基于物聯(lián)網(wǎng)的智能自動(dòng)氣象站設(shè)計(jì)

許兵甲，黃飛龍

（1.廣東省氣象局機(jī)關(guān)服務(wù)中心，廣東廣州 510080；2.廣東省氣象探測(cè)數(shù)據(jù)中心，廣東廣州 510080）

目前，全國(guó)自動(dòng)氣象站數(shù)量已超過(guò)55 000個(gè)［1］，為臺(tái)風(fēng)、暴雨等氣象災(zāi)害的防災(zāi)減災(zāi)提供準(zhǔn)確可靠的觀測(cè)數(shù)據(jù)。

隨著城市群的發(fā)展和氣象服務(wù)多樣性需求增加，充分利用城市群先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)建智能泛在的氣象信息感知網(wǎng)是自動(dòng)氣象站的發(fā)展趨勢(shì)，而通過(guò)智能終端與周邊物聯(lián)網(wǎng)觀測(cè)設(shè)備的自動(dòng)連接，讓用戶可以實(shí)時(shí)獲取身邊的氣象數(shù)據(jù)，形成“觀測(cè)即服務(wù)”能力則是基本需求。地面氣象觀測(cè)技術(shù)發(fā)展必然與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和智能技術(shù)結(jié)合，并且同時(shí)滿足專(zhuān)業(yè)觀測(cè)與大眾服務(wù)要求［2］。在生產(chǎn)和服務(wù)行業(yè)領(lǐng)域，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)比較普遍，例如物聯(lián)網(wǎng)助力農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)化控制，在高壓輸配電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電纜狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)等。具有低延時(shí)、高帶寬的5G通信技術(shù)也已經(jīng)開(kāi)始在配電網(wǎng)保護(hù)中得到行業(yè)垂直應(yīng)用［3］。在物聯(lián)網(wǎng)所涉及多種的無(wú)線通信技術(shù)中，ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)距離可拓展到1.5 km，并可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的自組織和自愈功能，具有較高的健壯性和抗干擾性［4］。WiFi網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)今使用最廣泛的傳輸技術(shù)，配合HTML5等應(yīng)用層技術(shù)，設(shè)備數(shù)據(jù)可易于被用戶接受。而新興的5G網(wǎng)絡(luò)則能滿足實(shí)時(shí)性高、數(shù)據(jù)量大的應(yīng)用場(chǎng)景需求。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在國(guó)內(nèi)自動(dòng)氣象站觀測(cè)領(lǐng)域未得到深度的應(yīng)用。張李元等［5］通過(guò)NB-IoT網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫?，?shí)現(xiàn)了靈活的交互與網(wǎng)絡(luò)控制；鄒超等［6］在分布式自動(dòng)氣象站現(xiàn)場(chǎng)核查系統(tǒng)中應(yīng)用了無(wú)線遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)；馬賽飛等［7］嘗試了無(wú)線接入的多要素智能傳感器設(shè)計(jì)。業(yè)務(wù)使用的自動(dòng)氣象站仍不具備自組網(wǎng)和在線質(zhì)控功能，也無(wú)法提供便捷的WiFi接入與用戶智能端的控制管理，難以滿足智慧城市智能綜合觀測(cè)網(wǎng)所需的即時(shí)性、本地化和多樣性的建設(shè)需求，因此，本研究基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)氣象自動(dòng)站進(jìn)行智能設(shè)計(jì)，以增強(qiáng)自動(dòng)氣象站的自適應(yīng)能力和服務(wù)性能。

1 總體設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能自動(dòng)氣象站總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能自動(dòng)氣象站系統(tǒng)框架示意圖

