黃飛龍， 譚晗凌， 霍 亞

(廣東省氣象探測數(shù)據(jù)中心，廣州 510699)

0 引言

全國自動氣象站數(shù)量超過55 000個[1]，覆蓋了天氣和氣候關(guān)鍵區(qū)域、沿海和山地災(zāi)害多發(fā)區(qū)、水陸交通要道和人口密集區(qū)域，為臺風(fēng)、暴雨等氣象災(zāi)害的防災(zāi)減災(zāi)提供準(zhǔn)確可靠的觀測數(shù)據(jù)，為季風(fēng)、熱帶海洋和大城市群等氣候研究提供了連續(xù)穩(wěn)定的觀測數(shù)據(jù)，也為重大政治經(jīng)濟(jì)活動、公眾集體活動和生產(chǎn)生活的氣象服務(wù)提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)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)是自動氣象站的發(fā)展趨勢。通過連接周邊用戶的智能終端，物聯(lián)化自動氣象站可以讓用戶獲取身邊的實(shí)時氣象數(shù)據(jù)，形成 “觀測即服務(wù)”能力。地面氣象觀測技術(shù)發(fā)展必然與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和智能技術(shù)結(jié)合，并且同時滿足專業(yè)觀測與大眾服務(wù)要求[2]。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在各個行業(yè)得到了普遍的應(yīng)用[3-6]，但與自動氣象站的融合未得到深入的研究。文獻(xiàn)[7]通過NB-IoT網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫耍瑢?shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)交互與網(wǎng)絡(luò)控制。文獻(xiàn)[8]在分布式自動氣象站現(xiàn)場核查系統(tǒng)中應(yīng)用了無線遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)，文獻(xiàn)[9]驗(yàn)證了無線接入的多要素智能傳感器設(shè)計(jì)的可行性。自動氣象站只是部分利用了無線網(wǎng)絡(luò)作為傳輸，沒有以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)結(jié)合自身特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)觀測方法和服務(wù)模式的轉(zhuǎn)變，沒有達(dá)到質(zhì)的飛躍，難以滿足智慧城市智能綜合觀測網(wǎng)的建設(shè)需求。本文以自動氣象站信號特點(diǎn)、數(shù)據(jù)傳輸要求和智能服務(wù)要求為研究對象，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)無線技術(shù)，提出物聯(lián)網(wǎng)與自動氣象站深度融合方法，一方面促進(jìn)自動氣象站觀測領(lǐng)域在信息化、智能化方面的發(fā)展，另一方面也為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在不同的領(lǐng)域深度的垂直應(yīng)用提供一個參考方法。

1 物聯(lián)需求研究

1.1 設(shè)備傳輸特點(diǎn)分析

傳統(tǒng)自動氣象站各部件的連接方式和數(shù)據(jù)特點(diǎn)分析如下。如圖1所示，風(fēng)向、風(fēng)速、雨量、氣壓、氣溫、濕度、能見度和蒸發(fā)等氣象要素傳感器通過幾米到幾十米不等的雙絞線把電壓或者電流信號直接與主機(jī)接線板相連[10]。由于連接距離較遠(yuǎn)而且野外運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，雙絞線的兩端都需要進(jìn)行抗干擾和防雷保護(hù)。信號傳輸特點(diǎn)是距離遠(yuǎn)、信號弱、易受干擾。采集器按照設(shè)定的頻率和采樣窗口長度，對各種要素進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣：每個要素每分鐘約30個樣本(風(fēng)速需要240個樣本)[11]，采樣特點(diǎn)是時鐘精度要求高，時間一致性強(qiáng)。采集器對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制、異常判定和統(tǒng)計(jì)處理之后，每分鐘通過幾十米到一百米不等的雙絞線發(fā)送一份統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)(約1 kb)到電腦，傳輸特點(diǎn)是數(shù)據(jù)量少，但連續(xù)性和及時性要求高，再通過局域網(wǎng)將數(shù)據(jù)進(jìn)行本地應(yīng)用和遠(yuǎn)程共享。自動氣象站是一個有線連接的整體，各個傳感器由采集器統(tǒng)一連接和管理，僅僅發(fā)揮了感應(yīng)的作用。

