地面氣象觀測(cè)站運(yùn)行監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

左湘文，肖建輝，荀家寶，劉青松，張 磊

(1.中國(guó)氣象局旱區(qū)特色農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警與風(fēng)險(xiǎn)管理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，銀川 750002；2.寧夏氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，銀川 750002； 3.寧夏大氣探測(cè)技術(shù)保障中心，銀川 750006)

0 引言

隨著我國(guó)氣象事業(yè)不斷發(fā)展，越來(lái)越多地面氣象觀測(cè)站投入使用，目前全國(guó)已建成國(guó)家級(jí)地面氣象觀測(cè)站約2 400套，省級(jí)地面氣象觀測(cè)站近60 000套。地面氣象觀測(cè)站觀測(cè)數(shù)據(jù)為氣象預(yù)報(bào)預(yù)警、氣象服務(wù)業(yè)務(wù)開(kāi)展提供了有力的觀測(cè)支撐。隨著站點(diǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，基層氣象部門維修保障壓力顯著增加。地面氣象站上傳的報(bào)文或流數(shù)據(jù)主要為氣溫、濕度、氣壓、降水、風(fēng)速、風(fēng)向等氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)，部分關(guān)鍵的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)并不上傳，而且數(shù)據(jù)上傳頻率為一小時(shí)，維修保障人員無(wú)法全面且及時(shí)地掌握設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。有些站點(diǎn)地處偏遠(yuǎn)，處于無(wú)人值守狀態(tài)，當(dāng)主采集器或分采集器出現(xiàn)死機(jī)時(shí)需要奔赴現(xiàn)場(chǎng)重啟解決，大大降低了維修保障工作時(shí)效。為提高地面氣象觀測(cè)站平均無(wú)故障時(shí)間和數(shù)據(jù)正確率，并降低基層氣象部門維修保障人員勞動(dòng)強(qiáng)度，開(kāi)展地面自動(dòng)氣象站遠(yuǎn)程運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)與控制方法研究迫在眉睫。

目前國(guó)內(nèi)在地面氣象觀測(cè)站運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)與遠(yuǎn)程控制方面已取得了一些成果。在運(yùn)行監(jiān)測(cè)方面，吳頻頻等設(shè)計(jì)了一種地面氣象觀測(cè)站監(jiān)測(cè)軟件[1]，能夠?qū)φ军c(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)異常狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，但是該軟件是通過(guò)獲取站點(diǎn)上傳的氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)控，并不能獲取地面氣象觀測(cè)站存在本地的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)。楊維發(fā)等設(shè)計(jì)了一種便攜式地面氣象觀測(cè)站故障分析儀[2]可在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)地面氣象觀測(cè)站各種傳感器運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)和判斷，但不能實(shí)現(xiàn)在遠(yuǎn)端運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并在出現(xiàn)狀態(tài)異常時(shí)進(jìn)行遠(yuǎn)程干預(yù)。在遠(yuǎn)程控制方面，張初江等設(shè)計(jì)了一套地面氣象觀測(cè)站遠(yuǎn)程智能控制系統(tǒng)[3]，實(shí)現(xiàn)了對(duì)地面氣象觀測(cè)站主采集器的遠(yuǎn)程控制，但沒(méi)有實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)分采集器的電源控制，而且控制器體積較大，功耗較高。

為了解決上文中提到的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)地面氣象觀測(cè)站遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控和控制的實(shí)際需要，設(shè)計(jì)了一套地面氣象觀測(cè)站運(yùn)行監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)。通過(guò)在地面氣象觀測(cè)站主機(jī)箱向內(nèi)部署一個(gè)體積小、功耗低的運(yùn)行狀態(tài)采集與電源控制器，可以獲取較全面的地面氣象觀測(cè)站氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)以及運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，并可以根據(jù)用戶指令對(duì)地面氣象觀測(cè)站進(jìn)行遠(yuǎn)程開(kāi)關(guān)機(jī)以及重啟控制。在遠(yuǎn)端部署上位機(jī)軟件，維修保障人員可以通過(guò)上位機(jī)軟件對(duì)地面氣象觀測(cè)站運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)設(shè)備死機(jī)故障可以及時(shí)重啟，從而達(dá)到提高維修保障效率的目的。

