劉金麗，邢開瑜

（1.珠海市斗門區(qū)氣象局，廣東珠海 519125；2.四川省氣候中心，四川成都 610072）

天氣、氣候與人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)生活和城市發(fā)展運(yùn)行的關(guān)系越來越密切，氣象災(zāi)害及其次生、衍生災(zāi)害對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)安全影響也越來越明顯，而隨著云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等信息技術(shù)的深入推進(jìn)，氣象服務(wù)數(shù)據(jù)、手段、形式、內(nèi)容與社會(huì)發(fā)展程度和人們需求不協(xié)調(diào)的問題越來越突出。但目前的一些研究多集中在服務(wù)的宏觀架構(gòu)和政策措施［1]、平臺(tái)集成［2]、手段和形式［3-4]等方面，對(duì)數(shù)據(jù)本身的研究不多，將物聯(lián)網(wǎng)與氣象服務(wù)聯(lián)系起來的研究也不多［5-6]。為此，本研究以大數(shù)據(jù)時(shí)代的“數(shù)據(jù)”為切入點(diǎn)，依托最新的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，探討如何解決新時(shí)代“巧婦難為無米之炊”的氣象數(shù)據(jù)不足及服務(wù)問題。

物聯(lián)網(wǎng)（internet of things，IOT）是將各種信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來而形成的一個(gè)巨大網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)，人、機(jī)、物的互聯(lián)互通。本研究所用的NB-IOT（narrow band internet of things）［7]是IOT領(lǐng)域一個(gè)新興的技術(shù)，支持低功耗設(shè)備在廣域網(wǎng)的蜂窩數(shù)據(jù)連接，也被稱作低功耗廣域網(wǎng)。NB-IOT網(wǎng)絡(luò)是基于現(xiàn)有LTE網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行改造得來的。LTE網(wǎng)絡(luò)為“人”服務(wù)，為手機(jī)服務(wù)，為消費(fèi)互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)；而NB-IOT網(wǎng)絡(luò)為“物”服務(wù)，為物聯(lián)網(wǎng)終端服務(wù)，為產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)（物聯(lián)網(wǎng)）服務(wù)。NB-IOT使用License頻段，可直接部署于GSM網(wǎng)絡(luò)、UMTS網(wǎng)絡(luò)或LTE網(wǎng)絡(luò)，與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)共存，以降低部署成本、實(shí)現(xiàn)平滑升級(jí)。NB-IOT數(shù)據(jù)采集后可直接上傳到云端，不需要通過網(wǎng)關(guān)，簡化了現(xiàn)場部署。特別的，NB-IOT是面向5G的物聯(lián)技術(shù)，它是5G商用的前奏和基礎(chǔ)，只有NB-IOT等基礎(chǔ)建設(shè)完整，5G才有可能真正實(shí)現(xiàn)。目前NB-IOT已經(jīng)正式納入5G候選技術(shù)集合，未來將作為5G時(shí)代的重要場景化標(biāo)準(zhǔn)持續(xù)演進(jìn)，也將成為5G時(shí)代物聯(lián)網(wǎng)主流技術(shù)。NB-IOT目前在智能水表和燃?xì)獗恚?-9]、智慧城市建設(shè)［10-12]等領(lǐng)域應(yīng)用較多，但在氣象服務(wù)上的相關(guān)研究和應(yīng)用不多。

1 NB-IOT技術(shù)原理及在氣象服務(wù)中應(yīng)用的可行性

NB-IOT是第3代合作伙伴計(jì)劃（3GPP）R13定義的無線接入技術(shù)，構(gòu)建于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，只消耗大約180 kHz的帶寬，支持低延時(shí)敏感度、超低的設(shè)備成本、低設(shè)備功耗和優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。相比于4G技術(shù)和不久之后的5G技術(shù)，NB-IOT連接數(shù)量、信號(hào)覆蓋深度、功耗等方面均有明顯優(yōu)勢。NB-IOT具備5大特點(diǎn)：一是廣覆蓋，將提供改進(jìn)的室內(nèi)覆蓋，在同樣的頻段下，比現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)增益20 dB，相當(dāng)于提升了100倍覆蓋區(qū)域的能力；二是具備支撐海量連接的能力，其中一個(gè)扇區(qū)能夠支持10萬個(gè)連接，；三是更低功耗，終端模塊的待機(jī)時(shí)間可長達(dá)10年；四是更低的模塊成本，預(yù)期的單個(gè)接連模塊不超過5 MYM；五是通信費(fèi)用低，低至5元一年。

