數據通信技術在自動氣象設備中的應用

摘 要：本文通過對地面氣象觀測中常見自動氣象設備的數據通信進行分析，總結出了不同的數據傳輸方式在保證氣象數據及時、有效、完整的上傳過程中，體現出來的優越性和不足之處。

關鍵詞：自動氣象設備；數據通信；優越性

引言

隨著現代化科技的不斷進步，地面氣象觀測現如今已基本實現了自動化，自動觀測逐步取代了人工觀測，各觀測要素相對應的自動氣象觀測儀器陸續投入了業務運行，臺站業務觀測中，常用到的自動氣象設備有常規業務自動站、區域多要素自動站、自動土壤濕度儀、能見度觀測儀、閃電定位儀等。傳統的人工氣象觀測是指氣象觀測員每天按照世界氣象組織統一規定的觀測時間、次數和項目來進行觀測，觀測結果經記錄和計算，編成電碼，在規定時次的正點后十分鐘內發出，為日常天氣預報繪制地面天氣圖提供氣象資料。而自動氣象觀測是指利用一種能按照規定的時次自動地進行觀測和存儲氣象觀測數據的設備，通過一定的通信方式，將氣象資料上傳至數據服務中心，在這個過程中，氣象資料的傳輸方式和過程是非常重要的[1]。所以，研究自動氣象觀測系統中的數據通信對于保證地面氣象觀測資料的準確性、及時性和有效性是有著一定意義的。

1 自動觀測系統數據通信方式概述

數據通信是通信技術和計算機技術相結合而產生的一種新的通信方式，主要研究計算機中數據的傳輸交換、存儲以及處理的理論、方法和技術，要在兩地間傳輸信息必須有傳輸信道，根據傳輸媒體的不同，可分為有線數據通信和無線數據通信兩種，它們都是通過傳輸信道將數據終端與計算機聯結起來，而使不同地點的數據終端實現軟、硬件和信息資源的共享。自動氣象觀測系統中，數據通信就涉及到了這兩種方式，兩種通信方式各有利弊，在氣象資料的上傳過程中，都發揮著重要的作用。

2 有線數據通信

業務臺站中使用的常規自動站的數據通信方式，就是有線數據通信，該自動氣象站主要是由傳感器、采集器、主控計算機、電源、專用通信電纜等組成，在常規自動站中，涉及到的專用通信電纜是同軸電纜，其結構如圖1所示，此電纜常用于近距的音頻通信、遠距的高頻載波和數字通信及信號傳輸，主要采用SSB/FDM的調制方式，基于同軸的PCM（Pulse Code Modulation-脈碼調制錄音）時分多路數字基帶傳輸技術，具有通信容量大、傳輸穩定性高、保密性好、較少受到自然條件和外部干擾影響等優點。

有線數據通信系統是通過數據電路將分布在遠地的數據終端設備與計算機系統連接起來，實現數據傳輸、交換、存儲和處理的系統，主要由數據終端設備、數據電路、計算機系統三部分組成。自動氣象站的工作原理是自動站各要素傳感器的感應元件在相應要素發生變化時，元件輸出的電量產生變化，與此同時，也產生了模擬信號和數字信號，這些信號被處理器實時控制的數據采集器所采集，經過線性化和定量化處理，實現工程量到要素量的轉換，再對數據進行篩選，得出的氣象要素值按一定的格式儲存在采集器中，采集器再將數據通過傳輸信道傳送至臺站內的主控計算機[2]。自動氣象站有線數據通信系統結構如圖2所示。

在各臺站的主控計算機中，可以實時的監測到各氣象要素值，并按規定的格式存儲在計算機的硬盤上，在定時觀測時刻，還將氣象要素值存入規定格式的定時數據文件中。根據業務需要實現各種氣象報告的編發，形成各種氣象記錄報表和氣象數據文件，再通過互聯網將氣象實時資料傳輸給用戶和終端數據服務中心。至此，數據完成了由采集、處理、轉換、傳輸組成的一整套通信過程，如圖3所示。

3 無線通信系統

自動氣象設備中，由于探測環境的限制，有些設備是需要搭建在遠離觀測臺站的野外環境，例如，區域多要素自動站、自動土壤濕度儀，這種情況下，自動設備若使用有線通信系統，則會遇到線路成本高、鋪設難度大等問題，所以只能利用無線通信系統來實現氣象數據的傳輸。