1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

地面氣象觀測(cè)站運(yùn)行監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)由部署在站端的“運(yùn)行狀態(tài)采集與電源控制器(以下簡(jiǎn)稱：控制器)”以及部署在觀測(cè)室或監(jiān)控中心的“上位機(jī)軟件”組成，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示?？刂破饔布O(shè)計(jì)基于樹莓派卡片電腦來(lái)實(shí)現(xiàn)，其主要功能是：1)通過(guò)RS232串口實(shí)現(xiàn)地面氣象觀測(cè)站運(yùn)行狀態(tài)的采集和控制命令的轉(zhuǎn)發(fā)；2)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)軟件通信；3)通過(guò)控制繼電器控制電路實(shí)現(xiàn)自動(dòng)站各部件電源[4]控制。在用戶發(fā)現(xiàn)故障時(shí)，根據(jù)上位機(jī)發(fā)送來(lái)的指令對(duì)地面氣象觀測(cè)站進(jìn)行關(guān)機(jī)、開(kāi)機(jī)或重啟操作。上位機(jī)軟件采用B/S結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，分為三個(gè)功能模塊：1)數(shù)據(jù)通訊功能模塊，實(shí)現(xiàn)與控制器通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；2)運(yùn)行狀態(tài)判識(shí)功能模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)地面氣象觀測(cè)站數(shù)據(jù)和運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)判斷；3)用戶交互模塊，實(shí)現(xiàn)地面氣象觀測(cè)站運(yùn)行狀態(tài)展示及遠(yuǎn)程控制。運(yùn)行狀態(tài)采集與電源控制器通過(guò)無(wú)線擴(kuò)頻設(shè)備與上位機(jī)軟件相連，軟件通過(guò)UDP協(xié)議通訊。在軟硬件設(shè)計(jì)上均采用模塊化設(shè)計(jì)，盡量減小各功能模塊之間的耦合度，提高了系統(tǒng)可維護(hù)性。

圖1 地面氣象觀測(cè)站運(yùn)行監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2 控制器關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)

控制器由控制單元和繼電器控制電路組成。采用樹莓派[5]卡片式計(jì)算機(jī)作為控制單元核心部件，樹莓派是一個(gè)基于ARM構(gòu)架的嵌入式開(kāi)發(fā)平臺(tái)，具有體積小巧、可靠性高、開(kāi)發(fā)快捷以及低功耗的優(yōu)點(diǎn)。樹莓派可運(yùn)行l(wèi)inux操作系統(tǒng)，完全支持Python語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，集成了GPIO和常用硬件控制引腳，可以方便快捷地和外圍硬件電路進(jìn)行交互。本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)采用的樹莓派型號(hào)是Raspberry Pi 3b+。

在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中，樹莓派上運(yùn)行Raspberry Pi操作系統(tǒng)。在軟件方面，運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)及供電控制程序采用Python語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)[6]、電源控制并與上位機(jī)軟件進(jìn)行通信。在硬件設(shè)計(jì)方面，樹莓派第6引腳(GND)、第8引腳(TXD)、第10引腳(RXD)與地面氣象觀測(cè)站調(diào)試通信接口相連，通過(guò)RS232通信接口實(shí)現(xiàn)對(duì)地面氣象觀測(cè)站觀測(cè)數(shù)據(jù)和運(yùn)行狀態(tài)的獲取。第36、37、38、40引腳與繼電器控制模塊相連，用來(lái)控制地面溫度分采集器、溫濕度分采集器、雨量分采集器以及主采集器電源的通斷，后期可根據(jù)需要進(jìn)一步擴(kuò)展繼電器控制電路。控制器硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 控制器硬件結(jié)構(gòu)圖

2.1 控制器運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)及供電控制程序設(shè)計(jì)