NB-IOT技術(shù)雖然新興，但發(fā)展?jié)摿薮蟆Ｔ摷夹g(shù)網(wǎng)絡(luò)由運(yùn)營商建設(shè)，只需對(duì)現(xiàn)有基站進(jìn)行軟件升級(jí)即可基本實(shí)現(xiàn)無盲區(qū)覆蓋，并且隨著國際標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái)（標(biāo)準(zhǔn)制定有我國企業(yè)參與），很容易達(dá)到互聯(lián)互通?！吨楹Ｊ腥嗣裾k公室關(guān)于印發(fā)珠海市信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)3年行動(dòng)計(jì)劃（2018—2020年）的通知》（珠府辦函〔2018〕230號(hào)）文件指出，在物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)方面，珠海在全省率先啟動(dòng)NB-IOT窄帶物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)，截至2017年底已建成NB-IOT基站超過1 000座；至2019年底，預(yù)計(jì)NB-IOT基站將累計(jì)達(dá)3 208座。

當(dāng)前技術(shù)已成熟并可用于氣象服務(wù)業(yè)務(wù)。如2018年珠海高新區(qū)在下柵社區(qū)試點(diǎn)，依托中國移動(dòng)NB-IOT網(wǎng)絡(luò)，在廣東省內(nèi)率先規(guī)?；渴鸹贜B-IOT窄帶物聯(lián)網(wǎng)火災(zāi)監(jiān)控管理系統(tǒng)，初步形成了現(xiàn)代社區(qū)智慧消防管理模式。目前NB-IOT正在珠海智能抄表、環(huán)保監(jiān)測、交通管理等公共服務(wù)領(lǐng)域加快應(yīng)用。

在數(shù)據(jù)延時(shí)方面，目前3GPP IOT設(shè)想允許時(shí)延約為10 s，但實(shí)際可以支持更低時(shí)延，大概6 s左右，NB-IOT的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延為6～10 s，當(dāng)溫濕度、風(fēng)速、雨量等要素變化幅度比較小的情況下，10 s的時(shí)延是可以接受的，且現(xiàn)有氣象數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)可能遠(yuǎn)不止10 s。在數(shù)據(jù)傳輸速率方面，NB-IOT傳輸速率理論可達(dá)到160～250 kbps；本研究中通信模塊只是用于監(jiān)控傳感器的數(shù)據(jù)，傳輸數(shù)據(jù)不多，一次傳輸不會(huì)超過200個(gè)字節(jié)，不涉及圖像和視頻傳輸，可以滿足氣象服務(wù)的要求。NB-IOT在智慧氣象服務(wù)上的應(yīng)用可以解決現(xiàn)有自動(dòng)氣象站建設(shè)費(fèi)用高、站址用地解決難、維護(hù)成本高的系列問題，破解現(xiàn)有氣象監(jiān)測站網(wǎng)密度不夠、氣象實(shí)況數(shù)據(jù)不足的難題。

2 NB-IOT氣象智能控制系統(tǒng)

2.1 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

氣象智能控制系統(tǒng)（圖1中圓圈部分）的設(shè)計(jì)以STM32L051處理器為核心，該芯片休眠電流可達(dá)1μA以下，電源控制部分采用太陽能控制板加儲(chǔ)蓄電池的方案。NB-IOT通信模塊采用移柯通信LYNQ模組L620，該模塊進(jìn)入PSM休眠模式后電流可達(dá)4μA以下。傳感器選用溫濕度傳感器、翻斗式雨量傳感器、風(fēng)速傳感器。所有的傳感器都采用嵌入式傳感器，可直接讀取溫度、相對(duì)濕度、雨量、風(fēng)速數(shù)值。處理器與傳感器的通信接口都采用485接口。采用ADXL362運(yùn)動(dòng)傳感器監(jiān)控設(shè)備的震動(dòng)情況。

