自動氣象站4G數(shù)據(jù)服務(wù)中心軟件的設(shè)計與應(yīng)用

黃宏智，呂玉嫦，鐘翠霞

(1.廣東省氣象探測數(shù)據(jù)中心，廣州 510080；2.廣州市黃埔區(qū)氣象局，廣州 510080)

0 引言

廣東省基于移動4G無線組網(wǎng)集中采集的氣象探測數(shù)據(jù)有：3200多個區(qū)域自動氣象站、31個生物舒適度站、31個土壤水分站、9個交通站以及49個海島自動氣象站。由此可見，4G無線采集已成為廣東省最主要的數(shù)據(jù)傳輸方式。

在數(shù)據(jù)應(yīng)用流程上，廣東省氣象局自動氣象站中心采集軟件負(fù)責(zé)收集全省各地運(yùn)行的各種類別自動氣象站上行的原始數(shù)據(jù)，一路按照指定數(shù)據(jù)格式形成報文上傳到中國氣象局[1]，另外一路通過判別站點歸屬地將原始數(shù)據(jù)傳輸至對應(yīng)的市局，再由市局分發(fā)至下轄縣(區(qū))局以提供數(shù)據(jù)服務(wù)。

基于上述業(yè)務(wù)架構(gòu)，從廣東省的自動氣象站業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流程出發(fā)，需開發(fā)一個自動氣象站4G數(shù)據(jù)服務(wù)中心軟件，連接省局和市局端的數(shù)據(jù)傳輸，解決區(qū)域自動氣象站、生物舒適度站、土壤水分站、生態(tài)自動氣象站等多類別站點數(shù)據(jù)實時分發(fā)的難題，使各地級市局和下轄縣(區(qū))局實時獲取各類設(shè)備觀測數(shù)據(jù)，為天氣預(yù)報預(yù)警服務(wù)提供有力的數(shù)據(jù)支撐。文章著重介紹了自動氣象站4G數(shù)據(jù)服務(wù)中心軟件的模塊結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)并發(fā)接收、數(shù)據(jù)報組包及校驗和數(shù)據(jù)分發(fā)等內(nèi)容。

1 軟件總體架構(gòu)

軟件基于各類別自動氣象站中心采集軟件的分布式部署架構(gòu)，采用多線程和TCP/UDP通信技術(shù)進(jìn)行設(shè)計[2]，主要涵蓋3部分內(nèi)容：1)數(shù)據(jù)并發(fā)接收：針對每類自動氣象站設(shè)備創(chuàng)建一條數(shù)據(jù)接收處理線程，采用TCP通信協(xié)議與上位機(jī)中心采集軟件建立數(shù)據(jù)傳輸鏈路，閑時，線程處于監(jiān)聽狀態(tài)，忙時，線程將接收到的數(shù)據(jù)報存儲在開辟的內(nèi)存中；2)數(shù)據(jù)報組報及校驗：對存儲在內(nèi)存中的零散分報文進(jìn)行組報，組合完畢的報文應(yīng)包含正確的相應(yīng)設(shè)備數(shù)據(jù)格式報頭及報尾，對組合后的報文進(jìn)行校驗，若通過則進(jìn)行分發(fā)待處理，否則將報文作錯誤處理進(jìn)行丟棄；3)數(shù)據(jù)分發(fā)：根據(jù)配置的區(qū)域自動氣象站、生物舒適度站、土壤水分站等數(shù)據(jù)接收目標(biāo)IP地址，創(chuàng)建UDP協(xié)議數(shù)據(jù)分發(fā)線程，實時將完整報文(部分?jǐn)?shù)據(jù)需要格式轉(zhuǎn)換)分發(fā)至各縣(區(qū))局的業(yè)務(wù)軟件進(jìn)行顯示處理。

2 軟件詳細(xì)設(shè)計

自動氣象站4G數(shù)據(jù)服務(wù)中心軟件的設(shè)計基于Microsoft Visual Studio 2010開發(fā)平臺，綜合采用多線程并發(fā)處理、TCP數(shù)據(jù)流接收、UDP數(shù)據(jù)流分發(fā)等技術(shù)實現(xiàn)市級氣象局對各類自動氣象站數(shù)據(jù)同步接收及分發(fā)至各縣(區(qū))局進(jìn)行顯示、存儲以及報文制作等。

2.1 創(chuàng)建數(shù)據(jù)接收線程

自動氣象站4G數(shù)據(jù)服務(wù)中心軟件根據(jù)設(shè)備類型的配置情況，為每類設(shè)備創(chuàng)建一條數(shù)據(jù)接收線程，利用TCP傳輸協(xié)議單向接收省局上位機(jī)采集中心軟件高速下行的數(shù)據(jù)流[3]。以區(qū)域自動氣象站為例，軟件啟動時，先讀取區(qū)域自動氣象站的通信配置參數(shù)正確與否，若為正確，則創(chuàng)建TCP數(shù)據(jù)流監(jiān)聽線程，將其設(shè)置為后臺線程并激活。線程的功能及流程是首先與上位機(jī)服務(wù)器建立TCP通信連接，然后實時接收上位機(jī)服務(wù)器下行的數(shù)據(jù)報[4]，并存儲在內(nèi)存數(shù)組中。關(guān)鍵代碼說明如下：

