摘要：氣象自動站的數(shù)據(jù)傳輸離不開DTU等相關(guān)設(shè)備，嚴(yán)格的業(yè)務(wù)考核指標(biāo)也對DTU設(shè)備提出備高可靠性和安全性要求。文章對WL-4011型DTU在氣象自動站數(shù)據(jù)傳輸中的應(yīng)用進行研究，在性能參數(shù)和配套軟件方面將其與WUSH-9118和WUSH-9218進行對比。通過模擬自動站工作環(huán)境，測試其在數(shù)據(jù)傳輸中的可用性及穩(wěn)定性表現(xiàn)；利用WireShark軟件對其進行流量抓包統(tǒng)計分析，測試其安全性。文章結(jié)論表明WL-4011型DTU具備較好兼容性，在氣象自動站數(shù)據(jù)傳輸過程中穩(wěn)定可靠，性價比高。

關(guān)鍵詞：DTU；自動站；數(shù)據(jù)傳輸

中圖分類號：P414

文獻標(biāo)志碼：A

0 引言

中國地面氣象觀測站網(wǎng)目前包含1.1萬個國家級氣象觀測站、超過6萬個省級氣象觀測站以及少量國家大氣本底站、國家氣候觀象臺、國家應(yīng)用氣象觀測站^［1］，高密度的觀測站網(wǎng)為精準(zhǔn)的氣象預(yù)報和精細的氣象服務(wù)提供了可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展為野外氣象觀測站點數(shù)據(jù)傳輸提供了強大的技術(shù)支撐，如數(shù)據(jù)傳輸單元（Data Terminal Unit，DTU）^［2］。貴州省各級別常規(guī)氣象觀測站總計3800余站，其中超過80%依賴DTU設(shè)備，通過4G或者5G無線網(wǎng)絡(luò)建立與數(shù)據(jù)接收中心（以下簡稱“中心站”）的連接，傳輸觀測數(shù)據(jù)。

業(yè)務(wù)運行站點所使用的DTU型號主要是WUSH-9118及WUSH-9218。這兩款產(chǎn)品在可靠性、穩(wěn)定性及易用性等方面表現(xiàn)良好，同時也一直存在采購價格較高的不足。WUSH-9118的采購單價為2000元，WUSH-9218的采購單價達到4000元，這一不足對觀測設(shè)備維持經(jīng)費的高效合理使用產(chǎn)生了不利影響^［3］。目前，已有硬件廠商研發(fā)出具有兼容性的DTU產(chǎn)品，采購單價大幅度降低至500元以下且已在農(nóng)業(yè)設(shè)施環(huán)境監(jiān)測等氣象探測相似領(lǐng)域有成熟應(yīng)用^［4-5］。文章對COMWAY系列DTU產(chǎn)品中的WL-4011型號在氣象觀測站設(shè)備（以下簡稱“自動站”）數(shù)據(jù)傳輸中的應(yīng)用可行性進行研究，利用WireShark對其抓包進行安全性分析。

1 DTU功能介紹

在氣象觀測數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)中，DTU在數(shù)據(jù)接收中心和采集器之間搭建橋梁，承擔(dān)觀測數(shù)據(jù)的上傳以及控制命令的下達。DTU將來自中心站的控制命令轉(zhuǎn)換為串口數(shù)據(jù)發(fā)送給觀測設(shè)備，或者將觀測設(shè)備應(yīng)答的串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為特定物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，利用4G或5G網(wǎng)絡(luò)通信的方式發(fā)送至數(shù)據(jù)中心站^［6］。

DTU與觀測設(shè)備（下位機）之間可通過RS485或RS232串口規(guī)格進行連接，文章所研究對象之間使用RS232規(guī)格。DTU與中心站（上位機）之間的通信協(xié)議有傳輸控制協(xié)議（Transmission Control Protocol，TCP）、用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議（User Datagram Protocol，UDP）、Modbus、LoRa、消息隊列遙測傳輸（Message Queuing Telemetry Transport，MQTT）等多種規(guī)范^［6-9］，也可以使用私有協(xié)議，例如：本文研究對象使用的DDP規(guī)范為私有通信協(xié)議。

2 技術(shù)參數(shù)及配置工具對比

2.1 技術(shù)參數(shù)對比

WL-4011、WUSH-9118和WUSH-9218主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。從中可知，三款產(chǎn)品均支持4G網(wǎng)絡(luò)。自動站實際運行環(huán)境下的5G網(wǎng)絡(luò)通常存在信號差或者信號不穩(wěn)定的缺陷，因而使用4G網(wǎng)絡(luò)更符合數(shù)據(jù)傳輸及時穩(wěn)定的需求。在工作功耗方面，WUSH-9218因支持有線網(wǎng)絡(luò)+藍牙通信方式、WL-4011因支持有線網(wǎng)絡(luò)+Wi-Fi通信方式，從而導(dǎo)致它們的功耗上限數(shù)值相較于WUSH-9118略高。三款產(chǎn)品在外形尺寸上略有區(qū)別。此外，WL-4011的工作電壓范圍相較于其他兩款產(chǎn)品略窄，而工作上限溫度略高。

