新型自動氣象站和自動氣候站結構對比

吳道航 劉杰鋒 蔡成滿

摘? 要：把物聯網技術引入氣象站，使新型智能氣象站技術上具有先進性和創新性，同時，物聯網技術的引入整體提高了業務臺站的技術水平。采用ZigBee（基于IEEE02.15.4標準的低功耗局域網協議）無線組網技術進行通信和數據傳輸，節約傳統布線成本，并使布站更為簡單。采用太陽能供電，即清潔環保，又可以保證臺站數據不因停電而缺失，增強系統穩定性和可靠性。

關鍵詞：新型自動站、自動氣候站、物聯網、ZigBee

0引言

隨著觀測自動化技術不斷提高，人工觀測逐步被自動觀測所取代，觀測系統轉型發展任務艱巨。隨著氣象現代化不斷推進，提高預報預測準確率、增強公共氣象服務和應對氣候變化能力對觀測內容、時空分辨率和觀測質量提出了新的更高的要求。新型自動氣象站的出現為全面實現地面氣象觀測自動化奠定了良好基礎，也為地面氣象觀測業務改革提供了基礎保障。

智慧氣象是新時期氣象現代化的重要標志，發展智慧氣象需要氣象觀測更加智能、標準化、信息化。基于太陽能供電，ZigBee無線傳輸技術的自動氣候站，突破智能觀測關鍵技術，基于國產高精度、高可靠性核心器件和物聯網等現代信息技術，實現常規氣象觀測裝備的智能感知。針對人煙稀少、環境惡劣地區，無人自動氣候站的建設基本消除氣象災害監測盲區，完成基準氣候觀測布局。

1 新型自動氣象站

新型自動氣象站屬于分布式結構自動氣象站，是基于現代總線技術和嵌入式系統技術構建，采用國際標準并遵循開放的技術路線進行設計。按照統一的功能規格書為設計標準進行研制開發，并由中國氣象局組織統一考核定型。

自動化的地面氣象觀測系統大致包括地面自動化觀測設備、數據采集業務處理平臺、數據通信網絡、質量審核、歸檔存檔、資料應用共享等子系統;在分布的層次上從縣級氣象觀測站、省級氣象數據中心到國家級氣象數據中心。系統運行需配套技術規范、標準和業務工作流程等。自動化發展目標是要建成一個精細化、自動化與智能化運行，具有結構合理、集約高效、技術先進、功能完備、穩定可靠的地面氣象綜合觀測業務系統。

圖1所示的是總線式自動氣象站結構圖，其核心是基于CAN（Controller Area Network，控制器區域網）總線技術和國際標準CANopen協議進行設計，涉及物理層、數據鏈路層和應用層的標準定義。滿足此定義和功能規格書的主/分采集器具備統一的物理接口和應用接口，從而達到兼容、互換的目的。為了實現自動氣象站的最小配置，將基本氣象要素傳感器直接掛接在主采集器上。可以對自動氣象站進行不同的配置，以實現不同觀測任務或滿足不同類別氣象觀測站的需要，以最大限度地方便維護和降低維護成本。

集成式新型自動氣象站的總體結果如圖2所示。隨著自動化只能傳感器的發展和觀測要素的增加，按照原有功能規格書上的新型自動氣象站功能已經不能滿足觀測業務發展需求，對具有高采樣頻率、復雜數據處理的智能化傳感器在地面觀測領域的應用受到了制約。為此，引入了綜合集成控制技術，一種新型集成式自動氣象站應運而生，由綜合集成控制器承擔接收數據的功能，使得系統具有更強大的擴展能力。集成式自動氣象站是在分布式結構自動氣象站的基礎上增加綜合集成控制器，并將分布式自動氣象站作為一個“多要素智能傳感器”看待，與其他智能傳感器儀器集成到串口服務器中，并把多個串口通信

轉換為一個網絡通信。一個綜合集成控制器可以接入多路串口信號，任何智能化傳感器不經過主采集器接入，也就不需要修改主采集器的內部程序，只要在終端計算機上的測報業務軟件掛接該設備就可以方便地獲取觀測數據。另外，還引入了數據對象字典處理技術，即提高了數據綜合集成處理的能力，又降低了主采集器的負擔，同時也提高了數據采集處理部分的標準化程度。