就區域自動站而言，是由傳感器、采集器、太陽能電源、無線通信模塊幾部分組成，其用到的無線通信模塊是基于GPRS/CDMA技術的通信模塊，其技術的可靠性和穩定性已經是非常高的，且功能非常強大，完全能滿足自動站進行氣象數據遠程無線通信的要求。GPRS（General Packet Radio Service-通用分組無線業務）是在現有GSM（全球移動通信系統）基礎上發展起來的一種移動分組數據業務。GPRS通過在GSM數字移動通訊網絡中引入分組交換的功能實體，以完成用分組方式進行的數據傳輸，GPRS系統可以看作是對原有的GSM電路交換系統的基礎上進行的業務擴充，以支持移動用戶利用分組數據移動終端接入Internet或其它分組數據網絡的需求[3]。GPRS允許用戶在端到端分組轉移模式下發送和接收數據，而不需要利用電路交換模式的網絡資源，從而提供了一種高效能、低成本的無線分組數據業務，特別適用于間斷的、突發性的和頻繁的、少量的數據傳輸，也適用于偶爾的大數量數據傳輸。GPRS無線通信系統常用的兩種不同的應用方式有：（1）點對點數據傳輸；（2）中心點對多點數據傳輸，在自動站中，用到的是中心點對多點的數據傳輸方式，如圖4所示（APP代表應用業務、DTU代表數據終端單元、SMS代表短消息業務、CSD代表電路交換數據、DSC代表數據業務中心）[4]。自動站主要使用GPRS、SMS等通信方式與中心站進行數據傳輸，平時使用GPRS上傳數據至中心站服務器，再由FTP（雙向傳輸協議）從中心站服務器傳至數據服務中心，通過網絡讓用戶共享，如果GPRS網絡出現暫時故障，系統自動切換至SMS短信方式，將數據傳至中心站服務器，如果仍有上傳失敗的情況，還可通過有線傳輸的方式上傳至中心站服務器。

區域自動站的工作原理是，傳感器采集數據和采集器處理數據部分與常規自動站是基本相似的，數據由采集器出來，所經過的傳輸信道是不一樣的，是通過GPRS無線通信模塊發送至終端數據服務中心的，所以，區域自動站的無線通信系統整體模式如圖5所示：

4 結束語

通過對有線數據傳輸和無線數據傳輸兩種方式的分析和討論，可知，設備應根據不同的情況，使用不同的數據通信方式，有線數據通信具有數據傳輸穩定、抗干擾能力強的優點，其缺點是鋪設難度大、擴展性較差、維護困難，所以適合于短距離、有人值守的自動站設備；無線數據通信具有成本低廉、可擴充性強、傳輸能力強的優點，其缺點是受網絡條件的制約、抗外界干擾能力較弱，所以適合于長距離、野外的、全天候無人值守的自動站設備。兩種數據通信方式在自動觀測中配合使用，對于提高數據的傳輸應用率、保證自動觀測系統的觀測質量及提升氣象服務水平，都有著重要的意義。

參考文獻

[1]俞衛平，王曉輝，陳永清，等.地面氣象觀測規范[M].北京：氣象出版社，2003.

[2]李黃.自動氣象站實用手冊[M].北京：氣象出版社，2007：3-6.

[3]呂捷.GPRS技術[M].北京：北京郵電大學出版社，2001：8-13.

[4]陸土金，姜小云，陳卿才， 等.GPRS/CDMA無線通信技術在氣象自動站的應用[J].氣象研究與應用，2009，30（4）：79-80.

作者簡介：張朝明（1983，4-），男，漢，學士，助理工程師，單位：山西省大氣探測技術保障中心，從事無線通信與系統方向研究。

李榮民，男，漢，學士，工程師，單位：山西省大氣探測技術保障中心，從事無線通信與系統方向研究。

王毅軍，男，漢，學士，工程師，單位：山西省大氣探測技術保障中心，從事無線通信與系統方向研究。

金拴根，男，漢，學士，助工，單位：山西省大氣探測技術保障中心，從事無線通信與系統方向研究。

李延輝，男，漢，學士，助工，單位：山西省大氣探測技術保障中心，從事無線通信與系統方向研究。

王鍇，男，漢，學士，助工，單位：山西省大氣探測技術保障中心，從事無線通信與系統方向研究。