譚晗凌，鄒慶彪，黃飛龍，周嘉健

（廣東省氣象探測(cè)數(shù)據(jù)中心，廣東廣州 510080）

根據(jù)廣東省氣象局站點(diǎn)信息管理系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)資料顯示，目前廣東省的自動(dòng)氣象站已經(jīng)超過3 000個(gè)，其中包括大量野外運(yùn)行的站點(diǎn)，如海島站、石油平臺(tái)等。布設(shè)大量的站點(diǎn)有利于提升氣象數(shù)據(jù)的分辨率，但氣象觀測(cè)設(shè)備的穩(wěn)定可靠運(yùn)行離不開維護(hù)人員的日常維護(hù)工作，大量站點(diǎn)增加了日常維護(hù)和故障出現(xiàn)的次數(shù)，極大地加重了維護(hù)保障人員的工作負(fù)擔(dān)。除此之外，目前維護(hù)保障人員對(duì)自動(dòng)氣象站進(jìn)行巡檢維護(hù)時(shí)普遍采用筆記本電腦加串口調(diào)試線的傳統(tǒng)模式，該模式應(yīng)用于野外等復(fù)雜環(huán)境時(shí)有著諸多的缺點(diǎn)：（1）筆記本電腦及相關(guān)調(diào)試設(shè)備不易攜帶；（2）不同的設(shè)備調(diào)試軟件、指令各不相同，維護(hù)人員需要全部掌握，學(xué)習(xí)成本高昂；（3）風(fēng)向、風(fēng)速和雨量等距離采集器較遠(yuǎn)的設(shè)備進(jìn)行調(diào)試時(shí)需要多人協(xié)同操作，在人手不足的情況下尤為困難［1］。這些缺點(diǎn)為開展野外巡檢保障工作增加了難度，也增加了保障人員的工作負(fù)擔(dān)。如何有效地減輕保障人員的工作負(fù)擔(dān)，提高巡檢人員的工作效率，是目前亟待解決的問題。

本研究針對(duì)上述存在的問題，設(shè)計(jì)開發(fā)了一套基于嵌入式WebSocket技術(shù)的自動(dòng)氣象站智能維修終端。該終端具有體積小、續(xù)航久、功能全、簡單易用等優(yōu)點(diǎn)，能完成DTU一鍵配置、串口通訊調(diào)試、數(shù)據(jù)采集、采集器固件升級(jí)、傳感器數(shù)據(jù)模擬等功能，有效地減輕了保障人員的工作負(fù)擔(dān)，極大地提高了維護(hù)效率。目前該終端已成功應(yīng)用于廣東省自動(dòng)氣象站維護(hù)維修工作中。

1 智能維修終端架構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 終端架構(gòu)

為滿足體積小、續(xù)航久、功能全、簡單易用的特點(diǎn)，該終端采用Esp32的嵌入式平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)。通過對(duì)Esp32的開發(fā)，使其能夠提供Web服務(wù)和WebSocket通訊服務(wù)。為了滿足跨平臺(tái)的要求，免去App的安裝要求，客戶端采用基于Htm l5技術(shù)來編寫并保存在SD卡中。維護(hù)保障人員首先通過WiFi連接Esp32，然后通過手機(jī)瀏覽器訪問客戶端，完成與終端的交互［2-5］，終端的架構(gòu)如圖1所示。設(shè)計(jì)基于嵌入式WEB和無線通信技術(shù)的自動(dòng)站智能維護(hù)終端，將從很大程度上解決傳統(tǒng)自動(dòng)站維護(hù)模式帶來的諸多問題。

圖1 智能維修終端架構(gòu)示意圖

1.2 硬件設(shè)計(jì)

1）硬件架構(gòu)。

智能維修終端的硬件框架主要包含MCU控制器單元Esp32、TTL轉(zhuǎn)RS232數(shù)據(jù)通信單元、電源管理模塊、PWM和DAC信號(hào)發(fā)生模塊、SD卡模塊等（圖2）。其中MCU模塊用于提供WEB服務(wù)和WebSocket服務(wù)；SD卡模塊用于存放App客戶端和用于升級(jí)的采集器固件等；電源模塊用于提供穩(wěn)定的電源和給鋰電池充電；PWM 和DAC信號(hào)控制單元可產(chǎn)生模擬電壓，用于快速辨別故障［6］。

