智能氣象站系統框架初探

■ 劉鈞 張彬彬 呂寶磊

基于無線傳感器網絡的氣象站系統新框架，包括兩層，分別是設備層和應用層。模擬信號采集、氣象要素計算和數據格式化輸出等功能位于設備前端（設備層）；應用層由至少一個嵌入式系統組成，可用于實時數據收集、數據質量控制、極值統計、信息發布以及其他復雜功能。新框架的設備層聚焦于觀測穩定性，而應用層關注功能擴展。隨著嵌入式軟件的不斷豐富，地面氣象觀測系統將變得越來越智能。

綜合氣象觀測是構建現代化的氣象業務體系的基礎，而加快實現地面氣象觀測自動化是綜合氣象觀測的基礎和重要組成部分。經過20年左右的快速發展，我國已經初步建成了以自動氣象站為主體的較大規模的地面氣象綜合觀測網絡。華云研發并推廣了兩代自動氣象站，目前正在致力于第三代自動氣象站的研制。第一代自動氣象站（圖1）起步于20世紀90年代，以系統集成技術為主，采用工業上通用的數據采集器，將溫度、濕度、氣壓、降水、風向、風速等傳感器的電信號采集下來，轉換為氣象要素觀測值，通過計算機上的上位機軟件形成各種氣象報文和報表，不足之處是觀測要素的擴展比較困難。

圖1 CAWS600自動氣象站

第二代自動氣象站起步于2008年，采用了控制器局域網絡（Controller area network，CAN）總線的連接方法（圖2）。一個主采集器可以串接多個分采集器，使得傳感器接入的靈活性大大增強，同時具備了一定的數據質量控制功能，這種專用氣象裝備在業務上得到了較為普遍的應用，不足之處是安裝、使用比較復雜，維護成本也比較高。隨著電子和信息技術的進步，氣象傳感器也正朝著高精度、數字化、高可靠、微功耗、微型化方向發展，尤其是物聯網技術的日益成熟和大規模運用，給自動氣象站的升級換代帶來了新的機遇。

圖2 基于CAN總線的CAWS3000自動氣象站系統框架

得益于微機電系統（Micro-electro-mechanism system，MEMS）、片上系統（System on chip，SoC）、無線通信和低功耗嵌入式技術的飛速發展，本文基于無線傳感器網絡（Wireless sensor network，WSN）的基本原理和實現方法，提出了在無線傳感器網絡基礎上構建地面綜合觀測系統的總體思路，設計了一款地面綜合觀測智能站的實現模型，可實時完成對各氣象觀測要素的連續采集、數據處理及傳輸、信息發布與分析，并可基于相應數據建模開展設備診斷和維護，為數值預報提供更快捷可靠的支撐，將地面氣象觀測自動化向前再推進一步，為機器觀測最終替代人工觀測奠定基礎。

1 設計框架

自動氣象站的一種智能化框架如圖3所示，該模型顯示出每個功能區的連通性，不同角色的用戶可以在不同的層面介入對系統的操作。在這個新的智能化框架中，以網關為分界面，整個系統分為上下兩層，上層為應用層，下層為設備層。模擬信號采集、氣象要素計算和數據格式化輸出等功能位于設備前端（設備層）。應用層由至少一個嵌入式系統組成，可用于實時數據收集、數據質量控制、極值統計、信息發布以及其他復雜功能。網關不屬于兩者中的任意一層，但卻是一個非常重要的設備，上下層之間采用不同的通信協議進行通信的時候，需要配置支持相應協議的網關。

圖3 新一代自動氣象站的智能化框架

1.1 設備層

設備層以嵌入式系統為中心，外圍聚集了一批智能網絡化傳感單元。嵌入式系統是一種專用的計算機系統，用于控制、監視或輔助完成特定的自動化或智能化任務。設備層包含一大批不同觀測要素的智能網絡化傳感單元，而每個智能網絡化傳感單元都由采集模塊、處理模塊、通信模塊和電源模塊等部分構成。通過以上4個模塊的協作，智能網絡化傳感器可以具有自檢測、自修正、自保護功能，計算上的判斷、決策、格式化輸出功能，以及通信上的雙向數字通信功能。圖4為設備層邏輯框圖。

采集模塊是傳感單元的核心，傳感器將反映氣象要素的模擬信號轉換為數字信號，不同要素具有不同的模數轉換精度和延時性。處理模塊由處理器、內存、存儲器、接口和系統軟件組成，一般采用低功耗芯片。通信模塊由射頻電路和無線天線組成，負責接收和發送數據。電源模塊為系統提供電源，相關電源管理軟件運行在處理模塊，用于動態電源管理，比如，通過休眠、低功耗運算來延長電池壽命。

