物聯網自動氣象站的試制

唐慧強李超李全月

（1 南京信息工程大學信息與控制學院，南京 210044；2 南京慧明儀器儀表有限公司，南京 210032）

物聯網自動氣象站的試制

唐慧強1李超2李全月1

（1 南京信息工程大學信息與控制學院，南京 210044；2 南京慧明儀器儀表有限公司，南京 210032）

為適應現代氣象檢測的需求，試制了物聯網自動氣象站。溫度、濕度、風、氣壓、降水等氣象傳感器節點以及路由器、協調器構成局域無線傳感器網絡，并通過數據通信器利用3G、GPRS、Internet等與遠程計算機組成廣域網。遠程計算機接收、解析數據，并經質量控制后保存到網絡實時數據庫。實現了氣象數據的管理及分發，并可通過用戶手機或互聯網實現實時數據查詢。

物聯網，自動氣象站，傳感器節點

1 引言

自2005年物聯網概念正式提出以來,物聯網技術得到高度關注與高速發展。物聯網通過信息傳感設備,把任何物品與互聯網連接起來,實現信息交換。物聯網是泛在網絡的重要組成部分,向下又包容了無線傳感器網絡、互聯網、數據庫等技術,是互聯網等技術與應用的延伸。本文針對氣象應用,基于無線傳感器網絡技術局域連接各氣象傳感器節點,構建了自動氣象站,并在此基礎上結合遠程數據通信、數據庫系統、數據分發系統等,構建了一個典型而完整的物聯網概念系統。

基于物聯網技術的無線檢測系統相對于傳統的觀測體系就像移動電話相對于固定電話的優勢一樣：安裝方便,移動靈活,維護簡單,備份容易,數據通信可靠。而這些特性非常適合需要眾多氣象要素的常規觀測、應急觀測、科學試驗等場合。

檢測系統經歷了數字式、智能式、總線式到無線傳感器網絡為代表的物聯網階段。氣象觀測由于觀測數據連續性、大量臺站的更新代價過大等原因而相對保守,至今仍主要采用集中式的檢測方式[1,2],直到近幾年才推出了具有CAN總線的混合型的數據通信方式,但存在安裝維護繁瑣等問題。而目前基于無線傳感器網絡的氣象觀測儀器開始進入應用階段,如美國的HOBO ZW系列無線數據節點等,用于建筑物的能量和溫濕度等環境條件檢測。美國Vantage Pro2無線自動氣象站也開始普及,但精度較差,如溫度誤差約為0.5℃,相對濕度約為3%,氣壓約1hPa。國內的南京慧明儀器儀表有限公司等已經把無線傳感器網絡技術應用于農業等非氣象部門的氣象檢測。

本文在環境重金屬檢測網絡化技術研究的基礎上,采用物聯網技術,實現無線化、網絡化的自動氣象觀測,并提高氣象儀器的準確度,采用移動通信網或互聯網實現遠程通信,利用數據庫技術進行數據管理與分發,從而降低布站、維護等成本,并提高集成度,構建全天候、高精度、高可靠性的氣象觀測系

統。本文涉及基于物聯網技術的自動氣象站系統設計,包括無線氣象傳感器節點、路由器、協調器、通信器、數據接收軟件、本地及遠程動態數據庫系統以及信息分發系統的設計。

圖1 物聯網自動氣象站的基本架構

圖2 HM-DZY1型無線溫濕度計

2 氣象觀測系統架構

物聯網自動氣象觀測系統架構極其簡單(圖1),由氣象傳感器節點、數據通信器、數據庫等構成。利用溫度、濕度、氣壓、風速、風向、降水、地溫等氣象傳感器,融合無線傳感器網絡通信部件,構成了氣象傳感器節點。數據通信器一方面接收氣象傳感器節點發來的數據,組建局域網,另一方面,通過GPRS、3G或互聯網技術,把數據傳送到位于監控中心的遠程數據庫,構建集成氣象觀測系統。