圖2 智能維修終端的硬件框架示意圖

2）電源管理模塊。

考慮到戶外維修的實(shí)際情況，智能維修終端需要兼顧體積和續(xù)航。為滿足一天5 h的維護(hù)時(shí)長，電池采用聚合物鋰電池。電源管理芯片采用IP5306，該模塊集成了升壓轉(zhuǎn)換、電量指示等功能。只需要簡單的外圍電路就能夠提供最大2.4 A的輸出電流，同時(shí)效率高達(dá)96%以上。電源電路如圖3所示，其中4顆LED燈用來顯示電量，電容用來防止電源的雜波干擾。

圖3 電源電路圖

3）數(shù)據(jù)通信模塊。

由于MCU輸出的是TTL電平，因此需要TTL轉(zhuǎn)RS232模塊進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換才能與采集器的串口進(jìn)行正常通信。串口通信模塊采用SP3232芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，該芯片由SIPEX公司生產(chǎn)，具有低功耗、高速率以及只需要少量電容的優(yōu)點(diǎn)。具體外圍電路原理接線如圖4所示，其中C2—C4為規(guī)格大小僅0.1μF的電荷泵電容，用以產(chǎn)生RS232電平，兩個(gè)LED燈用來指示收發(fā)數(shù)據(jù)［7］。

圖4 數(shù)據(jù)通信模塊原理示意圖

1.3 嵌入式軟件設(shè)計(jì)

1）嵌入式Web服務(wù)。

嵌入式Web技術(shù)核心是如何有效利用嵌入式系統(tǒng)有限資源運(yùn)行TCP／IP，使系統(tǒng)具有網(wǎng)絡(luò)通信功能，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)特定功能Web應(yīng)用。整套系統(tǒng)包含實(shí)現(xiàn)TCP／IP協(xié)議應(yīng)用層的HTTP服務(wù)和WebSocket服務(wù)兩部分。由于嵌入式設(shè)備的資源與處理能力有限，為了盡可能地提高Web服務(wù)性能，采取了Gzip壓縮和服務(wù)器緩存技術(shù)以加快服務(wù)器的響應(yīng)時(shí)間。當(dāng)客戶端訪問服務(wù)器中的靜態(tài)文件時(shí)，服務(wù)器便將網(wǎng)頁內(nèi)容壓縮后傳輸給客戶端，一般對(duì)純文本內(nèi)容可壓縮到原大小的40%。同時(shí)采用Last-Modified來優(yōu)化性能，客戶端如果緩存過文件，下次再向服務(wù)器請(qǐng)求時(shí)將附帶客戶端已緩存的時(shí)間參數(shù)，服務(wù)器接收請(qǐng)求后將對(duì)時(shí)間參數(shù)進(jìn)行比較，如果時(shí)間參數(shù)不一致則將發(fā)送新的文件給客戶端，否則客戶端將使用本地緩存文件，從而有效地減小不必要的服務(wù)器硬件開銷。

2）采集器固件升級(jí)功能。

廣東省的采集器固件升級(jí)嚴(yán)格遵循YModem協(xié)議，采用標(biāo)準(zhǔn)RS232進(jìn)行通訊。YModem協(xié)議要求每一份傳輸幀由幀頭、序號(hào)、數(shù)據(jù)包、校驗(yàn)碼等組成，并在結(jié)尾處加入CRC校驗(yàn)，以提升數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量，每份包最大可包含1 024個(gè)字節(jié)。

