鄒慶彪，譚晗凌，黃飛龍，曾慧明

（廣東省氣象探測數(shù)據(jù)中心，廣東廣州 510080）

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，目前流行的新媒體如微博［1］、微信公眾號(hào)［2-3］、抖音等［4］為公眾提供了更全面、更豐富的氣象服務(wù)和防災(zāi)信息，極大地推動(dòng)了氣象服務(wù)領(lǐng)域持續(xù)健康的發(fā)展［5］。但隨著新媒體的種類、數(shù)量以及傳遞的信息越來越多，一些短板也隨之出現(xiàn)。過多的氣象信息對于公眾可能會(huì)存在疲于關(guān)注甚至是主動(dòng)忽略的情況，而專業(yè)化的氣象信息和氣象服務(wù)如雷達(dá)回波圖等對于公眾有一定的獲取難度從而導(dǎo)致較少的關(guān)注。除此之外，大部分新媒體需要借助智能手機(jī)APP傳播信息，部分不用智能手機(jī)的老人、兒童或不關(guān)注微博、公眾號(hào)等新媒體的人群則無法獲取相關(guān)氣象服務(wù)，從而導(dǎo)致受眾群體有限，氣象服務(wù)和預(yù)警信息未能全覆蓋。

目前，根據(jù)廣東省氣象局站網(wǎng)系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)，廣東省已經(jīng)建設(shè)了地基氣象觀測站約6 500多個(gè)，而根據(jù)《廣東省綜合氣象觀測站網(wǎng)規(guī)劃（2021—2025，遠(yuǎn)景至2035）》的規(guī)劃，未來將新增各類地基氣象觀測站約11 000個(gè)。其中，除了常規(guī)氣象觀測站外，還有為特定行業(yè)和部門開展專業(yè)領(lǐng)域氣象服務(wù)的應(yīng)用氣象觀測站和志愿氣象觀測站，如交通氣象站、生物預(yù)警和氣象綜合監(jiān)測站等，均存在數(shù)據(jù)大屏展示的需求。在此背景下，為進(jìn)一步拓寬和優(yōu)化氣象服務(wù)的方式和水平，充分利用大量的觀測站資源，針對新媒體的短板，切實(shí)提高氣象服務(wù)和預(yù)警信息的實(shí)用性、時(shí)效性、普適性和精準(zhǔn)度，本研究介紹了一套基于嵌入式技術(shù)和無線通信技術(shù)的氣象自動(dòng)站數(shù)據(jù)展示系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)云服務(wù)器數(shù)據(jù)或自動(dòng)站數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程戶外投放的功能。該系統(tǒng)能結(jié)合自動(dòng)站資源，通過無線的方式為公眾提供實(shí)時(shí)的、輕量化定制的氣象服務(wù)，能廣泛應(yīng)用于交通站、農(nóng)業(yè)生態(tài)站等場景為系統(tǒng)周圍的用戶和人民群眾提供直觀的氣象觀測數(shù)據(jù)和預(yù)警預(yù)報(bào)信息。

1 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)是基于嵌入式技術(shù)和無線通訊技術(shù)設(shè)計(jì)和開發(fā)，基于嵌入式WebSocket技術(shù)［6-7］實(shí)現(xiàn)嵌入式服務(wù)器功能，基于4G 通訊技術(shù)和WiFi/LoRa無線組網(wǎng)技術(shù)［8-9］實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的流通，打通了云服務(wù)器和采集器到戶外顯示屏和移動(dòng)設(shè)備的通訊鏈路，實(shí)現(xiàn)了云數(shù)據(jù)或自動(dòng)站數(shù)據(jù)到戶外顯示屏的點(diǎn)對點(diǎn)通訊。