自動站主要在用采集器型號均使用RS-232規(guī)格接口同DTU設(shè)備連接，同時可對DTU設(shè)備提供12 V直流供電。主流型號自動站的采集箱內(nèi)部空間均較富裕，背板設(shè)計有多余安裝孔位。三款產(chǎn)品在主要技術(shù)參數(shù)的輕微差異對其安裝應(yīng)用無顯著影響，同時通信天線亦可通用。

2.2 DTU配置工具對比

兩家硬件廠商均提供了DTU配置工具軟件和使用文檔。三款產(chǎn)品在使用前的配置過程中，均需要指定數(shù)據(jù)接收中心服務(wù)器的地址和設(shè)備編號（DTU身份識別碼），設(shè)備編號對于中心站具有唯一性，用于區(qū)分不同的觀測站點。三款產(chǎn)品均支持設(shè)置IP地址方式或域名方式，若選擇域名方式，則同時需要設(shè)置域名服務(wù)器IP地址。

WUSH-9218和WUSH-9118與數(shù)據(jù)接收中心之間使用UDP+DDP的通信方式，其中DDP為私有通信協(xié)議。在配置WL-4011時，須注意在配置軟件中將報文模式選擇為“4：HONGDIAN”^［10］，以實現(xiàn)兼容DDP私有通信協(xié)議的目的。

WL-4011型DTU的配置軟件可設(shè)置參數(shù)更多，例如：其支持設(shè)定WL-4011心跳包的內(nèi)容及發(fā)送心跳包的頻率（更復(fù)雜的內(nèi)容和更高的頻率也會導(dǎo)致消耗的流量增加，功耗上升，實際使用時須根據(jù)業(yè)務(wù)需求進行配置），WUSH-9118和WUSH-9218無法修改心跳包內(nèi)容及發(fā)送頻率。WL-4011配置軟件還支持設(shè)置網(wǎng)絡(luò)校時服務(wù)器（Network Time Protocol Server，NTP服務(wù)器）IP地址，從而達到自動校準(zhǔn)時間的目的，WUSH-9118和WUSH-9218則需要借助中心站發(fā)出的校時命令進行時間校準(zhǔn)。

WUSH-9118和WUSH-9218兩種型號DTU配置軟件的交互操作更簡單直觀，WL-4011的配置軟件擁有更多的自定義功能，但也導(dǎo)致使用時更復(fù)雜。整體而言，兩款配置軟件在操作難度上無顯著區(qū)別，業(yè)務(wù)人員經(jīng)簡單培訓(xùn)后均可熟練掌握配置要點，快速設(shè)置好DTU工作參數(shù)。

3 功能及安全性測試

3.1 功能測試

在功能測試研究中，文章選用較為常見的WUSH-BH6型采集器，搭配WUSH-TW100A型溫度傳感器和DHC2型濕度傳感器，將WL-4011設(shè)置為4 G網(wǎng)絡(luò)通信方式模擬野外氣象自動站通信環(huán)境。為更好地進行輸入電壓調(diào)整測試和觀察功耗，測試過程中利用直流穩(wěn)壓電源為測試設(shè)備供電。

在中心站中建立單獨的測試站點，參數(shù)設(shè)置與業(yè)務(wù)運行中的同類型站點保持一致。對WL-4011進行數(shù)據(jù)傳輸測試期間隨機開展以下操作：（1）開關(guān)直流電源模擬掉電重啟過程；（2）在11～13 V動態(tài)調(diào)整供電電壓模擬蓄電池充放電過程中的電壓變化；（3）向采集器遠程發(fā)出TIME，DATE，ID，LAT，LONG，ALT，ALTP，DMGD等運行監(jiān)控工作中主要使用的控制命令^［10］，檢驗返回數(shù)據(jù)。

在持續(xù)72 h工作測試期間，中心站合計接收852次觀測數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示W(wǎng)L-4011接收并編碼的WUSH-BH6采集器觀測數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)上傳及時準(zhǔn)確。如圖1所示，觀測時間與到報時間差在8～18 s，典型值為10 s和15 s，滿足現(xiàn)有氣象觀測數(shù)據(jù)傳輸規(guī)定中的及時性要求。