自動(dòng)氣象站主要組成部件包括采集器、5G通信模塊和傳感器［8］。采集器采用高性能低功耗的ARM系列芯片，配置大容量Flash存儲(chǔ)芯片、16位模數(shù)采集芯片、ZIGBEE自組網(wǎng)模組和WiFi通信模式組。采集器通過(guò)端口連接模擬傳感器或數(shù)字傳感器，對(duì)電信號(hào)完成轉(zhuǎn)換、計(jì)算和統(tǒng)計(jì)后得到氣象要素的觀測(cè)值，并存儲(chǔ)于采集器flash中。數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)上傳到云中心，通過(guò)ZIGBEE模塊與其他智能采集器交互，或者通過(guò)WiFi模塊向本地用戶的智能終端提供特色服務(wù)。

通過(guò)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合，自動(dòng)氣象站增強(qiáng)了自身的場(chǎng)景適應(yīng)能力、觀測(cè)能力和應(yīng)用便利性，拓展了數(shù)據(jù)共享的渠道和空間，使得其自身不僅僅是一個(gè)傳統(tǒng)的孤立的測(cè)量節(jié)點(diǎn)，而且能夠利用無(wú)處不在的城市物聯(lián)網(wǎng)組成一個(gè)更大的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，發(fā)揮更大的數(shù)據(jù)影響力。

2 端口自適應(yīng)

傳統(tǒng)的自動(dòng)氣象站，不同的要素傳感器連接端口固定分配［9］，便于簡(jiǎn)化嵌入式采集處理程序，提高實(shí)時(shí)系統(tǒng)的效率，但不利于設(shè)備資源的共享。本設(shè)計(jì)采用數(shù)字傳感器智能感知和采集流程松耦合的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)端口地址和傳感器開(kāi)關(guān)標(biāo)識(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)映射管理，傳感器開(kāi)關(guān)標(biāo)識(shí)記錄端口號(hào)并直接控制秒和分鐘任務(wù)的執(zhí)行，傳感器可以任意更換端口，秒和分鐘采集任務(wù)可以隨時(shí)根據(jù)需要掛接或者取消，做到硬件資源和軟件任務(wù)的松耦合，既提高了端口的利用率也減少了軟件冗余運(yùn)行時(shí)間。同理，數(shù)字傳感器采集處理改變了傳統(tǒng)一對(duì)一的端口對(duì)接和任務(wù)管理方式，所有接口中斷匯聚到同一個(gè)中斷管理程序，在進(jìn)行格式識(shí)別和傳感器開(kāi)關(guān)檢查之后再調(diào)用秒和分鐘任務(wù)，智能化的處理方式提高了用戶使用的靈活性和資源的利用率。

3 ZIGBEE通信設(shè)計(jì)

ZIGBEE無(wú)線通信技術(shù)是基于蜜蜂相互間聯(lián)系的方式而研發(fā)生成的一項(xiàng)應(yīng)用于互聯(lián)網(wǎng)通信的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。該項(xiàng)技術(shù)尤其適用于自動(dòng)氣象站這一類(lèi)數(shù)據(jù)流量偏小的設(shè)備，便于靈活自組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)氣象站的類(lèi)型擴(kuò)展和要素的靈活安裝。

根據(jù)ZIGBEE模塊通信架構(gòu)，采集器的ZIGBEE節(jié)點(diǎn)可配置為協(xié)調(diào)器模式或路由器模式。自組網(wǎng)流程包括通信組網(wǎng)和站點(diǎn)組網(wǎng)兩部分。在采集器MCU發(fā)布搜尋已有網(wǎng)絡(luò)的指令之后，ZIGBEE模塊根據(jù)無(wú)線頻段和協(xié)議搜尋網(wǎng)絡(luò)，并在協(xié)調(diào)器分配節(jié)點(diǎn)號(hào)，即可與原有網(wǎng)絡(luò)的其他節(jié)點(diǎn)通信，完成通信組網(wǎng)。通過(guò)用戶配置站點(diǎn)號(hào)和工作模式，采集器可設(shè)置為主設(shè)備或者從設(shè)備，從設(shè)備將測(cè)量到的數(shù)據(jù)通過(guò)ZIGBEE網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)發(fā)送到主設(shè)備，主設(shè)備將所有節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)一處理，完成多種觀測(cè)要素?cái)?shù)據(jù)的同步計(jì)算、數(shù)據(jù)融合、整體存儲(chǔ)和5G遠(yuǎn)程傳輸。以ZIGBEE網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，附近不同的采集器可在同一個(gè)站點(diǎn)號(hào)的管理下組成一個(gè)觀測(cè)整體，實(shí)現(xiàn)不同氣象要素靈活的自組網(wǎng)觀測(cè)。