圖4 設備層邏輯框圖

1.2 應用層

應用層是應用程序與網絡之間的直接接口，使得用戶能夠與設備進行交互，該層具有各種應用程序，可以完成和實現用戶關心的各種服務功能。圖5為應用層邏輯框圖。

1）數據服務。用戶建立觀測系統的主要目的就是獲取數據，這是應用層所要實現的關鍵功能。狹義的數據服務是指通過本系統建立的網絡訪問端口，將觀測數據報文推送給用戶。而廣義的數據服務，可以是將本氣象站納入到一個更大的觀測網絡下，實現批量數據從觀測系統向預報系統或氣象服務系統的遷移。借助大數據分析或云平臺管理，我們能實現許多以前難以想象的服務功能。廣義的數據服務可以讓我們離智慧氣象更近一步，限于篇幅，不在這里贅述。

2）識別和組網服務。主要用于提高自動氣象站的建設者和維護者的工作效率。系統采用無線傳感器網絡的組成方式，事先得到授權的地面氣象觀測傳感器能夠被智能氣象站自動識別，未獲授權的傳感器也能被系統判別和自動排除，避免非法接入。同時，采用多網關技術或雙控制器熱備份工作模式，傳感器和終端設備能夠自動選擇路由接入網絡，構建氣象觀測場可靠的無線傳感器網絡環境，網絡中數據能夠實時同步。

3）狀態和診斷服務。通過該服務接口，自動氣象站的狀態信息報告能夠實時生成，部件故障能夠自動報警，且具備數據質量控制及信息推送等功能。用戶能夠通過運行在各種智能終端上的診斷程序與設備深度交互，便于現場調試和維護維修。

4）計量檢定服務。通過提供計量檢定設備接口，內置計量校準參數配置模塊，能夠與各種自動檢定裝置密切配合，如雨量校準儀，便捷高效地完成各要素傳感器的現場或實驗室標校過程。

5）其他服務。在這種新的架構之下，應用層的服務接口還可以不斷被創造和開發出來，這正是這一新框架的魅力所在。

2 運用的主要技術和標準

2.1 運用無線傳感器網絡技術

WSN是一種分布式傳感網絡，對比傳統的傳感器應用方式優勢明顯，具有更好的精確性、靈活性、可靠性和性價比。它綜合了傳感器技術、嵌入式處理器技術、分布式信息集成技術和通信技術，能夠遠程實時監測、感知和采集網絡分布區域內的各種監測對象的信息，各節點間具有自組織和協同工作的能力，可避免單點實效和實現密集空間采樣。WSN中的傳感器通過無線方式通信，因此網絡設置靈活，設備的安裝、更換和使用非常方便，還可以跟互聯網進行有線或無線方式的連接。從傳輸特性、服務質量（Quality of service，QoS）要求、移動性等方面，為了確保WSN能連續有效地工作，其結構設計要保證網內節點的公平性，盡量實現能量的均衡分布。

物聯網（Internet of things，IOT）接入技術體系可以靈活支持各種規模的WSN網絡。可以由WSN節點通過分層匯聚成一定規模的WSN網絡，再接入移動通信系統；也可以由移動基站直接連接帶有移動終端功能的傳感器，此時這些傳感器既是WSN節點，也是WSN網關。IOT利用射頻識別（Radio frequency identification，RFID）、WSN、無線數據通信等技術，能夠構造一個廣泛覆蓋的巨大信息網絡。

2.2 運用IEEE 1451標準

電氣和電子工程師協會（IEEE）和美國國家標準與技術研究院（NIST）聯合推出IEEE 1451系列標準，規定了傳感器、轉換器、機械、網絡及實現兼容和互換的轉換器間的公共接口，建立了通用智能網絡化傳感器的框架，解決了不同智能傳感器之間的互操作性和互換性等問題，可以使得傳感器制造商簡化接口的設計，更加專注于傳感器本身的研發。該標準促進了網絡化智能傳感器技術的發展，IP傳感器（基于嵌入式因特網的智能傳感器）在IEEE 1451標準基礎上對智能傳感器信息模型進行了二次開發，保留了IEEE 1451標準的智能變送器接口模塊（Smart transducer interface module，STIM）結構和功能，并對電子數據表格（Transducer electronic data sheet，TEDS）進行了擴展，以TCP/IP網絡協議進行通信，降低了使用門檻和成本。

