許兵甲，黃飛龍

（1.廣東省氣象局機關(guān)服務中心，廣東廣州 510080；2.廣東省氣象探測數(shù)據(jù)中心，廣東廣州 510080）

目前，全國自動氣象站數(shù)量已超過55 000個［1］，為臺風、暴雨等氣象災害的防災減災提供準確可靠的觀測數(shù)據(jù)。

隨著城市群的發(fā)展和氣象服務多樣性需求增加，充分利用城市群先進的物聯(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，而通過智能終端與周邊物聯(lián)網(wǎng)觀測設(shè)備的自動連接，讓用戶可以實時獲取身邊的氣象數(shù)據(jù)，形成“觀測即服務”能力則是基本需求。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)觀測與大眾服務要求［2］。在生產(chǎn)和服務行業(yè)領(lǐng)域，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應用已經(jīng)比較普遍，例如物聯(lián)網(wǎng)助力農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境系統(tǒng)實現(xiàn)精準化控制，在高壓輸配電系統(tǒng)實現(xiàn)電纜狀態(tài)的遠程監(jiān)測等。具有低延時、高帶寬的5G通信技術(shù)也已經(jīng)開始在配電網(wǎng)保護中得到行業(yè)垂直應用［3］。在物聯(lián)網(wǎng)所涉及多種的無線通信技術(shù)中，ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點距離可拓展到1.5 km，并可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的自組織和自愈功能，具有較高的健壯性和抗干擾性［4］。WiFi網(wǎng)絡(luò)是當今使用最廣泛的傳輸技術(shù)，配合HTML5等應用層技術(shù)，設(shè)備數(shù)據(jù)可易于被用戶接受。而新興的5G網(wǎng)絡(luò)則能滿足實時性高、數(shù)據(jù)量大的應用場景需求。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在國內(nèi)自動氣象站觀測領(lǐng)域未得到深度的應用。張李元等［5］通過NB-IoT網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫?，實現(xiàn)了靈活的交互與網(wǎng)絡(luò)控制；鄒超等［6］在分布式自動氣象站現(xiàn)場核查系統(tǒng)中應用了無線遠程通信網(wǎng)絡(luò)；馬賽飛等［7］嘗試了無線接入的多要素智能傳感器設(shè)計。業(yè)務使用的自動氣象站仍不具備自組網(wǎng)和在線質(zhì)控功能，也無法提供便捷的WiFi接入與用戶智能端的控制管理，難以滿足智慧城市智能綜合觀測網(wǎng)所需的即時性、本地化和多樣性的建設(shè)需求，因此，本研究基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對氣象自動站進行智能設(shè)計，以增強自動氣象站的自適應能力和服務性能。

1 總體設(shè)計

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能自動氣象站總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能自動氣象站系統(tǒng)框架示意圖

自動氣象站主要組成部件包括采集器、5G通信模塊和傳感器［8］。采集器采用高性能低功耗的ARM系列芯片，配置大容量Flash存儲芯片、16位模數(shù)采集芯片、ZIGBEE自組網(wǎng)模組和WiFi通信模式組。采集器通過端口連接模擬傳感器或數(shù)字傳感器，對電信號完成轉(zhuǎn)換、計算和統(tǒng)計后得到氣象要素的觀測值，并存儲于采集器flash中。數(shù)據(jù)經(jīng)過5G網(wǎng)絡(luò)上傳到云中心，通過ZIGBEE模塊與其他智能采集器交互，或者通過WiFi模塊向本地用戶的智能終端提供特色服務。

通過與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合，自動氣象站增強了自身的場景適應能力、觀測能力和應用便利性，拓展了數(shù)據(jù)共享的渠道和空間，使得其自身不僅僅是一個傳統(tǒng)的孤立的測量節(jié)點，而且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。

2 端口自適應

傳統(tǒng)的自動氣象站，不同的要素傳感器連接端口固定分配［9］，便于簡化嵌入式采集處理程序，提高實時系統(tǒng)的效率，但不利于設(shè)備資源的共享。本設(shè)計采用數(shù)字傳感器智能感知和采集流程松耦合的設(shè)計，設(shè)計端口地址和傳感器開關(guān)標識進行實時映射管理，傳感器開關(guān)標識記錄端口號并直接控制秒和分鐘任務的執(zhí)行，傳感器可以任意更換端口，秒和分鐘采集任務可以隨時根據(jù)需要掛接或者取消，做到硬件資源和軟件任務的松耦合，既提高了端口的利用率也減少了軟件冗余運行時間。同理，數(shù)字傳感器采集處理改變了傳統(tǒng)一對一的端口對接和任務管理方式，所有接口中斷匯聚到同一個中斷管理程序，在進行格式識別和傳感器開關(guān)檢查之后再調(diào)用秒和分鐘任務，智能化的處理方式提高了用戶使用的靈活性和資源的利用率。

3 ZIGBEE通信設(shè)計

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)生成的一項應用于互聯(lián)網(wǎng)通信的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。該項技術(shù)尤其適用于自動氣象站這一類數(shù)據(jù)流量偏小的設(shè)備，便于靈活自組網(wǎng)，實現(xiàn)自動氣象站的類型擴展和要素的靈活安裝。