圖1 傳統(tǒng)連接架構(gòu)

1.2 物聯(lián)化目標(biāo)

自動氣象站物聯(lián)化的目標(biāo)架構(gòu)如圖2所示。傳感器與采集器之間不再通過易受干擾的模擬信號連接，而是采用一種可靠的無線連接組網(wǎng)，發(fā)送實(shí)時短數(shù)據(jù)流，解決復(fù)雜環(huán)境下傳感器安裝布設(shè)的走線和干擾問題，這種無線網(wǎng)絡(luò)要求具有低功耗、可多點(diǎn)相互連接、可便于節(jié)點(diǎn)管理且在幾十米范圍內(nèi)可快速傳輸。采集器和本地化應(yīng)用之間采用另一種無線網(wǎng)絡(luò)傳輸準(zhǔn)實(shí)時服務(wù)信息，這種網(wǎng)絡(luò)要求易于接入用戶現(xiàn)有的智能終端，能同時向多個用戶提供數(shù)據(jù)服務(wù)，但實(shí)時性要求不高，允許一定的延遲，甚至允許重新加載。當(dāng)采集器將數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)十公里乃至數(shù)百公里外的數(shù)據(jù)中心，需要借助遠(yuǎn)程傳輸公用網(wǎng)絡(luò)，為了提高遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的及時率和實(shí)現(xiàn)更多智能交互功能，要求該網(wǎng)絡(luò)具有低時延和高可靠的特點(diǎn)。

圖2 物聯(lián)化架構(gòu)

硬件方面，傳感器之間、傳感器與采集器之間相互獨(dú)立，互不干擾，提高了系統(tǒng)整體的可靠性，并且安裝和布線更為靈活；軟件方面，傳感器與傳感器之間可相互通信，相互校驗(yàn)測量準(zhǔn)確性，還可以把復(fù)雜的邊緣計(jì)算功能放在采集器上，提高自動氣象站的智慧能力和多元服務(wù)的能力，提高遠(yuǎn)程中心與設(shè)備的交互能力。通過與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融合，自動氣象站能增強(qiáng)自身的場景適應(yīng)能力、觀測能力和應(yīng)用便利性，拓展了數(shù)據(jù)共享的渠道和空間，使得它自身不僅僅是一個傳統(tǒng)的、孤立的測量節(jié)點(diǎn)，而能夠利用無處不在的城市物聯(lián)網(wǎng)組成一個更大的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，發(fā)揮更大的數(shù)據(jù)影響力。

通過自動氣象站信號特點(diǎn)、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)服務(wù)需求的深入分析，對比常用無線網(wǎng)絡(luò)的性能特點(diǎn)[12-14]，研究結(jié)果顯示ZigBee技術(shù)適用于傳感器與采集器之間組成內(nèi)部實(shí)時采集網(wǎng)絡(luò)，WiFi技術(shù)適用于提供本地化的數(shù)據(jù)傳輸和應(yīng)用服務(wù)，而5 G技術(shù)適用于定時數(shù)據(jù)或者實(shí)時交互命令的遠(yuǎn)程傳輸[15]，下面闡述具體的融合方法。

2 傳感器自組網(wǎng)

自組網(wǎng)技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)智能化的重要特征[16]。為便于構(gòu)建智能泛在的觀測網(wǎng)，在城市復(fù)雜環(huán)境下安裝建設(shè)，融合ZigBee組網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)傳感器之間、傳感器與采集器之間的智能化連接，建立傳感器探測網(wǎng)絡(luò)，提升自動氣象站智能觀測范圍、密度、種類和時效等性能。

2.1 ZigBee模塊集成

ZigBee無線通信技術(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)[17]。相較于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，ZigBee無線通信技術(shù)表現(xiàn)出更為高效、便捷的特征。作為一項(xiàng)近距離、低成本、低功耗的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，ZigBee無線通信技術(shù)關(guān)于組網(wǎng)、安全及應(yīng)用軟件方面的技術(shù)是基于IEEE批準(zhǔn)的802.15.4無線標(biāo)準(zhǔn)。