該系統(tǒng)主要功能是根據(jù)用戶的需求從遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫或本地自動(dòng)站獲取實(shí)時(shí)氣象要素?cái)?shù)據(jù)，或者結(jié)合相關(guān)的預(yù)警預(yù)報(bào)信息，加工生成產(chǎn)品并根據(jù)實(shí)際情況通過WiFi/LoRa等通訊方式傳輸給站點(diǎn)附近的顯示屏幕和移動(dòng)設(shè)備以提供豐富的氣象數(shù)據(jù)展示畫面和實(shí)時(shí)預(yù)警預(yù)報(bào)信息。為滿足系統(tǒng)的實(shí)用性、易用性，同時(shí)兼顧魯棒性，考慮到一般的氣象服務(wù)的時(shí)效性要求，該系統(tǒng)由數(shù)據(jù)源、嵌入式設(shè)備、顯示模塊組成，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成示意圖

1）數(shù)據(jù)源。

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)可以來源于氣象專網(wǎng)服務(wù)器和觀測場的采集器?？紤]到服務(wù)產(chǎn)品的更新周期，專網(wǎng)服務(wù)器由氣象數(shù)據(jù)庫和UDP服務(wù)器組成［10］。UDP服務(wù)器采用C#編寫，封裝了設(shè)備認(rèn)證的功能，能通過HTTP向數(shù)據(jù)庫接口請求數(shù)據(jù)并做出相應(yīng)的解析、數(shù)據(jù)封裝和主動(dòng)轉(zhuǎn)發(fā)。

2）嵌入式設(shè)備。

該部分由4G/IoT通訊模塊、主控模塊、WiFi/LoRa通訊模塊組成。4G/IoT通訊模塊使用氣象局專網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)卡，因而可以接收專網(wǎng)服務(wù)器發(fā)來的數(shù)據(jù)。主控模塊由ESP32模組［11］、電源模塊、數(shù)據(jù)通信模塊組成，采用Arduino平臺(tái)對其進(jìn)行嵌入式軟件開發(fā)；電源模塊使用AMS1117系列的5 V轉(zhuǎn)3.3 V線性穩(wěn)壓器；ESP32采用TTL電平通訊，因此數(shù)據(jù)通信模塊由SIPEX公司生產(chǎn)的SP3232組成，完成TTL到RS-232的轉(zhuǎn)換。

3）顯示模塊。

顯示模塊由WiFi/LoRa接收模塊和顯示設(shè)備或僅移動(dòng)設(shè)備組成。若接收模塊搭配顯示屏，則兩者通過串口進(jìn)行通訊，顯示屏可以是智能大屏電視和LED點(diǎn)陣顯示屏。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 服務(wù)器與嵌入式設(shè)備的通信

為滿足低功耗、減少網(wǎng)絡(luò)流量等要求，服務(wù)器采用UDP的數(shù)據(jù)傳輸方式，封裝了設(shè)備認(rèn)證、智能發(fā)送、報(bào)文加密的功能。服務(wù)器的工作流程如圖2所示。

圖2 服務(wù)器任務(wù)流程示意圖

服務(wù)器主要完成2個(gè)任務(wù)，接收設(shè)備的注冊消息并更新在線列表和根據(jù)在線列表完成數(shù)據(jù)發(fā)送。一方面，注冊消息的報(bào)文按協(xié)議的格式進(jìn)行校驗(yàn)；另一方面，服務(wù)器會(huì)按照預(yù)設(shè)的發(fā)送周期檢查數(shù)據(jù)庫里的在線列表，根據(jù)在線情況和設(shè)備號(hào)預(yù)設(shè)的請求接口地址請求數(shù)據(jù)并按照相應(yīng)的協(xié)議加密數(shù)據(jù)并發(fā)送至客戶端。報(bào)文格式如圖3所示。

圖3 報(bào)文格式

主控模塊開機(jī)時(shí)，需要先向4G/IoT模塊發(fā)送AT指令完成網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)等參數(shù)的設(shè)置和啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的工作，隨后才能正常收發(fā)數(shù)據(jù)。為保證主控模塊保持在線狀態(tài)，發(fā)送注冊信息的周期為顯示模塊請求產(chǎn)品周期的1/3。

2.2 數(shù)據(jù)解析及產(chǎn)品生成

根據(jù)用戶定義的數(shù)據(jù)來源，主控模塊有兩種任務(wù)流程，如圖4所示。主控模塊可以通過4G/IoT通訊模塊從氣象內(nèi)網(wǎng)UDP服務(wù)器或通過RS232接口從采集器獲取氣象數(shù)據(jù)，用戶可根據(jù)實(shí)際需要選擇不同的數(shù)據(jù)獲取方式。