根據(jù)ZIGBEE模塊通信架構(gòu)，采集器的ZIGBEE節(jié)點可配置為協(xié)調(diào)器模式或路由器模式。自組網(wǎng)流程包括通信組網(wǎng)和站點組網(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)點號，即可與原有網(wǎng)絡(luò)的其他節(jié)點通信，完成通信組網(wǎng)。通過用戶配置站點號和工作模式，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)實時發(fā)送到主設(shè)備，主設(shè)備將所有節(jié)點數(shù)據(jù)統(tǒng)一處理，完成多種觀測要素數(shù)據(jù)的同步計算、數(shù)據(jù)融合、整體存儲和5G遠程傳輸。以ZIGBEE網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，附近不同的采集器可在同一個站點號的管理下組成一個觀測整體，實現(xiàn)不同氣象要素靈活的自組網(wǎng)觀測。

4 5G網(wǎng)絡(luò)應用

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)量進行控制，提高數(shù)據(jù)的可靠性，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、季節(jié)和服務類型有關(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)也不同；同一個設(shè)備在同一個地點的不同季節(jié)，氣候極值和變化速率也不同。如果設(shè)備使用地點沒有發(fā)生變化，但設(shè)備服務類型被修改，不同的服務類型對氣象要素的最大允許誤差要求也不同，因此相應的質(zhì)量控制參數(shù)也應該智能地變更。本設(shè)計自動氣象站通過5G物聯(lián)網(wǎng)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，實時改進本設(shè)備的觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量。而某些極端天氣的實時觀測數(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等多源數(shù)據(jù)對可疑數(shù)據(jù)進行對比驗證，確認無誤之后用于更新云中心歷史規(guī)則庫。通過5G物聯(lián)網(wǎng)實時數(shù)據(jù)的上傳和歷史規(guī)則的下載，實現(xiàn)觀測數(shù)據(jù)閉環(huán)質(zhì)控的智能化，持續(xù)改進自動氣象站觀測質(zhì)量。

5 WiFi通信設(shè)計

為實現(xiàn)與智能終端的實時連接并提供數(shù)據(jù)服務，采集器集成WiFi模塊，利用模塊的AP工作模式，實現(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)服務和設(shè)備控制管理。

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，在不影響采集器實時采集任務的同時滿足智能終端多用戶的交互需要。采集器主動發(fā)送數(shù)據(jù)包含每個氣象要素實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，完成實時交互。而智能終端與WiFi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)并不需要很強的實時性，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)對自動氣象站進行系列操作，所查詢和設(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。

為保證數(shù)據(jù)安全，通過設(shè)備端和通信環(huán)節(jié)2個方面進行控制：在采集器端，通過用戶賬號權(quán)限管理進行可控的交互，一般用戶只能被動接收輸出數(shù)據(jù)，超級用戶可對采集器的參數(shù)進行查詢和設(shè)置；在WiFi通信配置白名單和加密傳輸，限制登錄的對象和頻次。

6 設(shè)計的實現(xiàn)

采集器主板實現(xiàn)信號采集、站內(nèi)數(shù)據(jù)統(tǒng)計存儲、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制算法和3種物聯(lián)無線網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，通信板實現(xiàn)ZigBee和WiFi兩種無線模塊的硬件集成。通過傳感器端口自適應算法，模擬傳感器可以在4個模擬接線端子插座上任意互換，數(shù)字傳感器可以在3個數(shù)字接線端子插座上任意互換。通過ZigBee自組網(wǎng)，無5G網(wǎng)絡(luò)的單站A、單站C可以與附近具有5G網(wǎng)絡(luò)的單站B組成一個局部探測網(wǎng)絡(luò)，通過B站的5G傳輸功能將分鐘數(shù)據(jù)集中發(fā)送到遠程服務器上。

智能自動氣象站附近20 m范圍內(nèi)的公眾可以使用手機、平板或者室內(nèi)智能電視機連接到智能氣象站的AP熱點，打開瀏覽器查看實時的氣象站觀測數(shù)據(jù)。瀏覽器每分鐘更新顯示最新的觀測要素測量值，通過刷新操作，也可以調(diào)取最新的采樣數(shù)值。通過“更多”按鍵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，體驗較為流暢，且沒有影響自動氣象站的實時采集系統(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)，向云服務器發(fā)送觀測數(shù)據(jù)。試驗樣機從2020年12月到2021年12月試運行期間無故障，可靠性得到驗證。

智能自動站目前已經(jīng)業(yè)務應用于便攜式移動觀測，并且在臺風抗性試驗中百米高鐵多層風的無線自組網(wǎng)觀測中得到應用。

本設(shè)計將ZIGBEE、5G和WiFi等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與自動氣象站融合設(shè)計，實現(xiàn)傳統(tǒng)觀測設(shè)備的新一代發(fā)展，既增強了自動氣象站在城市復雜環(huán)境的自適應能力和擴展能力，充分利用智慧城市的網(wǎng)絡(luò)資源，也通過實時網(wǎng)絡(luò)的閉環(huán)反饋將觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量提高，為數(shù)據(jù)在預報或者公眾出行參考應用提供更加可靠的數(shù)據(jù)支撐。由于物聯(lián)網(wǎng)應用了無線傳輸?shù)墓_頻段，在個別場合可能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，本設(shè)計將在無線通信頻段和信道自動探測和選擇上進一步完善，提高傳輸性能和用戶體驗。