本設(shè)計(jì)選擇無線頻率為2.4 GHz的ZigBee模塊，3.3 V供電下平均工作電流不超過25 mA，傳輸距離達(dá)1 km。采集器和智能傳感器的MCU通過TTL電平的UART與模塊相連，并配置2個I/O端口分別控制模塊的自動搜尋網(wǎng)絡(luò)功能和重啟功能，2個LED燈用于顯示ZigBee模塊通電狀態(tài)和傳輸數(shù)據(jù)狀態(tài)。

2.2 自組網(wǎng)觀測

由于城市建筑環(huán)境復(fù)雜和安裝空間有限，歸屬同一個自動氣象站管理的傳感器很可能需要安裝在不同的建筑物上，彼此之間直線距離很短但是難以通過線纜連接。通過內(nèi)置的ZigBee模組，傳感器可以與采集器在1 km范圍內(nèi)實(shí)時通信，經(jīng)過自動的站號分配、采集器節(jié)點(diǎn)管理和傳感器節(jié)點(diǎn)管理等程序處理，傳感器所采集到的氣象數(shù)據(jù)將被解析和讀取，與采集器自身采集的數(shù)據(jù)融合為一個整體，便于數(shù)據(jù)一體化存儲和調(diào)用。因此附近的傳感器和采集器通過ZigBee物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以自動組成一個智能自動氣象站，便于站點(diǎn)設(shè)備的管理、數(shù)據(jù)的統(tǒng)一采集和數(shù)據(jù)比對等應(yīng)用。

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)流程如圖3所示，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，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)。通過用戶配置站點(diǎn)號和工作模式，采集器可設(shè)置為主設(shè)備或者從設(shè)備，從設(shè)備將測量到的數(shù)據(jù)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)實(shí)時發(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，完成多種觀測要素數(shù)據(jù)的同步計(jì)算、數(shù)據(jù)融合、整體存儲和遠(yuǎn)程傳輸。

圖3 ZigBee組網(wǎng)流程

3 本地物聯(lián)服務(wù)

3.1 模塊集成

通過內(nèi)置的WiFi模組，采集器可采用AP方式提供實(shí)時數(shù)據(jù)的web服務(wù)，方便多個本地用戶同時查看數(shù)據(jù)或者將數(shù)據(jù)發(fā)送到智能電視等對公眾展示的顯示屏上[18]，實(shí)現(xiàn)觀測數(shù)據(jù)即時服務(wù)。具體方案如下：選擇支持802.11 b/g/n無線標(biāo)準(zhǔn)且通過CE/FCC/ROHS標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證的模塊，采用工業(yè)級高性能嵌入式結(jié)構(gòu)，運(yùn)行在AP模式的時候最多可容納24個智能終端同時連接，也可以同時容納24個TCP客戶端。利用模塊的AP工作模式，實(shí)現(xiàn)無線物聯(lián)網(wǎng)接入的web頁面配置和自動氣象站數(shù)據(jù)服務(wù)和設(shè)備控制管理。

硬件集成最小電路原理如圖4所示，左邊為氣象站主采集器MCU，右邊為WiFi模塊，兩者通過接收端和發(fā)送端交叉連接的UART端口進(jìn)行通信，將MCU復(fù)用I/O端口的PC8、PA15與模塊的Reload和Reset端口連接，實(shí)現(xiàn)MCU對模塊的參數(shù)復(fù)位和電氣復(fù)位功能，使用LED1、LED2燈連接模塊的Ready和Link端口，顯示模塊的工作狀態(tài)和聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)。為滿足WiFi模塊發(fā)送時功耗需求，其電源輸入端配置100 μF以上的電容。