控制器支持與我國(guó)氣象部門常用的DZZ4、DZZ5和DZZ6型地面氣象觀測(cè)站主采集器通訊。程序流程見(jiàn)圖3。

如圖3所示，當(dāng)控制器上電后通過(guò)握手命令與地面氣象觀測(cè)站采集器通信[7]握手，當(dāng)在5秒內(nèi)收到采集器返回指令[8]則進(jìn)行下一步，反之則更換另一型號(hào)采集器的串口指令集，直到握手成功，若遍歷控制器內(nèi)所有指令集后仍然沒(méi)有握手成功，則結(jié)束程序。

圖3 控制器運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)及供電控制程序流程圖

在通信握手成功后進(jìn)入程序循環(huán)執(zhí)行狀態(tài)，先檢查網(wǎng)絡(luò)通訊緩存中是否有上位機(jī)軟件發(fā)來(lái)了控制指令。若有指令則讀取上位機(jī)指令，識(shí)別指令種類和控制通道，并控制樹莓派對(duì)應(yīng)GPIO引腳電平變化來(lái)使繼電器執(zhí)行指令動(dòng)作，可執(zhí)行斷開(kāi)、閉合、整機(jī)時(shí)序重啟等控制動(dòng)作，控制完畢后生成控制完成回執(zhí)回傳給上位機(jī)。若網(wǎng)絡(luò)通信緩存中沒(méi)有上位機(jī)控制指令則檢查是否達(dá)到運(yùn)行狀態(tài)獲取時(shí)刻，若已到達(dá)獲取時(shí)刻則向主采集器發(fā)送獲取指令，獲取成功后完成數(shù)據(jù)打包，并發(fā)送至上位機(jī)，若獲取失敗則向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)獲取失敗標(biāo)識(shí)。

考慮到采集器在繁忙時(shí)有可能不會(huì)回復(fù)控制器讀取指令，為保證系統(tǒng)的可靠性，控制器程序會(huì)等待5秒，在5秒內(nèi)沒(méi)收到信息的情況下會(huì)發(fā)送3次讀取指令，若三次都沒(méi)有收到運(yùn)行狀態(tài)信息，則認(rèn)為主采集器狀態(tài)異常，發(fā)送失敗標(biāo)識(shí)。另外，在設(shè)置運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)獲取時(shí)刻時(shí)要滿足兩個(gè)條件：一是獲取數(shù)據(jù)間隔時(shí)間要大于60秒，因?yàn)榈孛鏆庀笥^測(cè)站數(shù)據(jù)采集頻率在60秒以上。二是盡量避免影響地面氣象觀測(cè)站整點(diǎn)數(shù)據(jù)和分鐘數(shù)據(jù)傳輸，因?yàn)榈孛鏆庀笥^測(cè)站在每小時(shí)整點(diǎn)[9]會(huì)處理并上傳整點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)，在每分鐘30秒前會(huì)上傳分鐘數(shù)據(jù)，所以應(yīng)不在每小時(shí)整點(diǎn)前5分鐘、后3分鐘以及每分鐘前30秒獲取數(shù)據(jù)。本文在控制器程序中將運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)獲取時(shí)刻設(shè)置為每小時(shí)的06分40秒、11分40秒、16分40秒、21分40秒、26分40秒、31分40秒、36分40秒、41分40秒、46分40秒、51分40秒、54分40秒。程序流程如圖3所示。

2.2 繼電器控制電路設(shè)計(jì)

各繼電器控制電路實(shí)現(xiàn)了對(duì)控制主采集器、地面溫度分采集器、溫濕度分采集器、雨量分采集器供電線路的通斷的控制，單路繼電器控制電路設(shè)計(jì)方案如下：電源控制模塊有四路相同的繼電器控制電路組成，另外可根據(jù)需要增加備份，單路繼電器控制電路如圖4所示：P1端子1腳接電源供電VCC，2腳接地面溫度分采集器、溫濕度分采集器或雨量分采集器等供電正極輸入端，3腳懸空。為保證樹莓派控制模塊安全，采用PC817光電耦合器實(shí)現(xiàn)繼電器通斷控制。通過(guò)上拉電阻將樹莓派GPIO引腳電平設(shè)為高電平[10]，當(dāng)控制器收到上位機(jī)控制指令后，會(huì)在指定的GPIO引腳輸出低電平，PC817的3、4腳導(dǎo)通，S8050三極管基極輸入電流，Q1三極管處于導(dǎo)通狀態(tài)，繼電器K1的3、5腳閉合，需要控制的電源斷開(kāi)，反之電源閉合。繼電器為感性元件，在繼電器通斷時(shí)會(huì)產(chǎn)生反向勢(shì)能可能會(huì)燒壞電子元件，在繼電器控制端并聯(lián)一個(gè)續(xù)流二極管D3，可以起到吸收反向勢(shì)能的作用[11]。