氣象要素傳感器輸出信號類型有數字信號、模擬信號、電路參數信號等。為了使傳感器模塊能適應氣象業務中的各種氣象要素觀測，STIM需要根據傳感器類型實現前端信號調理電路的重構，會用到程控增益放大等電子技術。在高性能嵌入式微控制器模塊的控制下，能實現氣象要素傳感器信號的采集、處理以及傳感器的熱插拔、自動識別、自檢、自校準、自調零等功能。網絡適配器模塊中集成的ZigBee子模塊和TCP/IP子模塊，能幫助智能傳感器適應多種通信網絡。所采用的技術路線見圖6。

圖6 傳感器智能化技術路線框圖

3 CAWSmart智能氣象站

采用全新的氣象站地面觀測系統架構，我們研制了CAWSmart智能氣象站，它全面兼容WMO CIMO指南和《地面氣象觀測規范》，具有完全自主知識產權。它實現了全自動地面氣象數據采集、存儲、處理和傳送等功能，容錯能力超強，具有非凡的穩定性和可靠性。

主控制器采用了嵌入式系統技術，其核心是高性能32位微處理器，能夠確保系統運行的實時性。通過傳感器智能化技術和主控制器技術的合理應用，構建了智能氣象站系統架構可靠性的基礎。產品及其構成如圖7所示。

該系統能夠對風向、風速、溫度、濕度、雨量、氣壓、地溫、土壤水分、凍土、蒸發、雪深、總輻射、凈輻射、反射輻射、散射輻射、直接輻射、日照、云量、云高、能見度、凍雨、天氣現象等氣象要素進行全天候自動監測，可同時滿足天氣和氣候觀測的需要。降水類和地面凝結類天氣現象可由傳感器直接給出，其他類型天氣現象可由系統綜合判別算法給出。該系統采用了模塊化設計，各個傳感器可自動識別接入無線傳感器網絡，實現自適應智能組網，用戶根據業務需要選用相關要素的傳感器及輔助設備，可以很便捷地組配出適合于不同臺站業務類型的專業觀測站。系統關鍵技術之一的傳感器智能化技術，具備自動調零、補償、校準、質量控制、設備狀態報告和自診斷等功能，采用低功耗、高精度、高穩定性的電子測量技術和短距離無線通信技術，為地面氣象觀測從自動化升級換代到智能化奠定了堅實的基礎。產品測量性能指標見表1。

圖7 CAWSmart智能氣象站、數據收集中心軟件及APP

該系統對比傳統自動氣象站具有如下新的特點和優勢：

1）模塊化更徹底，對數據采集器單元、傳感器處理單元進行了智能化封裝，并實現了包括數據采集器單元、傳感器處理單元部件的自動識別、自動接入、自動檢查等功能。

表1 傳感器測量技術指標

2）安全性更強，運用了標準通信協議棧技術以及微電子芯片技術固化標準通信協議棧，進一步提高數據處理的統一性和安全性。

3）監控更便捷，采用自檢、自診斷、自校準技術，提升了數據采集器和傳感器的監控功能，大大加強了地面觀測站的維護保障能力。

4）充分運用物聯網技術構建氣象專用無線傳感器網絡、專用的嵌入式操作系統和數據傳輸協議，實現靈活組網。

5）結構設計更合理，便于安裝和部署，滿足惡劣環境條件下全天候不間斷運行。

4 小結

智能化觀測技術有可能徹底改變目前自動氣象站觀測系統的布局和觀測業務的管理運行方式，尤其是在觀測自動化、無人值守、計量檢定業務管理方面會產生質的飛躍，進而顯著提高氣象觀測數據有效性、準確性，減少觀測人員的數量和勞動強度；完成的新觀測方法研究和新技術產品的定型，對于推進地面氣象觀測全自動化的發展進程能夠起到非常重要的作用。

本文設計的基于WSN的地面綜合觀測系統可靠性高、功耗低、擴展性好、成本可控，能夠及時有效地獲取各種地面觀測要素數據。無線傳感器地面綜合觀測模型，能有效地監測各種地球表面氣象環境要素，為地球綜合觀測系統的構建提供一種新的技術手段，具有強勁的發展潛力，推廣應用可望產生巨大的社會和經濟效益，具有廣闊的應用前景；因其代表了融合的趨勢，蘊含著融合所帶來的巨大創新空間，以及融合后產生的巨大價值。

深入閱讀

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