圖4 WiFi模塊連接圖

3.2 工作流程

當(dāng)智能終端連接上采集器的WiFi網(wǎng)絡(luò)，可在簡潔的web配置界面使用無線組網(wǎng)AT命令和Socket命令對WiFi自身的參數(shù)進(jìn)行配置，包括操作模式、SSID、登錄密碼、加密模式、網(wǎng)絡(luò)IP、UART的波特率和數(shù)據(jù)位等。測量數(shù)據(jù)從采集器MCU通過UART實(shí)時傳輸?shù)絎iFi模塊之后，按每日一個文件存在WiFi緩存TF卡中，在智能終端打開數(shù)據(jù)界面的時候即調(diào)用TF卡數(shù)據(jù)進(jìn)行表格顯示和趨勢繪圖。采用緩存的方式降低了WiFi多用戶同時連接并請求歷史數(shù)據(jù)時產(chǎn)生的擁堵現(xiàn)象，提高了數(shù)據(jù)展示的用戶體驗(yàn)。采用HTML5框架開發(fā)美觀和個性化的web服務(wù)界面，展示數(shù)據(jù)和設(shè)備狀態(tài)信息。

3.3 WiFi交互設(shè)計(jì)

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)時采集任務(wù)的同時滿足智能終端多用戶的交互需要。如圖5所示，采集器主動發(fā)送的數(shù)據(jù)包含每個氣象要素實(shí)時的觀測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)時交互。而智能終端與WiFi模塊之間則采用多用戶輪詢的異步方式，請求數(shù)據(jù)和返回數(shù)據(jù)并不需要很強(qiáng)的實(shí)時性，WiFi環(huán)節(jié)起到數(shù)據(jù)緩沖和管理用戶的作用。通過命令系統(tǒng)和格式化數(shù)據(jù)協(xié)議，智能終端可通過WiFi網(wǎng)絡(luò)對自動氣象站進(jìn)行系列操作，所能查詢和設(shè)置的參數(shù)主要包括：臺站編號、時間日期、要素開關(guān)、傳感器類型、傳感器靈敏度、采集器主動傳輸?shù)念l率、通信端口使能和模擬端口配置等。

圖5 WiFi交互原理

4 遠(yuǎn)程智能控制

自動氣象站作為一個專業(yè)的測量設(shè)備，需要對測量數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行控制[1]，提高數(shù)據(jù)的可靠性。傳感器或者采集器將模擬電壓、模擬電流信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換采樣之后，首先要根據(jù)質(zhì)控規(guī)則和閾值參數(shù)對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行初級的測量極值范圍檢查和采樣變化率檢查。檢查異常的采樣數(shù)據(jù)被標(biāo)記了之后，不參與下一步的計(jì)算。合格的采樣數(shù)據(jù)用于計(jì)算氣象瞬時值時，還需要根據(jù)質(zhì)控規(guī)則和閾值參數(shù)進(jìn)行二級質(zhì)控，包括氣候極值和氣象瞬時值的變化率檢查。檢查結(jié)果通過質(zhì)控碼和傳感器狀態(tài)碼的形式，在實(shí)時報文中與數(shù)據(jù)一起通過5 G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到云端的數(shù)據(jù)中心以便提供數(shù)據(jù)共享和產(chǎn)品服務(wù)。自動氣象站配置5 G-IoT通信模塊，可通過移動通信網(wǎng)絡(luò)與云中心服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)雙向傳輸，實(shí)現(xiàn)自動氣象站數(shù)據(jù)質(zhì)量控制、遠(yuǎn)程管理和數(shù)據(jù)共享。

圖6 閉環(huán)質(zhì)控流程

由于自動氣象站是長期工作的野外設(shè)備，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值變化率)，與工作地點(diǎn)、季節(jié)和服務(wù)類型有關(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)也會發(fā)生變化。同一個設(shè)備在同一個地點(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)沒有發(fā)生變化，但設(shè)備服務(wù)類型被修改，氣象要素的最大允許誤差也可能發(fā)生變化，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)中自動氣象站通過5 G網(wǎng)絡(luò)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)則庫中，實(shí)時地改進(jìn)本設(shè)備的觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量。而本設(shè)備對某些極端天氣的實(shí)時觀測數(shù)據(jù)經(jīng)過質(zhì)控，在質(zhì)控碼提出可疑告警之后，云中心將會根據(jù)附近其他自動氣象站或者天氣雷達(dá)等多源數(shù)據(jù)對可疑數(shù)據(jù)進(jìn)行對比驗(yàn)證，確認(rèn)無誤之后用于更新云中心歷史規(guī)則庫。通過5 G物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時數(shù)據(jù)的上傳和歷史規(guī)則的下載，實(shí)現(xiàn)了觀測數(shù)據(jù)閉環(huán)質(zhì)控的智能化，持續(xù)改進(jìn)自動氣象站的觀測質(zhì)量。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為驗(yàn)證本設(shè)計(jì)方法，采用氣象業(yè)務(wù)在用的DZZ1-2型自動氣象站[19]作為原型機(jī)進(jìn)行物聯(lián)化，關(guān)鍵部件如下：ARM芯片STM32F207，F(xiàn)LASH芯片K9LBG08，模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7792，WiFi模組ESP32-S，ZigBee芯片CC2630，SL2-1型雨量傳感器，HMP155型溫濕度傳感器，XFY9-1型螺旋槳風(fēng)向風(fēng)速傳感器以及SETRA270型氣壓傳感器。

