系統(tǒng)業(yè)務(wù)化成果已經(jīng)應(yīng)用于寧波市突發(fā)公共事件預(yù)警信息發(fā)布平臺、寧波半邊山旅游度假區(qū)氣象服務(wù)平臺、臺州市黃巖區(qū)氣象局暴雨精細化監(jiān)測預(yù)報預(yù)警系統(tǒng)。本著邊應(yīng)用、邊開發(fā)、邊改進的理念，根據(jù)不同的應(yīng)用場景和不同的服務(wù)對象，定制開發(fā)針對性的服務(wù)功能和展示界面，使得這種靈活的服務(wù)方式能快速被用戶接受。

客戶端效果圖如圖5。

圖5 客戶端效果圖

在功能方面，以寧波半邊山旅游度假區(qū)氣象服務(wù)平臺為例，不僅為其提供了基于度假區(qū)位置的精細化氣象服務(wù)，而且通過程序開發(fā)增加了二維碼功能實現(xiàn)了用戶反饋的收集與引流至微信公眾號的功能。從應(yīng)用反饋來看，這種扁平化的信息分發(fā)手段，比較適合在人流密集的公共場所使用。

5 結(jié) 語

系統(tǒng)把智能機頂盒終端與氣象信息服務(wù)結(jié)合在一起。通過資源整合與功能開發(fā)實現(xiàn)了基于位置的氣象服務(wù)產(chǎn)品以文字、圖片、動畫、視頻等形式在智能機頂盒端發(fā)布。通過設(shè)備定位技術(shù)實現(xiàn)了氣象服務(wù)產(chǎn)品的靶向性分發(fā)。系統(tǒng)支持高清顯示器、觸摸屏和LED戶外大屏，具有多媒體交互界面，能充分發(fā)揮智能機頂盒設(shè)備特性，靈活通過遙控器、觸控操作與二維碼實現(xiàn)與用戶的互動，及時獲取服務(wù)反饋。系統(tǒng)通過各種技術(shù)手段、訪問策略和審核機制提升了安全性。

系統(tǒng)的建設(shè)豐富了氣象信息尤其是災(zāi)害預(yù)警信息的傳播渠道，增強了氣象部門在氣象災(zāi)害預(yù)警信息和智能網(wǎng)格預(yù)報產(chǎn)品的分發(fā)能力，發(fā)揮地方氣象部門在短時臨近氣象服務(wù)中的本地化優(yōu)勢，為用戶提供更加精細的多媒體氣象服務(wù)產(chǎn)品。下一步將繼續(xù)加大系統(tǒng)的推廣應(yīng)用力度，使之在氣象災(zāi)害防御、專業(yè)服務(wù)、公眾服務(wù)領(lǐng)域為用戶提供更加深入的應(yīng)用。