一次完整固件升級(jí)平均耗時(shí)在3 min左右。如果升級(jí)過程采用WebSocket實(shí)時(shí)通訊方案，用戶會(huì)有長達(dá)幾分鐘的時(shí)間無法進(jìn)行其他操作，影響用戶體驗(yàn)。為了提升用戶使用感受，終端在收到升級(jí)命令后，將會(huì)自行進(jìn)入升級(jí)模式，從SD卡中讀取所需固件給采集器升級(jí)，數(shù)據(jù)傳輸過程中不需要手機(jī)控制，升級(jí)流程如圖5所示升級(jí)結(jié)束后指示燈停止閃爍［8］。

圖5 固件升級(jí)流程示意圖

3）傳感器信號(hào)模擬功能。

根據(jù)周嘉健等［9］對(duì)自動(dòng)站故障情況的分析，濕度、蒸發(fā)等電壓模擬量輸出范圍都在0～3 V以內(nèi)，因此用Esp32的DAC模塊即可實(shí)現(xiàn)。當(dāng)采集要素出現(xiàn)故障時(shí)，通過終端的脈沖寬度調(diào)制模塊和數(shù)模轉(zhuǎn)換器模塊，產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸入給采集器，用來快速定位故障來自采集器還是傳感器。其中，高級(jí)模式可以按需求設(shè)置模擬信號(hào)的周期、占空比，以及分辨率［10］。風(fēng)速傳感器是脈沖頻率信號(hào)，因此可以用PWM信號(hào)來模擬風(fēng)速傳感器，風(fēng)速與頻率的關(guān)系為v＝0.32＋0.049f，因此通過改變PWM的周期即可模擬不同的風(fēng)速。

2 智能維修終端實(shí)際應(yīng)用

2.1 智能維修終端實(shí)物

3D打印技術(shù)的興起使得開發(fā)者僅憑借3D圖紙就能制造出各種不規(guī)則形狀的零件，相較于傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式，3D打印技術(shù)也大幅縮短了研制周期。維修終端外殼采用3D打印技術(shù)選擇SLA光敏樹脂材料，尺寸為10 cm×20 cm×20 cm，配有一個(gè)RS232串口接頭、USB充電口、SD卡槽，采用按鈕開關(guān)。

2.2 故障排查實(shí)例

維護(hù)人員發(fā)現(xiàn)采集器的風(fēng)速值偏大，首先將維修終端替換至采集器接線板的風(fēng)速口，再通過手機(jī)連接到智能維修終端，選擇輸出5.2 m／s的天津風(fēng)速。此時(shí)發(fā)現(xiàn)采集器采樣的值為10 m／s，因此很有可能是將傳感器型號(hào)錯(cuò)選成了長春風(fēng)，在參數(shù)設(shè)置界面發(fā)現(xiàn)確實(shí)如此，傳感器類型改回天津風(fēng)后，風(fēng)速采樣恢復(fù)正常。而這類問題在低風(fēng)速情況下，傳感器類型設(shè)置不同風(fēng)速采樣值的差別并不明顯?，F(xiàn)場如果風(fēng)速不大，保障人員經(jīng)常會(huì)錯(cuò)誤的認(rèn)為沒有故障。而有了維修終端后，就能快速地定位問題。

為減輕自動(dòng)氣象站維護(hù)保障人員在海島、高山等野外復(fù)雜工作環(huán)境的工作負(fù)擔(dān)，本研究針對(duì)自動(dòng)氣象站實(shí)際維護(hù)工作中的難點(diǎn)，開發(fā)了基于嵌入式平臺(tái)的智能維修終端，實(shí)現(xiàn)了DTU參數(shù)設(shè)置、采集器固件升級(jí)、傳感器模擬等實(shí)用功能。用戶可以針對(duì)實(shí)際工作需要對(duì)終端進(jìn)行二次開發(fā)，優(yōu)化軟件界面及支持更多功能模塊等。經(jīng)地市級(jí)臺(tái)站保障人員試用，終端運(yùn)行穩(wěn)定、操作簡單、體積小巧、續(xù)航時(shí)間長，具有較強(qiáng)的實(shí)用性，解決了高山、海島等惡劣環(huán)境維護(hù)時(shí)遇到的困難，有效地提高了維護(hù)保障人員的工作效率。