吳道航 劉杰鋒 蔡成滿(mǎn)

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(shí)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的引入整體提高了業(yè)務(wù)臺(tái)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(wú)線(xiàn)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(xiàn)成本，并使布站更為簡(jiǎn)單。采用太陽(yáng)能供電，即清潔環(huán)保，又可以保證臺(tái)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(dòng)站、自動(dòng)氣候站、物聯(lián)網(wǎng)、ZigBee

0引言

隨著觀測(cè)自動(dòng)化技術(shù)不斷提高，人工觀測(cè)逐步被自動(dòng)觀測(cè)所取代，觀測(cè)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(bào)預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率、增強(qiáng)公共氣象服務(wù)和應(yīng)對(duì)氣候變化能力對(duì)觀測(cè)內(nèi)容、時(shí)空分辨率和觀測(cè)質(zhì)量提出了新的更高的要求。新型自動(dòng)氣象站的出現(xiàn)為全面實(shí)現(xiàn)地面氣象觀測(cè)自動(dòng)化奠定了良好基礎(chǔ)，也為地面氣象觀測(cè)業(yè)務(wù)改革提供了基礎(chǔ)保障。

智慧氣象是新時(shí)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(cè)更加智能、標(biāo)準(zhǔn)化、信息化。基于太陽(yáng)能供電，ZigBee無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)的自動(dòng)氣候站，突破智能觀測(cè)關(guān)鍵技術(shù)，基于國(guó)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(cè)裝備的智能感知。針對(duì)人煙稀少、環(huán)境惡劣地區(qū)，無(wú)人自動(dòng)氣候站的建設(shè)基本消除氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)盲區(qū)，完成基準(zhǔn)氣候觀測(cè)布局。

1 新型自動(dòng)氣象站

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

自動(dòng)化的地面氣象觀測(cè)系統(tǒng)大致包括地面自動(dòng)化觀測(cè)設(shè)備、數(shù)據(jù)采集業(yè)務(wù)處理平臺(tái)、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(jí)氣象觀測(cè)站、省級(jí)氣象數(shù)據(jù)中心到國(guó)家級(jí)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(dòng)化發(fā)展目標(biāo)是要建成一個(gè)精細(xì)化、自動(dòng)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(cè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)。

圖1所示的是總線(xiàn)式自動(dòng)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(xiàn)技術(shù)和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)CANopen協(xié)議進(jìn)行設(shè)計(jì)，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(mǎn)足此定義和功能規(guī)格書(shū)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(dòng)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。可以對(duì)自動(dòng)氣象站進(jìn)行不同的配置，以實(shí)現(xiàn)不同觀測(cè)任務(wù)或滿(mǎn)足不同類(lèi)別氣象觀測(cè)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(dòng)氣象站的總體結(jié)果如圖2所示。隨著自動(dòng)化只能傳感器的發(fā)展和觀測(cè)要素的增加，按照原有功能規(guī)格書(shū)上的新型自動(dòng)氣象站功能已經(jīng)不能滿(mǎn)足觀測(cè)業(yè)務(wù)發(fā)展需求，對(duì)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(cè)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(dòng)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(dòng)氣象站是在分布式結(jié)構(gòu)自動(dòng)氣象站的基礎(chǔ)上增加綜合集成控制器，并將分布式自動(dòng)氣象站作為一個(gè)“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(gè)串口通信

轉(zhuǎn)換為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)通信。一個(gè)綜合集成控制器可以接入多路串口信號(hào)，任何智能化傳感器不經(jīng)過(guò)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(jì)算機(jī)上的測(cè)報(bào)業(yè)務(wù)軟件掛接該設(shè)備就可以方便地獲取觀測(cè)數(shù)據(jù)。另外，還引入了數(shù)據(jù)對(duì)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(shí)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(dòng)氣候站

為了減少通信線(xiàn)路引起的雷擊，提高傳輸系統(tǒng)智能化，自動(dòng)氣候站采用ZigBee無(wú)線(xiàn)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(cè)數(shù)據(jù)和設(shè)備狀態(tài)收集整理后，通過(guò)GPRS或北斗與遠(yuǎn)程業(yè)務(wù)平臺(tái)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(guó)內(nèi)業(yè)務(wù)運(yùn)行的地面觀測(cè)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(guò)程需要向觀測(cè)場(chǎng)拉入大量的電源線(xiàn)和通信線(xiàn)，而地面觀測(cè)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(shí)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的引入整體提高了業(yè)務(wù)臺(tái)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(wú)線(xiàn)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(xiàn)成本，并使布站更為簡(jiǎn)單。采用太陽(yáng)能供電，即清潔環(huán)保，又可以保證臺(tái)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(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)是融合了傳感器、嵌入式計(jì)算、無(wú)線(xiàn)通信、分布式信息處理等多學(xué)科知識(shí)的前沿?zé)狳c(diǎn)研究領(lǐng)域它能夠通過(guò)各類(lèi)集成化的微型傳感器協(xié)同完成對(duì)各種環(huán)境或檢測(cè)對(duì)象的信息實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、感知和采集，并將這些信息在無(wú)線(xiàn)多跳網(wǎng)絡(luò)中傳送給用戶(hù)。無(wú)線(xiàn)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(jì)算世界以及人類(lèi)社會(huì)這三元世界的聯(lián)通，極大地?cái)U(kuò)展人類(lèi)認(rèn)識(shí)世界的能力。

ZigBee是一種低成本、低功耗、低速率、短距離無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（LR-WPAN），凡是具有上述特征或要求的場(chǎng)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(cè)、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(duì)局部的環(huán)境、土壤成分、氣候等進(jìn)行全面的檢測(cè)。無(wú)土栽培、大棚溫室的環(huán)境控制等都需要有效的檢測(cè)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(cè)，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(lái)，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(gè)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(cè)中心。

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