4 5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用

自動(dòng)氣象站作為一個(gè)專(zhuān)業(yè)的測(cè)量設(shè)備，需要對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行控制，提高數(shù)據(jù)的可靠性，而數(shù)據(jù)質(zhì)量控制所需要的參數(shù)（采樣變化率、氣候極值和氣象瞬時(shí)值變化率）與工作地點(diǎn)、季節(jié)和服務(wù)類(lèi)型有關(guān)。由于設(shè)備安裝地理位置和地區(qū)氣候的不同，質(zhì)控參數(shù)也不同；同一個(gè)設(shè)備在同一個(gè)地點(diǎn)的不同季節(jié)，氣候極值和變化速率也不同。如果設(shè)備使用地點(diǎn)沒(méi)有發(fā)生變化，但設(shè)備服務(wù)類(lèi)型被修改，不同的服務(wù)類(lèi)型對(duì)氣象要素的最大允許誤差要求也不同，因此相應(yīng)的質(zhì)量控制參數(shù)也應(yīng)該智能地變更。本設(shè)計(jì)自動(dòng)氣象站通過(guò)5G物聯(lián)網(wǎng)持續(xù)從云中心搜索本地區(qū)、本季節(jié)的歷史極值和變化率質(zhì)控規(guī)則，并將參數(shù)保存在自身的質(zhì)控規(guī)則庫(kù)中，實(shí)時(shí)改進(jìn)本設(shè)備的觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量。而某些極端天氣的實(shí)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)質(zhì)控，在質(zhì)控碼提出可疑告警之后，云中心將會(huì)根據(jù)附近其他自動(dòng)氣象站或者天氣雷達(dá)等多源數(shù)據(jù)對(duì)可疑數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，確認(rèn)無(wú)誤之后用于更新云中心歷史規(guī)則庫(kù)。通過(guò)5G物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的上傳和歷史規(guī)則的下載，實(shí)現(xiàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)閉環(huán)質(zhì)控的智能化，持續(xù)改進(jìn)自動(dòng)氣象站觀測(cè)質(zhì)量。

5 WiFi通信設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)與智能終端的實(shí)時(shí)連接并提供數(shù)據(jù)服務(wù)，采集器集成WiFi模塊，利用模塊的AP工作模式，實(shí)現(xiàn)無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)接入的web頁(yè)面配置和自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)服務(wù)和設(shè)備控制管理。

采集器MCU、WiFi模塊和智能終端三者之間采用異步的松耦合交互方式，在不影響采集器實(shí)時(shí)采集任務(wù)的同時(shí)滿足智能終端多用戶的交互需要。采集器主動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)包含每個(gè)氣象要素實(shí)時(shí)的觀測(cè)值以及采集器工作狀態(tài)值，在接收到WiFi參數(shù)命令之后，采集器MCU根據(jù)中斷處理程序馬上響應(yīng)，完成實(shí)時(shí)交互。而智能終端與WiFi則采用多用戶輪詢的異步方式，請(qǐng)求數(shù)據(jù)和返回?cái)?shù)據(jù)并不需要很強(qiáng)的實(shí)時(shí)性，WiFi環(huán)節(jié)起到數(shù)據(jù)緩沖和管理用戶的作用。通過(guò)命令系統(tǒng)和格式化數(shù)據(jù)協(xié)議，智能終端可通過(guò)WiFi網(wǎng)絡(luò)對(duì)自動(dòng)氣象站進(jìn)行系列操作，所查詢和設(shè)置的參數(shù)主要包括：臺(tái)站編號(hào)、時(shí)間日期、要素開(kāi)關(guān)、傳感器類(lèi)型、傳感器靈敏度、采集器主動(dòng)傳輸?shù)念l率、通信端口使能和模擬端口配置等。