2 自動氣候站

為了減少通信線路引起的雷擊，提高傳輸系統智能化，自動氣候站采用ZigBee無線通信技術，完成傳感器、電源等與集成處理器的通信集成處理器將觀測數據和設備狀態收集整理后，通過GPRS或北斗與遠程業務平臺互通。統一通信協議，實現不同廠家產品互聯互通，通信協議分為：物理層、網絡層、應用層、信息安全等內容。

物聯網是互聯網的延伸和擴展，延伸到了任何設備和設備之間，實現智能化設備之間的信息交換和通信。目前國內業務運行的地面觀測站技術水平落后，設備穩定性、擴展性差;并且布站過程需要向觀測場拉入大量的電源線和通信線，而地面觀測站一般布置遠離市區的地段，這加大了布站成本和設備運行可靠性。把物聯網技術引入氣象站，使新型智能氣象站技術上具有先進性和創新性，同時，物聯網技術的引入整體提高了業務臺站的技術水平。采用ZigBee（基于IEEE02.15.4標準的低功耗局域網協議）無線組網技術進行通信和數據傳輸，節約傳統布線成本，并使布站更為簡單。采用太陽能供電，即清潔環保，又可以保證臺站數據不因停電而缺失，增強系統穩定性和可靠性。

無線傳感器網絡是融合了傳感器、嵌入式計算、無線通信、分布式信息處理等多學科知識的前沿熱點研究領域它能夠通過各類集成化的微型傳感器協同完成對各種環境或檢測對象的信息實時監測、感知和采集，并將這些信息在無線多跳網絡中傳送給用戶。無線傳感器

網絡的出現，將邏輯上的信息世界與客觀的物理世界融合在一起，改變了人與機器、人與自然的交互方式，從而實現物理世界、計算世界以及人類社會這三元世界的聯通，極大地擴展人類認識世界的能力。

ZigBee是一種低成本、低功耗、低速率、短距離無線網絡技術（LR-WPAN），凡是具有上述特征或要求的場合都可以應用。如數字家庭領域、工業領域、智能交通、醫療領域、現代農業、環境檢測、智能建筑、安全保障。傳統農業是一種粗放型的耕作方式，現代農業要求對局部的環境、土壤成分、氣候等進行全面的檢測。無土栽培、大棚溫室的環境控制等都需要有效的檢測手段，ZigBee技術由于具有成本低、功耗低等優點，因此在現代農業中有廣泛的應用前景。環境監測，在氣象、環保領域，可以將ZigBee網絡與其他的通信技術（如GPM/GPRS）結合起來，采集某特定區域中的溫度、氣壓、降雨、噪聲、大氣成分等有效數據。在這里，眾多的ZigBee設備負責采集個點的數據采集，由ZigBee協調器進行集中，然后再使用GSM等將采用的數據傳送到監測中心。

參考文獻：

[1] 徐兵，唐慧強.基于ZigBee的自動氣象站系統的設計[J]. 微計算機信息（管控一體化）.2009，25（1-3）：154-160.

[2] 梁慎青，李永生，李澤杰.探討物聯網技術在氣象中的應用[J].電腦知識與技術. 2013，9（15）：3646-3648.

[3] 王柏林，花衛東，陽艷紅.便攜式自動氣象站結構與功能設計[J].氣象與環境科學. 2013，36（4）：79-83.

[4] 田光普，張向榮，李崇福，等.串口服務器在自動氣象站的應用[J].陜西氣象.2016，（3）：40-42.

[5] 陸土金，姜小云，陳卿才，李大君.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）：79-82.

[6] 鞏娜.地面氣象觀測綜合集成硬件通信接口設計[D].成都：成都信息工程學院. 2014.

[7] 李佳.基于無線通信的自動氣象站的研究[D]. 北京：北京郵電大學.2012.

[8] 黃思源，劉鈞.新型自動氣象站觀測業務技術[M]. 北京：氣象出版社. 2014：5-10.

[9] 馬啟明.地面氣象觀測自動化技術手冊[M]. 北京：氣象出版社. 2015：13-26.