圖4 主控模塊任務(wù)流程示意圖

當(dāng)主控模塊收到數(shù)據(jù)后對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)、解析和產(chǎn)品生成。如果校驗(yàn)失敗，則丟棄數(shù)據(jù)。校驗(yàn)成功后，嵌入式系統(tǒng)會(huì)將數(shù)據(jù)按照預(yù)定的格式解析并保留在內(nèi)存棧中，直到下一次數(shù)據(jù)的更新。

主控模塊的分區(qū)表1所示，將Flash分為了4個(gè)部分。其中，app0約占2560KB用于存放主控程序，而spiffs分區(qū)占用內(nèi)存約1 472 kB用于創(chuàng)建SPIFFS文件系統(tǒng)。在燒錄主控模塊的固件時(shí)，會(huì)將預(yù)先基于HTML5+JavaSricpt［12］開發(fā)的模板網(wǎng)頁（CSS、HTML以及JS文件）存入Flash的spiffs分區(qū)當(dāng)中。在嵌入式系統(tǒng)運(yùn)行的過程中，如果有顯示模塊對產(chǎn)品進(jìn)行請求，嵌入式系統(tǒng)會(huì)按照產(chǎn)品模板對此時(shí)的內(nèi)存進(jìn)行搜索獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)，并將模板和數(shù)據(jù)進(jìn)行整合形成展示網(wǎng)頁。

表1 主控模塊分區(qū)表

2.3 產(chǎn)品推送及展示

如圖4所示，主控模塊開機(jī)后會(huì)啟動(dòng)WiFi或者LoRa建立熱點(diǎn)并啟動(dòng)嵌入式Web服務(wù)。該服務(wù)基于WebSocket協(xié)議，可以使得主控模塊和客戶端建立在單個(gè)TCP連接上進(jìn)行的全雙工通訊，以便任一方都可以通過建立的連接將數(shù)據(jù)推送到另一端，且只需要建立一次連接，就可以一直保持連接狀態(tài)，比傳統(tǒng)的HTTP協(xié)議更加高效和實(shí)用。

WiFi和LoRa兩種網(wǎng)絡(luò)適用的情景不同，Lo-Ra的傳輸速率為幾百到幾十Kbps（速率越低傳輸距離越長），傳輸距離在城鎮(zhèn)中可達(dá)2～5 km，郊區(qū)可達(dá)15 km，通過中繼功能可以大幅度增加傳輸距離，適合低數(shù)據(jù)速率和長距離傳輸；WiFi傳輸速率一般為11 Mbps，適合大數(shù)據(jù)量和短距離的情況。用戶可以根據(jù)實(shí)際情況選擇相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸方式。當(dāng)客戶端成功連上熱點(diǎn)后，根據(jù)特定的API周期性地請求產(chǎn)品，并根據(jù)設(shè)備的類型進(jìn)行產(chǎn)品的展示。為實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)應(yīng)用，解決不同顯示設(shè)備屏幕大小存在差異的問題，在編寫產(chǎn)品模板時(shí)，采用了網(wǎng)頁自適應(yīng)技術(shù)使頁面能自動(dòng)匹配設(shè)備的屏幕大小，因此不同設(shè)備類型獲取的產(chǎn)品都不會(huì)出現(xiàn)比例失真的現(xiàn)象。當(dāng)顯示屏設(shè)備為LED點(diǎn)陣顯示屏?xí)r，接收模塊將數(shù)據(jù)解析為相應(yīng)的格式即可供LED顯示屏正常顯示。

3 氣象服務(wù)功能設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)軟硬件組成情況，為滿足進(jìn)一步拓寬面向社會(huì)的氣象服務(wù)方式和水平，系統(tǒng)可以提供精準(zhǔn)的氣象服務(wù)、定制化的服務(wù)范圍、個(gè)性化的展示。

3.1 精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)服務(wù)