圖4 單路繼電器控制電路圖

3 上位機(jī)關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 上位機(jī)數(shù)據(jù)通訊程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)數(shù)據(jù)通訊功能模塊是使用Python語(yǔ)言編寫的控制臺(tái)程序，數(shù)據(jù)通訊功能模塊通過(guò)UDP/IP協(xié)議與控制器通訊，利用Socket接口[12]實(shí)現(xiàn)接收控制器數(shù)據(jù)并發(fā)送用戶電源控制指令。程序流程見(jiàn)圖5。

如圖5所示，程序開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，首先偵聽(tīng)網(wǎng)絡(luò)通訊緩存中是否有控制器發(fā)來(lái)的地面氣象觀測(cè)站運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)包，若有則檢查數(shù)據(jù)格式，若格式錯(cuò)誤則將讀取錯(cuò)誤標(biāo)識(shí)寫入數(shù)據(jù)庫(kù)。若格式正確則將數(shù)據(jù)格式化后，然后通過(guò)SQL語(yǔ)言將運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫(kù)。

圖5 上位機(jī)軟件數(shù)據(jù)通訊程序流程圖

若沒(méi)有偵聽(tīng)到地面氣象觀測(cè)站運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)包，則檢查用戶是否發(fā)出控制指令，若沒(méi)有則繼續(xù)偵聽(tīng)通訊緩存，若用戶發(fā)送了控制指令，則通過(guò)UDP/IP協(xié)議向控制器發(fā)送指令，收到回執(zhí)后，生成控制完成標(biāo)識(shí)并寫入數(shù)據(jù)庫(kù)，循環(huán)等待后接收失敗則生成失敗標(biāo)識(shí)寫入數(shù)據(jù)庫(kù)。

3.2 運(yùn)行狀態(tài)判識(shí)模塊程序設(shè)計(jì)

地面氣象觀測(cè)站運(yùn)行狀態(tài)主要有：采集器狀態(tài)，電池電壓，主機(jī)箱門狀態(tài)以及個(gè)各傳感器運(yùn)行狀態(tài)等。其中采集器狀態(tài)、電池電壓、主機(jī)箱門等狀態(tài)信息可以直接從采集器中讀取在進(jìn)行判識(shí)，稱為直接狀態(tài)數(shù)據(jù)。傳感器[13]運(yùn)行狀態(tài)包含溫度、濕度、氣溫、氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向、降水、能見(jiàn)度等傳感器的狀態(tài)。各傳感器狀態(tài)無(wú)法從地面氣象觀測(cè)站采集器中直接獲取，要通過(guò)對(duì)傳感器觀測(cè)數(shù)據(jù)分析判識(shí)獲得，若觀測(cè)數(shù)據(jù)異常則認(rèn)為傳感器狀態(tài)可疑或故障，這類數(shù)據(jù)稱為間接狀態(tài)數(shù)據(jù)。