①TCP_Client = new Socket(AddressFamily.InterNetwork，SocketType.Stream，ProtocolType.Tcp)；

TCP_Client.Connect(ServerIP，ServerPort)；

首先創(chuàng)建服務(wù)器端監(jiān)聽Socket，采用IP4尋址協(xié)議、流式連接、TCP協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)等模式，然后根據(jù)配置的IP地址、端口號進(jìn)行連接服務(wù)器。

②byte[] recv_buf = new byte[1000]；

int receiveLength = TCP_Client.Receive(recv_buf)；

開辟存儲容量為1000字節(jié)的緩沖區(qū)，循環(huán)接收上位機(jī)服務(wù)器下行的TCP數(shù)據(jù)流，并把他依序放進(jìn)緩沖區(qū)內(nèi)。

2.2 數(shù)據(jù)報文綜合處理

軟件配置了一個工作時間周期為50 ms的定時器，首先定時依次從接收緩沖區(qū)序列中取出子報文，然后對各段子報文進(jìn)行組包并進(jìn)行完整性檢驗。以區(qū)域自動氣象站的ASCII報文為例，如果組合后的報文包含有報頭特征符“BG”和報尾特征符“ED”，并通過報文長度校驗，則視為完整的一個報文，否則繼續(xù)組合下一段子報文。當(dāng)報文完整性檢驗完畢，接著根據(jù)區(qū)域自動氣象站的數(shù)據(jù)字典格式進(jìn)行各個要素的解析。數(shù)據(jù)解析時，軟件根據(jù)各個要素的標(biāo)識符，如氣溫變量名稱為AAA，濕度變量名稱為ADA等對報文進(jìn)行要素報文段定位，然后再檢索提取出該要素的實時值、小時極大值、小時極小值以及極值出現(xiàn)時間等統(tǒng)計量[5]。最后根據(jù)部署在縣(區(qū))局自動氣象站數(shù)據(jù)處理與顯示終端軟件對設(shè)備報文格式的要求，將各要素的ASCII值加上報頭報尾封裝成十六進(jìn)制的報文。

2.3 UDP數(shù)據(jù)報發(fā)送

在數(shù)據(jù)綜合處理模塊對接收到的原始報文進(jìn)行解析及格式轉(zhuǎn)換后，立刻啟動數(shù)據(jù)UDP發(fā)送線程，根據(jù)配置的縣(區(qū))局接收數(shù)據(jù)服務(wù)器的IP地址清單，以數(shù)據(jù)流的形式利用UDP協(xié)議發(fā)送至自動氣象站數(shù)據(jù)處理與顯示終端、舒適度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等業(yè)務(wù)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示、存儲和報文制作等。

數(shù)據(jù)報的發(fā)送采用了一個無連接的傳輸協(xié)議：用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議(User Datagram Protocol)。UDP是OSI參考模型中一種無連接的傳輸層協(xié)議，他主要用于不要求分組順序到達(dá)的傳輸中，分組傳輸順序的檢查與排序由應(yīng)用層完成[6]。

3 結(jié)束語

隨著廣東省氣象現(xiàn)代化進(jìn)程不斷推進(jìn)和氣象防災(zāi)減災(zāi)需求日益增長，越來越多類別的自動氣象站將會在全省各地部署運(yùn)行，以提供精細(xì)化的氣象觀測數(shù)據(jù)。因此，設(shè)計一個高效的自動氣象站4G數(shù)據(jù)服務(wù)中心軟件尤為重要。

目前，自動氣象站4G數(shù)據(jù)服務(wù)中心軟件已在全省21個地級市的氣象局業(yè)務(wù)應(yīng)用3 a多，為市、縣(區(qū))氣象局的區(qū)域自動氣象站、海島自動氣象站、土壤水分站、生物舒適度站等8類設(shè)備提供實時的觀測數(shù)據(jù)，為當(dāng)?shù)氐臍庀箢A(yù)報預(yù)警和防災(zāi)減災(zāi)服務(wù)提供高時空分辨力的數(shù)據(jù)支撐。同時，市局和縣(區(qū))技術(shù)保障人員通過該軟件能夠及時掌握管理區(qū)域的各站點設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和數(shù)據(jù)質(zhì)量，實現(xiàn)對業(yè)務(wù)質(zhì)量不規(guī)范的站點做到及時維護(hù)[7]。