3 傳感器節點設計

3.1 氣象傳感器

氣象傳感器是自動氣象觀測系統的基礎。由于氣象傳感器繁多,本文僅以溫度傳感器節點的設計要點為例來介紹。

氣溫是最成熟的檢測參數之一,可以利用熱電阻、熱敏電阻、熱電偶、半導體PN結等方法來進行數字化檢測。鉑熱電阻的穩定性相對較好,但目前氣象檢測應用還是不夠理想,誤差的原因有傳感器自身的準確性,以及自熱效應、通風、遲滯、輻射等。

本文采用了穩定性優越的Pt1000鉑電阻,并經過進一步的篩選、老化處理來保證精度。鉑電阻在溫度為t時,阻值為：R=Ro(1+αt+βt2),具有二次項,因此需要進行非線性校準。極端精度需求的情況下,可以采用高次函數或神經網絡等方法來提高精度。通過24位的高精度模數轉換器等電路來檢測鉑電阻值,并利用微控制器來反演出溫度值。自熱效應是影響檢測精度的重要因素之一,根據P=U2/R,在輸出電壓U不變時,由功率與電阻的反比關系說明電阻越大,則功率越小所以自熱效應越小。如零度時可以確保Pt1000正常工作的100μA的激勵電流就可以取得100mV的輸出電壓,而采用Pt100時需要1mA的激勵電流才能輸出相同的電壓,并且增加了自熱效應。經試制,單要素的溫度計精度可達到0.01℃,而試制的氣象用HM-DZY1型無線溫濕度計(圖2),精度為0.02℃,相對單要素溫度計略有下降,具體檢測結果如表1所示。測試時,所采用溫度發生器為FLUKE7080,溫度標準器采用配備二等基準鉑電阻的FLUKE1529,由于溫度發生器與溫度標準器之間也具有較大誤差,所以測試過程中以溫度標準器為基準。此外,HM-DZY1型無線溫濕度計的相對濕度在10%～95%的量程范圍內的精度達到0.5%,也可較好地滿足氣象檢測的要求,在環境溫度15℃時的測試結果如表2所示。

表1 HM-DZY1型無線溫濕度計的溫度誤差（單位：℃）

表2 HM-DZY1型無線溫濕度計的相對濕度誤差（%）

3.2 無線傳感器網絡及通信系統設計

本系統中采用CC2530片上系統等電路構成無線傳感器網絡基礎模塊,并利用IEEE 802.15.4協議等構建路由器、協調器。氣象數據通信器由協調器、ARM處理器、GPRS/3G模塊、TCP/IP接口、液晶顯示器等構成(圖3)。其中,協調器用于無線傳感網絡的組網與數據的無線接收；液晶顯示器用于顯示局地的氣象觀測數據；利用GPRS/3G通信模塊進行無線遠程通信,利用TCP/IP協議的以太網接口實現互聯網的接入。此外,通過路由器實現數據的轉發與延長通信距離,確保在數千米以內,采用無線傳感器網絡實現局域通信；由于氣象要素眾多,網絡結構復雜,因此統一了各網絡層的數據通信格式,包括傳感器節點與協調器、協調器與數據通信器、數據通信器與遠程主機等之間的協議規范。

4 遠程氣象檢測及數據庫系統

數據采集系統采用C/S架構,以SQL Server 2005作為后臺數據庫,選擇Delphi 7.0作為系統的開發工具,來實現系統中各模塊的設計與開發。遠程計算機接收自動氣象站通信器發送的氣象數據,包括站點編號、采集時間、氣象要素等有關信息,并進行解析后取得觀測數據,GPRS數據采集界面如圖4所示。研制了氣象要素數據質量控制系統,發現問題時返回重發或重測命令,以取得正確的氣象數據并保存到數據庫中,以進一步處理。

網絡服務系統采用了B/S架構,通過實時數據庫系統的訪問提供了數據查詢功能,包括實時及歷史數據的顯示及時間變化曲線圖、數據下載、地圖顯示及等值線繪制等功能。同時還提供了臺站信息等的管理,實現了數據備份、下載、上傳等系統維護的功能。臺站設置、資源開放等管理功能見自動氣象觀測系統管理平臺網頁(圖5),其中部分功能對匿名用戶開放,可直接通過http://www.chinahuiming.cn/ qx.html查詢。圖5顯示的界面中,溫濕度是放置于環境相對穩定的房間以及具有空調的房間中的一體化無線溫濕度傳感器所測得,整體一致性相對較好,而誤差主要來源是環境中的溫濕度不一致性,與恒溫槽中相比明顯變差。