上位機(jī)運(yùn)行狀態(tài)判識(shí)模塊是使用Python語(yǔ)言編寫的控制臺(tái)程序。運(yùn)行狀態(tài)判識(shí)與分析模塊程序執(zhí)行流程如圖6所示。程序開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，先裝載本站參數(shù)，包括各站元數(shù)據(jù)信息以及氣象要素觀測(cè)歷史極值。然后讀取數(shù)據(jù)庫(kù)是否有新的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，若沒(méi)有則等待一段時(shí)間再讀取，若有新數(shù)據(jù)則讀取一行新數(shù)據(jù)，并遍歷其中每個(gè)狀態(tài)數(shù)據(jù)。如果該數(shù)據(jù)為直接狀態(tài)數(shù)據(jù)，布爾類型的數(shù)據(jù)(采集器狀態(tài)、主機(jī)門開(kāi)關(guān)狀態(tài)等)直接讀取，浮點(diǎn)數(shù)類型(電池電壓等)數(shù)據(jù)則需要進(jìn)行閾值判斷。若該數(shù)據(jù)為間接狀態(tài)數(shù)據(jù)，則首先進(jìn)行本站歷史極值對(duì)比，若超過(guò)歷史極值(包括低值與高值)則認(rèn)為傳感器狀態(tài)異常，之后讀取之前若干時(shí)刻的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間變化率檢查，若變化率過(guò)低或者過(guò)高則判斷傳感器狀態(tài)異常。最后將判識(shí)結(jié)果寫入數(shù)據(jù)庫(kù)，供用戶交互模塊讀取。需要說(shuō)明的是在時(shí)間變化率檢查時(shí)，每種氣象要素時(shí)間變化率閾值以及讀取歷史數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度并不相同，這主要由各類傳感器正常情況下觀測(cè)要素隨時(shí)間變化快慢以及變化特征決定。

圖6 上位機(jī)運(yùn)行狀態(tài)判識(shí)程序流程圖

3.3 用戶交互模塊功能設(shè)計(jì)

用戶交互模塊直接面對(duì)業(yè)務(wù)值班員等用戶。在設(shè)計(jì)用戶交互模塊時(shí)要考慮到系統(tǒng)使用的便利性，要實(shí)現(xiàn)可以通過(guò)不同計(jì)算機(jī)終端訪問(wèn)系統(tǒng)，故采用B/S結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，利用Flask框架技術(shù)實(shí)現(xiàn)。Flask[14]是一個(gè)輕量級(jí)的可定制框架，使用Python語(yǔ)言編寫，其WSGI工具箱采用Werkzeug ，模板引擎則使用Jinja2。較其他型框架更為靈活、輕便、安全且容易上手。它可以很好地結(jié)合MVC模式進(jìn)行開(kāi)發(fā)，適合中小型網(wǎng)站的開(kāi)發(fā)。另外，F(xiàn)lask具有較強(qiáng)的擴(kuò)展性，用戶可以根據(jù)自身需要添加定制功能。

用戶交互模塊設(shè)計(jì)遵循直觀便捷原則[15]，在實(shí)時(shí)顯示運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)與報(bào)警設(shè)計(jì)時(shí)，以界面展示直觀、美觀為出發(fā)點(diǎn)，通過(guò)清晰直觀的展示界面，實(shí)現(xiàn)對(duì)自動(dòng)站氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)、運(yùn)行狀態(tài)、報(bào)警信息等信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)于直接狀態(tài)數(shù)據(jù)，使用圓形“小燈”表示，紅色為異常，綠色為正常。對(duì)于間接狀態(tài)數(shù)據(jù)，數(shù)字變?yōu)榧t色為異常，其他顏色為正常。在自動(dòng)站供電的遠(yuǎn)程控制設(shè)計(jì)時(shí)，以操作便捷，反饋明確為出發(fā)點(diǎn)，可以手動(dòng)單獨(dú)關(guān)閉、打開(kāi)或重啟主采集器、溫濕分采集器、雨量分采集器，也可以一鍵時(shí)序重啟整個(gè)地面自動(dòng)氣象站。用戶界面見(jiàn)圖7。

圖7 用戶交互模塊界面示意圖

3.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

采用Mysql數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建，數(shù)據(jù)庫(kù)包含自動(dòng)站點(diǎn)信息表、運(yùn)行狀態(tài)信息表、控制器操作日志表、用戶信息表。站點(diǎn)信息表存儲(chǔ)需要監(jiān)測(cè)的自動(dòng)氣象站區(qū)站號(hào)，控制器標(biāo)識(shí)等信息；運(yùn)行狀態(tài)信息表存儲(chǔ)接收到的各站運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)；控制器操作日志表用來(lái)記錄用戶操作控制器的日志信息；用戶信息表存儲(chǔ)系統(tǒng)用戶權(quán)限、名稱、密碼、所述機(jī)構(gòu)等信息。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 可靠性測(cè)試