圖1 氣象智能控制系統(tǒng)及NB-IOT物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的結(jié)構(gòu)示意圖

智能控制系統(tǒng)最核心部分是采集各種傳感器的信息，上傳到物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。STM32L051處理器通過485接口向溫濕度傳感器、翻斗式雨量傳感器、風(fēng)速傳感器發(fā)送讀取命令，然后傳感器回傳相應(yīng)的數(shù)據(jù)，處理器根據(jù)相應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，提取出真實(shí)的數(shù)據(jù)值。提取到數(shù)據(jù)值以后，喚醒NB-IOT通信模塊，使其從PSM模式進(jìn)入工作模式，通過NB網(wǎng)絡(luò)把溫度、相對(duì)濕度、雨量、風(fēng)速數(shù)據(jù)傳送到中國電信物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。為了降低功耗，整個(gè)控制系統(tǒng)平時(shí)處于休眠狀態(tài)，定期采樣氣象數(shù)據(jù)并上傳，定期上報(bào)間隔默認(rèn)為1 h，用戶可根據(jù)實(shí)際情況通過物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)下發(fā)命令修改定期上報(bào)間隔。

為了監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行狀況以便及時(shí)維護(hù)，智能控制系統(tǒng)會(huì)監(jiān)控儲(chǔ)電池的電量、設(shè)備的震動(dòng)情況、信號(hào)值、信噪比，確保設(shè)備在穩(wěn)定可靠、信號(hào)良好的情況下運(yùn)行。如果電量過低、震動(dòng)劇烈、信號(hào)不好，設(shè)備可以及時(shí)地發(fā)出告警到物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，用戶可根據(jù)實(shí)際情況及時(shí)派人維護(hù)。用戶也可以根據(jù)電量告警情況關(guān)閉部分或者全部的傳感器，調(diào)整傳感器的采集間隔和上報(bào)間隔，保證設(shè)備的最小系統(tǒng)或者部分系統(tǒng)運(yùn)行。

為了提高對(duì)溫度、雨量、風(fēng)速、濕度等要素異常值和極端值的敏感性，及時(shí)獲取到關(guān)鍵氣象要素變化信息，智能控制系統(tǒng)可以設(shè)定好各種告警閥值，如當(dāng)雨量高于告警閥值時(shí)，系統(tǒng)產(chǎn)生雨量過高告警并上傳到物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。用戶可以在物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)遠(yuǎn)程下發(fā)配置設(shè)備的告警閥值，系統(tǒng)收到告警閥值以后保存到存儲(chǔ)器FLASH中，并間隔采樣氣象數(shù)據(jù)，對(duì)比告警閥值確認(rèn)是否產(chǎn)生告警。用戶也可以按照實(shí)際情況通過物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)遠(yuǎn)程下發(fā)配置采樣氣象數(shù)據(jù)的時(shí)間。

考慮到數(shù)據(jù)的安全性，智能控制系統(tǒng)采用DES（data encryption standard，DES）對(duì)稱加密，數(shù)據(jù)在控制系統(tǒng)進(jìn)行加密，用戶從物聯(lián)網(wǎng)采樣到數(shù)據(jù)以后進(jìn)行解密，用戶可以通過物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)遠(yuǎn)程下發(fā)修改密碼或根據(jù)實(shí)際情況決定是否加密。

2.2 在物聯(lián)網(wǎng)上面添加產(chǎn)品和設(shè)備

本研究選用的是中國電信物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，電信物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)是：物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備-電信的基站-電信的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)服務(wù)器-用戶的應(yīng)用服務(wù)器（圖1）。其中物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備通過COAP協(xié)議與電信的物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器進(jìn)行通信，應(yīng)用服務(wù)器使用HTTP接口和電信的物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器進(jìn)行通信。