測試期間執(zhí)行關(guān)閉直流電源輸出斷電并再次打開上電操作后，WL-4011可快速建立與中心站的連接。在動態(tài)調(diào)整輸入電壓操作過程中，WL-4011和WUSH-BH6均未出現(xiàn)工作異常狀況。WL-4011對中心站軟件發(fā)出的控制命令接收完整并及時解碼轉(zhuǎn)換為串口數(shù)據(jù)發(fā)送至WUSH-BH6采集器，返回的響應(yīng)結(jié)果可正常解析，工作狀態(tài)穩(wěn)定。

3.2 安全測試

為進一步檢驗WL-4011在設(shè)定工作模式下數(shù)據(jù)傳輸安全性，檢測其是否存在訪問陌生IP地址或者向目標(biāo)中心站以外的目標(biāo)發(fā)送數(shù)據(jù)的情況，文章選擇用有線網(wǎng)絡(luò)通信方式替換4G無線網(wǎng)絡(luò)通信方式進行分析。具體操作為，將WL-4011接入一臺三層交換機（已配置好端口鏡像功能）某一鏡像端口，同時將已配置WireShark軟件的電腦主機接入三層交換機的某一觀察端口。

通過以上連接，該三層交換機會將WL-4011所產(chǎn)生的全部通信數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)至WireShark軟件所在電腦主機，此時便可利用WireShark軟件對WL-4011向中心站傳輸數(shù)據(jù)期間的通信過程進行連續(xù)抓包采集工作。如表2和表3所示，對連續(xù)48 h的通信數(shù)據(jù)包記錄結(jié)果統(tǒng)計分析可知：（1）與WL-4011有通信往來的IP地址合計4個，分別為中心站IP，預(yù)先設(shè)置的域名服務(wù)器，預(yù)先設(shè)置的NTP服務(wù)器以及WireShark電腦主機；（2）WL-4011產(chǎn)生的流量數(shù)據(jù)包以傳輸觀測數(shù)據(jù)的UDP數(shù)據(jù)包為主，另有校時請求產(chǎn)生的NTP校時數(shù)據(jù)包以及WireShark主機ping命令產(chǎn)生的響應(yīng)數(shù)據(jù)包；（3）未發(fā)現(xiàn)WL-4011與陌生IP地址有網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交互，同時WL-4011在測試期間未產(chǎn)生與外界的TCP數(shù)據(jù)包。

4 結(jié)語

通過本文的分析研究，對于WL-4011型DTU的應(yīng)用可得出以下結(jié)論：（1）WL-4011技術(shù)參數(shù)同目前業(yè)務(wù)運行設(shè)備中在用DTU型號相近，可滿足自動站數(shù)據(jù)傳輸硬件及功能需求，外形尺寸略大；（2）WL-4011對自動站數(shù)據(jù)傳輸所使用的宏電通信協(xié)議有良好兼容性，觀測數(shù)據(jù)可及時準(zhǔn)確傳輸至中心站；（3）在抓包分析測試中，WL-4011僅產(chǎn)生了UDP協(xié)議和NTP協(xié)議的流量，其中UDP協(xié)議的流量均為其與中心站之間的正常通信內(nèi)容，未產(chǎn)生同中心站及NTP服務(wù)器以外第三個目標(biāo)之間的通信記錄。

綜上，以WL-4011型DTU為代表的具備良好兼容性產(chǎn)品單價大幅度低于在用WUSH-9218和WUSH-9118等型號產(chǎn)品。測試過程表明此類兼容性產(chǎn)品在可用性及安全性方面表現(xiàn)良好。此類兼容性產(chǎn)品用于氣象自動站設(shè)備日常檢修或者調(diào)試工作時具備具有較高性價比。若用于業(yè)務(wù)運行站點數(shù)據(jù)傳輸，則需在更復(fù)雜嚴(yán)苛環(huán)境下對此類產(chǎn)品進一步做長周期測試，以檢驗其穩(wěn)定性及安全性是否可滿足業(yè)務(wù)運行要求。

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（編輯 王永超）

Application of WL-4011 DTU in meteorological automatic station data transmissionYANG Enbo

（Meteorological Bureau of Tongren， Tongren 554300， China）

Abstract：Meteorological automatic station data transmission relies on DTU devices， and high key performance indicators also impose strict requirements of reliability and security parameters.A study was conducted on the application of the WL-4011 type DTU in automatic station data transmission in this paper， comparing its performance parameters and configuration toolkit with WUSH-9118 and WUSH-9218. By simulating the working environment of an automatic station， the availability and stability of the WL-4011 type DTU in data transmission were tested. Additionally， WireShark software was used to capture and analyze network traffic to test its security performance. The conclusion indicates that WL-4011 is stable and reliable in the process of automatic station data transmission， with a high cost-performance ratio and compatibility.

Key words：DTU; automatic station; data transmission