地圖顯示系統可以對全國各自動站在Google Map、Google Earth等地圖或系統上進行布置,并可查詢各站點的實時氣象數據情況(圖6)。

手機端采用了C/S架構,利用Android操作系統設計了手機客戶端軟件,提供實時觀測及預報的氣象信息,并對溫度、濕度、氣壓等氣象要素進行等值線的繪制,并利用手機GPS定位功能實時更新地圖及位置

信息的同時,能根據需要查詢實時氣象信息,其中實時天氣界面如圖7所示。

圖3 氣象數據通信器

圖4 遠程實時數據采集系統

圖5 自動氣象觀測系統的網絡平臺

圖6 氣象信息顯示系統

圖7 手機用戶系統

圖8 三傳感器氣溫日變化的對比觀測

5 小結

本文試制的物聯網自動氣象站,相對傳統的有線式觀測系統具有機動性好、高精度、低功耗、可遠程操作等特點。尤其是高精度特性,本系統的溫度傳感器與其溫度二等基準達到優于0.02℃的一致性,其分辨率可以定制成0.002℃,甚至可以敏感地監測到百葉箱或室內的微弱輻射影響。圖8是室溫日變化觀測結果,最大偏差0.04℃,其他如防輻射罩之間、百葉箱內等溫濕度的觀測比較也可以在該網站上直接查詢到。聯網幾個月以來,觀測數據穩定,各傳感器之間的偏差也沒有發生明顯變化,除觀測計算機停電外,沒有出現數據故障現象。室外觀測由于環境溫度變化較快,一致性會略有降低,而氣壓觀測由于響應速度快,研制的各HM-AP1無線氣壓傳感器的一致性可以達到0.05hPa以內。

該物聯網自動氣象站安裝使用簡單,適合于科學研究、大型試驗,也可用于實際氣象業務觀測中,溫度、氣壓、濕度等傳感器具有極高的精度,已經遠遠超出WMO的要求[3],可以充當觀測現場或計量室計量檢定的標準儀器。所研制的溫濕度、氣壓傳感器按1次/min的觀測頻率,其內置電池考慮自放電后還可以確保6年以上的工作時間。目前物聯網自動氣象站已經具有溫度、濕度、氣壓、風速、風向、降水、多種輻射、各層地溫、各層土壤水分、日照時數等多種傳感器。部分功能已經在農業環境檢測上應用,近一年的運行使用情況表明,系統運行穩定可靠,能夠勝任長期的環境氣象觀測工作。

[1]中國氣象局. 地面氣象觀測規范. 北京: 氣象出版社, 2003.

[2]李黃. 自動氣象站實用手冊. 北京: 氣象出版社, 2007.

[3]WMO-No. 8. Guide to Meteorological Instruments and Methods of Observation (Seventh edition). 2008.

Design of the Automatic Weather Station Based on IOT

Tang Huiqiang1, Li Chao2, Li Quanyue1
(1 Collage of Information and Control, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044 2 Nanjing Huiming Corp. of Instruments, Nanjing 210032)

In order to meet the needs of modern meteorological detection, automatic weather station of the Internet of Things is developed. Local area wireless sensor networks are composed of temperature, humidity, wind, pressure, precipitation and other meteorological sensor nodes, routers, and the coordinator. Wide area networks are also composed of the data communicator and remote computer through 3G, GPRS and the Internet. Data are received, analyzed and stored to real-time network database by the remote computer after the quality control. Meteorological data management and distribution is implemented and the data can be consulted through the user’s mobile phone or Internet computer.

Internet of Things, automatic weather station, sensor nodes

10.3969/j.issn.2095-1973.2014.03.009

2013年4月24日；

2013年6月18日

唐慧強（1965—），Email：thq@nuist.edu.cn

資助信息：國家重大科學儀器設備開發專項任務（2012YQ170003-5）