測(cè)試指標(biāo):使用運(yùn)行狀態(tài)獲取成功率與運(yùn)行狀態(tài)異常判識(shí)成功次數(shù)作為測(cè)試的指標(biāo)。運(yùn)行狀態(tài)獲取成功率計(jì)算公式見(jiàn)式(1)：

(1)

式(1)中，E為運(yùn)行狀態(tài)獲取成功率，ES為測(cè)試時(shí)段內(nèi)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)應(yīng)獲取總次數(shù)，Ea為系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)際獲取次數(shù)。因?yàn)闇y(cè)試時(shí)間有限，地面自動(dòng)氣象站自然出現(xiàn)狀態(tài)異常次數(shù)可能較少，所以人為設(shè)置典型地面自動(dòng)氣象站運(yùn)行狀態(tài)異常情況[16-17]進(jìn)項(xiàng)測(cè)試，用運(yùn)行狀態(tài)異常判識(shí)成功次數(shù)(N)來(lái)衡量系統(tǒng)判識(shí)性能。

測(cè)試方法：在可靠性測(cè)試中，將地面氣象觀測(cè)站運(yùn)行監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)接入DZZ5、DZZ6型地面氣象觀測(cè)站測(cè)試運(yùn)行1個(gè)月(30天)，每小時(shí)獲取數(shù)據(jù)11次，共獲取7 920次。人為設(shè)置10運(yùn)行狀態(tài)異常情況，并依次觸發(fā)，詳情見(jiàn)表1。

表1 人為運(yùn)行狀態(tài)異常簡(jiǎn)述

測(cè)試結(jié)果與分析：運(yùn)行狀態(tài)獲取成功率E與運(yùn)行狀態(tài)判識(shí)異常成功次數(shù)N見(jiàn)表2。DZZ5型地面氣象觀測(cè)站E值為100%，DZZ6型地面氣象觀測(cè)站E值為99.5%，DZZ6型地面氣象觀測(cè)站相對(duì)較低的原因有可能是在該系統(tǒng)與主采集器通信的時(shí)刻出現(xiàn)了主采集器程序長(zhǎng)時(shí)間繁忙的情況所致，需要對(duì)該型號(hào)主采集器程序運(yùn)行機(jī)制開(kāi)展進(jìn)一步研究。該系統(tǒng)對(duì)于兩種型號(hào)地面氣象觀測(cè)站出現(xiàn)的運(yùn)行狀態(tài)異常情況都能準(zhǔn)確判識(shí)，N值均為10次。

表2 運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)獲取成功率以及人為 運(yùn)行狀態(tài)異常判識(shí)測(cè)試結(jié)果

4.2 控制器功耗測(cè)量

測(cè)試指標(biāo)：使用控制器瞬時(shí)功率(Pr)、控制器平均功率(Pra)、整機(jī)瞬時(shí)功率(P)、整機(jī)平均功率(Pa)以及平均續(xù)航時(shí)間(T)作為功耗測(cè)試指標(biāo)。平均續(xù)航時(shí)間是指：在只有蓄電池供電的情況下測(cè)量設(shè)備從開(kāi)機(jī)到因電力不足而關(guān)機(jī)的時(shí)長(zhǎng)，反復(fù)測(cè)量5次后取平均值。

測(cè)試方法：將系統(tǒng)控制器接入典型的DZZ5型地面氣象觀測(cè)站，該站配有風(fēng)向、風(fēng)速、溫度、濕度、氣壓、地溫、降水、能見(jiàn)度八個(gè)觀測(cè)要素傳感器，供電采用免維護(hù)蓄電池供電(蓄電池充滿電，不接太陽(yáng)能或市電供電裝置，蓄電池參數(shù)為12 V 65 AH)。用功率監(jiān)測(cè)裝置分別接在控制器與地面氣象觀測(cè)站電力輸入端進(jìn)行功率監(jiān)測(cè)[18]，每2秒記錄一次Pr和P值，經(jīng)過(guò)30分鐘的測(cè)試，共記錄900次，期間控制了15次繼電器并同時(shí)向上位機(jī)發(fā)送信息。