為保證數(shù)據(jù)安全，通過(guò)設(shè)備端和通信環(huán)節(jié)2個(gè)方面進(jìn)行控制：在采集器端，通過(guò)用戶賬號(hào)權(quán)限管理進(jìn)行可控的交互，一般用戶只能被動(dòng)接收輸出數(shù)據(jù)，超級(jí)用戶可對(duì)采集器的參數(shù)進(jìn)行查詢和設(shè)置；在WiFi通信配置白名單和加密傳輸，限制登錄的對(duì)象和頻次。

6 設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)

采集器主板實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集、站內(nèi)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制算法和3種物聯(lián)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，通信板實(shí)現(xiàn)ZigBee和WiFi兩種無(wú)線模塊的硬件集成。通過(guò)傳感器端口自適應(yīng)算法，模擬傳感器可以在4個(gè)模擬接線端子插座上任意互換，數(shù)字傳感器可以在3個(gè)數(shù)字接線端子插座上任意互換。通過(guò)ZigBee自組網(wǎng)，無(wú)5G網(wǎng)絡(luò)的單站A、單站C可以與附近具有5G網(wǎng)絡(luò)的單站B組成一個(gè)局部探測(cè)網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)B站的5G傳輸功能將分鐘數(shù)據(jù)集中發(fā)送到遠(yuǎn)程服務(wù)器上。

智能自動(dòng)氣象站附近20 m范圍內(nèi)的公眾可以使用手機(jī)、平板或者室內(nèi)智能電視機(jī)連接到智能氣象站的AP熱點(diǎn)，打開(kāi)瀏覽器查看實(shí)時(shí)的氣象站觀測(cè)數(shù)據(jù)。瀏覽器每分鐘更新顯示最新的觀測(cè)要素測(cè)量值，通過(guò)刷新操作，也可以調(diào)取最新的采樣數(shù)值。通過(guò)“更多”按鍵查看某一個(gè)氣象要素一天的發(fā)展趨勢(shì)的時(shí)候，歷史數(shù)據(jù)從TF卡緩存直接調(diào)用，體驗(yàn)較為流暢，且沒(méi)有影響自動(dòng)氣象站的實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)正常工作。在用于社會(huì)化觀測(cè)的時(shí)候，自動(dòng)氣象站的WiFi也可以設(shè)置為STA模式連接到附近的公眾網(wǎng)絡(luò)，向云服務(wù)器發(fā)送觀測(cè)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)樣機(jī)從2020年12月到2021年12月試運(yùn)行期間無(wú)故障，可靠性得到驗(yàn)證。

智能自動(dòng)站目前已經(jīng)業(yè)務(wù)應(yīng)用于便攜式移動(dòng)觀測(cè)，并且在臺(tái)風(fēng)抗性試驗(yàn)中百米高鐵多層風(fēng)的無(wú)線自組網(wǎng)觀測(cè)中得到應(yīng)用。

本設(shè)計(jì)將ZIGBEE、5G和WiFi等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與自動(dòng)氣象站融合設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)觀測(cè)設(shè)備的新一代發(fā)展，既增強(qiáng)了自動(dòng)氣象站在城市復(fù)雜環(huán)境的自適應(yīng)能力和擴(kuò)展能力，充分利用智慧城市的網(wǎng)絡(luò)資源，也通過(guò)實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)的閉環(huán)反饋將觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量提高，為數(shù)據(jù)在預(yù)報(bào)或者公眾出行參考應(yīng)用提供更加可靠的數(shù)據(jù)支撐。由于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用了無(wú)線傳輸?shù)墓_(kāi)頻段，在個(gè)別場(chǎng)合可能由于用戶太多或者其他同類(lèi)設(shè)備造成頻段擁塞和信號(hào)干擾，本設(shè)計(jì)將在無(wú)線通信頻段和信道自動(dòng)探測(cè)和選擇上進(jìn)一步完善，提高傳輸性能和用戶體驗(yàn)。