用戶可以根據(jù)氣象服務(wù)面向的目標(biāo)群體選擇相應(yīng)的氣象數(shù)據(jù)和預(yù)警信息，如面向高速公路則可以著重選擇能見度、雨量和道路預(yù)警信息等要素；如面向農(nóng)業(yè)服務(wù)，則可以著重選擇雨量、溫度、輻射等要素。除此之外，用戶也可以選擇獲取并展示產(chǎn)品圖片，如雷達(dá)產(chǎn)品圖、衛(wèi)星云圖等。遠(yuǎn)程服務(wù)器根據(jù)用戶需求，從數(shù)據(jù)庫接口獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)后通過UDP服務(wù)器發(fā)送至主控模塊并推送至指定的客戶端，從而形成精準(zhǔn)的氣象服務(wù)。

3.2 靈活的通信服務(wù)

用戶可以定制氣象服務(wù)覆蓋的范圍，根據(jù)范圍的大小選擇使用不同的通訊方式。如農(nóng)村或小城鎮(zhèn)建設(shè)有氣象站，即可采用本系統(tǒng)向群眾提供實(shí)時(shí)的氣象數(shù)據(jù)，讓群眾更方便地獲取和直觀地認(rèn)識(shí)天氣情況。

3.3 個(gè)性化的展示

根據(jù)用戶的需求可以定制不同的展示模板和展示內(nèi)容，從而實(shí)現(xiàn)個(gè)性化的氣象服務(wù)展示頁面，以滿足不同場合下的需求，如用于科普展示時(shí)需要豐富的界面，用于農(nóng)場等場合則追求直觀的展示界面。

4 應(yīng)用情況

廣州大學(xué)于2020年6月建設(shè)了一個(gè)觀測場用于教學(xué)和科普，由于用戶要求在觀測場和教室內(nèi)都能查看自動(dòng)站的數(shù)據(jù)，因此在該站安裝了第1章所述的系統(tǒng)。在該站中，由于數(shù)據(jù)未上傳至省局?jǐn)?shù)據(jù)庫且用戶只需要本站的數(shù)據(jù)，因此系統(tǒng)不需要4G/IoT通訊模塊，主控模塊直接通過RS232串口從采集器獲取數(shù)據(jù)。通過主控模塊建立的WebServer服務(wù)和基于LoRa創(chuàng)建的熱點(diǎn)，顯示屏側(cè)的顯示模塊能夠接收數(shù)據(jù)并讓顯示屏展示。在觀測場選用了LED顯示屏，如圖5a所示。在200 m外的教室中，考慮到個(gè)性化的教學(xué)展示需求，顯示屏使用智能電視，其展示頁面如圖5b所示。

圖5 LED點(diǎn)陣（a）和智能電視（b）顯示屏展示效果圖

經(jīng)用戶反饋，該系統(tǒng)自布設(shè)至今運(yùn)行穩(wěn)定。

5 結(jié)論

本研究介紹了一套自主設(shè)計(jì)的基于嵌入式技術(shù)和無線通信技術(shù)開發(fā)的氣象自動(dòng)站無線通信及數(shù)據(jù)展示系統(tǒng)。該系統(tǒng)能通過無線的方式為用戶提供實(shí)時(shí)的輕量化定制的氣象數(shù)據(jù)服務(wù)，能在嵌入式設(shè)備附近的顯示屏幕上提供豐富的氣象數(shù)據(jù)展示。由于其具有無線和嵌入式的特點(diǎn)，因此具有較高的靈活性和較廣的應(yīng)用范圍，能切實(shí)提高氣象服務(wù)的實(shí)用性、時(shí)效性、普適性。

除了展示傳統(tǒng)的自動(dòng)氣象站要素外，該系統(tǒng)還能展示產(chǎn)品圖片和相關(guān)預(yù)警信息，如雷達(dá)產(chǎn)品、衛(wèi)星產(chǎn)品、城市預(yù)警預(yù)報(bào)等。與新媒體的氣象服務(wù)相比，憑借將來大規(guī)模興建的自動(dòng)氣象站，該系統(tǒng)能使群眾獲取更加精準(zhǔn)的、易于獲取和直觀的氣象信息，極大地拓寬了氣象服務(wù)的方式，提高氣象服務(wù)水平。