企業(yè)級(jí)的用戶需要給中國電信發(fā)送郵件，申請注冊賬號(hào)。登陸中國電信物聯(lián)網(wǎng)，先創(chuàng)建項(xiàng)目，應(yīng)用ID和應(yīng)用秘鑰很重要，后面的應(yīng)用服務(wù)器要使用這兩個(gè)參數(shù)。項(xiàng)目創(chuàng)建成功后，選擇產(chǎn)品開發(fā)菜單，創(chuàng)建產(chǎn)品，點(diǎn)擊自定義產(chǎn)品，設(shè)置產(chǎn)品信息。創(chuàng)建完產(chǎn)品以后，點(diǎn)擊新建服務(wù)，定義Profile（設(shè)備能力描述文件）和編解碼插件。在Profile里面添加上傳數(shù)據(jù)、溫度告警、相對(duì)濕度告警、雨量告警、風(fēng)速告警、電壓告警，下發(fā)控制這些服務(wù)名稱，并給出各種屬性字段、命令字段和數(shù)據(jù)類型等信息。在編解碼插件開發(fā)里新增上傳數(shù)據(jù)、溫度告警、相對(duì)濕度告警、雨量告警、風(fēng)速告警、電壓告警、下發(fā)控制等消息，在消息中指定是數(shù)據(jù)上報(bào)還是命令下發(fā)。給每一個(gè)消息添加字段，首先添加messageId字段，用來區(qū)別各種不同的消息，然后添加其它字段，并指定數(shù)據(jù)類型。把消息的字段和Profile里的屬性字段和命令字段關(guān)聯(lián)起來，這一步驟很關(guān)鍵。上述操作完成后，點(diǎn)擊保存，然后點(diǎn)擊部署。部署成功后就可以添加設(shè)備了，進(jìn)入設(shè)備管理界面，點(diǎn)擊新增真實(shí)設(shè)備，輸入設(shè)備名稱和輸入模塊的IMEI號(hào)（國際移動(dòng)設(shè)備識(shí)別碼）。此時(shí)，設(shè)備就可以實(shí)現(xiàn)往中國電信物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)發(fā)送數(shù)據(jù)，也可以從中國電信物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)下發(fā)命令到設(shè)備，下發(fā)命令一般采用緩存下發(fā)的方式，等設(shè)備上報(bào)數(shù)據(jù)的時(shí)候，設(shè)備就會(huì)收到命令，特別適合休眠喚醒的設(shè)備。點(diǎn)擊歷史數(shù)據(jù)可以查看設(shè)備上報(bào)上傳的各種數(shù)據(jù)信息，進(jìn)入調(diào)試產(chǎn)品可以下發(fā)不同的命令給設(shè)備。進(jìn)入訂閱調(diào)試，添加后臺(tái)應(yīng)用服務(wù)器網(wǎng)址或者IP地址到訂閱里面，這樣設(shè)備上傳數(shù)據(jù)到中國電信物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的同時(shí)，也會(huì)把數(shù)據(jù)推送到后臺(tái)應(yīng)用服務(wù)器。后臺(tái)服務(wù)器也可以調(diào)用中國電信物聯(lián)網(wǎng)的API（應(yīng)用程序編程接口）下發(fā)命令到設(shè)備。

3 氣象數(shù)據(jù)管理

3.1 氣象數(shù)據(jù)質(zhì)量問題

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，各種傳感器設(shè)備的應(yīng)用，氣象觀測數(shù)據(jù)海量化。可能伴隨出現(xiàn)各種數(shù)據(jù)采集標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，采集方式復(fù)雜多樣的問題，由此導(dǎo)致的數(shù)據(jù)質(zhì)量和可運(yùn)算分析性值得關(guān)注。本研究用到的氣象傳感器均采用的低功耗且采集原理符合氣象標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備，獲得的氣象數(shù)據(jù)與現(xiàn)有氣象數(shù)據(jù)格式、單位一致，且會(huì)經(jīng)過程序設(shè)計(jì)進(jìn)行質(zhì)量控制。另外，本研究主要想彌補(bǔ)數(shù)據(jù)密度不足問題，在誤差允許范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)質(zhì)量基本能夠得到保證。