主采集器如圖7所示，前面板上的插座用于連接部分傳感器、12 VDC供電以及通信線纜，后面板上安裝ZigBee天線。通過ZigBee自組網(wǎng)，物聯(lián)化的風(fēng)傳感器和雨量傳感器可與主采集器組成一個局部探測網(wǎng)絡(luò)，通過主采集器的5 G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。在空間距離為25 m的距離內(nèi)，智能傳感器上電10 s內(nèi)即可連接上采集器，滿足專業(yè)氣象觀測場范圍(25 m×25 m)站[20]內(nèi)的快速連接組網(wǎng)，在自動路由狀態(tài)下，智能傳感器可以布設(shè)到更遠(yuǎn)的位置。

圖7 儀器實(shí)現(xiàn)

圖8 WiFi功能展示

自動氣象站附近20 m范圍內(nèi)的的公眾可以使用手機(jī)、平板或者室內(nèi)智能電視機(jī)連接到氣象站W(wǎng)iFi的AP熱點(diǎn)，打開瀏覽器比較流暢的查看實(shí)時的氣象站觀測數(shù)據(jù)。當(dāng)查看某一個氣象要素一天的發(fā)展趨勢的時候，歷史數(shù)據(jù)從TF卡緩存直接調(diào)用，手機(jī)瀏覽器2 s內(nèi)繪制曲線，無卡頓的感覺，且不影響自動氣象站實(shí)時采集系統(tǒng)正常工作。在用于社會化觀測的時候，自動氣象站的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)送觀測數(shù)據(jù)。

通過5 G公眾網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)需要經(jīng)過5G基站、骨干網(wǎng)和虛擬專網(wǎng)等復(fù)雜的路由，也能在1 s之內(nèi)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心，在不需要人工干預(yù)審核情況下，經(jīng)過云中心數(shù)據(jù)庫審核更新的質(zhì)控參數(shù)，確保在1 min之內(nèi)回傳到采集器，參與下一分鐘的數(shù)據(jù)質(zhì)控運(yùn)算。

6 結(jié)束語

自動氣象站是地面氣象觀測中建設(shè)規(guī)模最大的自動化設(shè)備，但傳統(tǒng)的設(shè)備無法為復(fù)雜的大城市微氣候環(huán)境和智慧城市氣象服務(wù)提供高可用性的數(shù)據(jù)。本研究將ZigBee、WiFi和5 G等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與自動氣象站深度融合，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)觀測設(shè)備的更新?lián)Q代，既充分利用智慧城市的網(wǎng)絡(luò)資源增強(qiáng)了自動氣象站在城市復(fù)雜環(huán)境的自適應(yīng)能力和擴(kuò)展能力，也通過閉環(huán)反饋方法提高了實(shí)時觀測網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)質(zhì)量。在綜合運(yùn)用多種無線傳輸技術(shù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)設(shè)備自身的特點(diǎn)和需求開展智能控制和智慧服務(wù)，可以深度挖掘物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在氣象觀測智能化上的價值。由于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的是無線傳輸?shù)墓_頻段，在個別場合可能會由于用戶太多或者其他同類設(shè)備造成頻段擁塞和信號干擾，進(jìn)一步將研究無線通信頻段的自動探測、自動選擇方法，提高傳輸性能和用戶體驗(yàn)。