測(cè)試結(jié)果與分析：功率變化見(jiàn)圖8。試驗(yàn)表明控制器瞬時(shí)功率Pr在3.6～5.7 W之間波動(dòng)，計(jì)算得到控制器平均功率Pra為3.9 W，在程序觸發(fā)繼電器工作時(shí)Pr較大，在4.6～5.7 W之間。同時(shí)測(cè)量地面氣象站整機(jī)(包含控制器)瞬時(shí)功率P在64.3～75.1 W之間波動(dòng)，計(jì)算得到整機(jī)平均功率Pa為69.1 W，控制器平均功率占八要素地面氣象站整機(jī)功率的5.6%。用同一塊滿電12V65AH免維護(hù)蓄電池供電情況下，將控制器接入DZZ5型地面氣象觀測(cè)站進(jìn)行續(xù)航時(shí)間測(cè)試5次，平均電池續(xù)航時(shí)間T為8小時(shí)09分，在不接入控制器的情況T值為8小時(shí)34分，平均續(xù)航時(shí)間減少了4.9%。

實(shí)驗(yàn)表明控制器耗電量相對(duì)較小，在蓄電池供電情況下，對(duì)8要素地面氣象觀測(cè)站工作時(shí)間影響不明顯。而2要素(溫度、雨量)氣象站和4要素氣象站(風(fēng)速、風(fēng)向、雨量、溫度)中由于氣象站本身功耗減小，很可能導(dǎo)致控制器功耗所占比例有所上升，對(duì)電池續(xù)航時(shí)間影響也更加明顯，所以在使用該系統(tǒng)控制器時(shí)要考慮更換容量更大的電池，否則有可能會(huì)明顯影響地面氣象觀測(cè)站續(xù)航時(shí)間。

圖8 控制器與地面氣象觀測(cè)站整機(jī)功耗對(duì)比情況

5 結(jié)束語(yǔ)

該系統(tǒng)支持對(duì)DZZ4、DZZ5、DZZ6型地面氣象觀測(cè)站和DSN3型[19]自動(dòng)土壤水分站進(jìn)行運(yùn)行監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程電源控制，指令集更新后可以支持更多型號(hào)的設(shè)備。該系統(tǒng)在寧夏5個(gè)八要素地面氣象觀測(cè)站使用9個(gè)月，運(yùn)行期間控制器出現(xiàn)7次無(wú)法遠(yuǎn)程控制站點(diǎn)設(shè)備的故障，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)有6次是由于繼電器控制電路與樹莓派連接端子接插不牢靠導(dǎo)致，用焊錫固定連接后恢復(fù)正常；有1次是由于人為維護(hù)地面氣象站時(shí)沒(méi)有及時(shí)恢復(fù)控制器供電引起。上位機(jī)軟件在試運(yùn)行中修復(fù)軟件漏洞19個(gè)，完善功能點(diǎn)11個(gè)，目前運(yùn)行穩(wěn)定，軟件界面友好，操作便捷。實(shí)際應(yīng)用證明，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)地面氣象觀測(cè)站設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)控，并只實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制，維修人員不用到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)就可以解決自動(dòng)站程序死機(jī)等故障，顯著提高了維修效率，取得了良好的效益。在下一步工作中，一是開(kāi)展降低控制器功耗研究并進(jìn)一步縮小體積，在保證靠性的情況下，基于低功耗版本樹莓派或其他嵌入式開(kāi)發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)研發(fā)更低功耗、更小巧便攜的控制器；二是對(duì)DZZ6等主采集器程序運(yùn)行機(jī)制開(kāi)展深入研究，改進(jìn)控制器運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)及供電控制程序，進(jìn)一步提高系統(tǒng)獲取運(yùn)行狀態(tài)成功率。