3.2 氣象數(shù)據(jù)安全問題

隨著物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)市場的擴(kuò)大，物聯(lián)網(wǎng)安全問題凸顯。而很多安全問題來自于不安全的設(shè)計(jì)，因此本研究將在產(chǎn)品設(shè)計(jì)之初考慮安全因素，做好數(shù)據(jù)加解密處理。首先通過電路板上的CPU程序進(jìn)行軟件加密，數(shù)據(jù)從NB-IOT物聯(lián)網(wǎng)下發(fā)到用戶應(yīng)用服務(wù)器時(shí)再進(jìn)行解密處理。加密采用的是DES算法，加解密使用相同的密鑰。

4 物聯(lián)網(wǎng)氣象服務(wù)應(yīng)用場景舉例

應(yīng)用服務(wù)器獲取到關(guān)注區(qū)的氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)后，首先是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行基本的分析和加工處理，然后可通過手機(jī)APP等終端向用戶靶向推送天氣實(shí)況數(shù)據(jù)和雨量報(bào)警等災(zāi)害信息。

物聯(lián)網(wǎng)氣象數(shù)據(jù)具有針對(duì)性強(qiáng)的特點(diǎn)，它除了在城市防災(zāi)救災(zāi)和城市規(guī)劃項(xiàng)目設(shè)計(jì)領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用價(jià)值外，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，通過在農(nóng)業(yè)種植地點(diǎn)部署NB-IOT傳感器終端，構(gòu)建智慧農(nóng)業(yè)氣象監(jiān)測、預(yù)警和氣象災(zāi)害防御系統(tǒng)，獲取實(shí)時(shí)氣象數(shù)據(jù)，并將氣象信息通過手機(jī)APP終端軟件傳送給農(nóng)戶［13]，可以幫助農(nóng)民實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料科學(xué)、有針對(duì)性的投放和管理，更好的開展農(nóng)事生產(chǎn)活動(dòng)和劃定農(nóng)業(yè)種植范圍，提升農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)。

未來，與氣象比較密切的行業(yè)，像生態(tài)文明建設(shè)，物流、醫(yī)學(xué)、交通、旅游以及清潔能源、電力等方面，物聯(lián)網(wǎng)氣象數(shù)據(jù)也可以發(fā)揮很大的作用。

5 結(jié)論

本研究分析了NB-IOT物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在現(xiàn)有氣象監(jiān)測站網(wǎng)盲區(qū)和防災(zāi)減災(zāi)需求區(qū)中應(yīng)用前景和可行性，重點(diǎn)闡述了如何構(gòu)建氣象智能控制系統(tǒng)；在中國電信物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)上如何添加產(chǎn)品和設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種氣象數(shù)據(jù)的監(jiān)控和告警功能。通過設(shè)備直接連接到物聯(lián)網(wǎng)，再從物聯(lián)網(wǎng)下發(fā)數(shù)據(jù)到用戶端的方式，實(shí)現(xiàn)了氣象要素單連接傳輸?shù)接脩魬?yīng)用服務(wù)器的目的，避免了以往多層面?zhèn)鬏數(shù)膹?fù)雜操作，減輕了服務(wù)器的壓力和降低了對(duì)服務(wù)器本身的要求。同時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)卡費(fèi)用低廉，年均幾十塊的通信費(fèi)用也使得運(yùn)行成本明顯降低。另外，本研究也分析了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下氣象數(shù)據(jù)質(zhì)量和氣象數(shù)據(jù)安全問題，并提出了有針對(duì)性的解決方案和解釋。由于物聯(lián)網(wǎng)氣象數(shù)據(jù)具有針對(duì)性強(qiáng)的特點(diǎn)，最后介紹了物聯(lián)網(wǎng)氣象具體應(yīng)用場景，尤其是在農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)中應(yīng)用前景廣闊，這為解決氣象部門長期以來為農(nóng)氣象服務(wù)工作進(jìn)展緩慢找到了新的切入點(diǎn)。

由于NB-IOT物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)還是新興的發(fā)展技術(shù)，本研究只是做了比較初步的分析和探索，其在氣象服務(wù)中的應(yīng)用仍有很多細(xì)節(jié)工作要在接下來的項(xiàng)目實(shí)施中開展。