數據通信技術在自動氣象設備中的應用

胡 川，閔 峰

（61902部隊場站氣象保障室，四川 宜賓 644000）

0 引 言

隨著科學技術發展和氣象觀測技術創新，地面觀測自動化技術逐漸得到推廣和應用，人工觀測逐漸被取代和淘汰。地面觀測自動化的實現需要投用常規業務自動站、自動土壤濕度儀以及能見度觀測儀等自動化設備，保障氣象觀測中各種觀測要素的采集和分析。相比較于傳統的人工氣象觀測，不需要在一定區域內安排氣象觀測員，按照統一的觀測時間分別觀測不同時間段內的氣象信息，記錄觀測時間、次數以及對項目未來的預測，并將觀測的相關信息形成記錄，編成電碼。但由于人工觀測和自動化觀測都要求時效性，所以人工觀測的結果必須在10 min內發出，從而保障天氣圖中氣象資料的準確性和時效性。自動化氣象觀測能夠在自動化設備設定下自動進行相關信息的采集和存儲，借助無線數據通信技術和有線數據通信技術將氣象信息傳輸給數據服務中心。氣象信息的傳輸對于氣象觀測具有重要意義，不僅對氣象資料的準確性起著重要作用，而且能夠保證資料上傳的及時性和有效性。

1 氣象設備通信網絡保障的重要性

在自動化技術和信息化技術快速發展的推動下，氣象觀測技術的應用和發展也取得了巨大的進步。在自動化技術支持下，氣象相關要素信息的采集、分析、處理以及上傳都能夠實現全部自動化操作，減少了人員需求，在降低人力資源成本的同時，還能夠同時提高氣象觀測的實時性和準確性。但是自動化設備用在氣象信息觀測時，要綜合分析安裝環境和工作特性，加強設備維護，保障自動化設備的可靠性和穩定性，這要求逐漸健全和完善氣象設備網絡通信保障，構建網絡通信保障體系。

2 數據通信技術在自動氣象設備中應用

2.1 有線數據通信

有線數據通信技術主要應用于業務臺站，滿足常規的自動站數據通信業務需求。自動氣象站的主要設備有傳感器、采集器、電源、計算機以及通信電纜等數據通信設備，其中通信電纜是同軸電纜，其結構如圖1所示[1]。同軸電纜主要應用于距離較近的音頻傳輸，借助SSB/FDM的調制方式也能夠實現部分較遠距離的高頻載波和數字通信。圖1所示結構基于同軸的PCM（Pulse Code Modulation，脈沖編碼調制）時分多路數字基帶傳輸技術，保證較大通信容量，具有較高的穩定性，而且能夠有效減少自然環境和外部干擾因素的影響，保證較高的保密性和安全性。

依托有線數據通信技術，有線數據通信系統借助有線數據通信電路連接數據終端和計算機終端，能夠實現數據存儲、處理以及傳輸功能。有線數據通信系統主要包括數據終端設備、通信電路以及計算機系統3大部分，借助自動站設備實現氣象信息，通過自動化感應元件中相關要素的變化來輸出不同的電量，產生一定的模擬信號和數字信號[2]。這些信號被處理器實時控制的數據采集器所采集，通過線性和定量處理，完成該工程量到要素的轉換，然后科學篩選得到的數據，按照氣象系統需要的格式存儲在采集器中，并按照系統需求將各種氣象信息通過傳輸信道傳輸給計算機。具體的自動氣象站有線數據通信系統結構如圖2所示。

2.2 無線數據通信

由于氣象監測環境的不確定性，因此往往需要將自動化設備建設在野外等惡劣環境中，尤其是像多要素自動站和土壤濕度儀等設備需要搭建在要監測的環境中，如果采用有線數據通信系統，將大大增加線路鋪設的成本，而且鋪設的難度也較大，所以往往采用無線數據通信系統來實現氣象信息和數據的傳輸。無線數據通信整體通信模式如圖3所示。

在區域自動站建設中，除了必備的傳感器和采集器建設，還需要配備太陽能電源和無線數據通信等模塊。其中無線數據通信模塊的技術基礎通常是通用分組無線分組業務（General Packet Radio Service，GPRS）和碼分多址（CodeDivisionMultipleAccess，CDMA）技術，這是因為其具有較高的穩定性和可靠性，可以保證無線數據通信能夠滿足氣象站數據傳輸需求[3]。

圖3 無線數據通信整體通信模式

隨著全球移動通信系統（Global System for Mobile Communications，GSM）技術的發展，GPRS通用分組無線技術得到了推廣和應用。其在全球移動通信技術應用基礎上科學引入了分組交換功能實體，實現了通過分組方式進行數據傳輸的技術支持。應用過程中進一步實現了對全球移動通信系統原有技術支持的業務拓展和擴充，既滿足了移動用戶對于分組數據移動終端接入Internet的需求，而且能夠滿足接入不同分組數據網絡的功能。

GPRS技術應用實現了端到端的數據傳輸，擺脫了電路交換網絡資源的限制，效能更高且成本更低，實現無線分組數據傳輸，在突發性和間斷性的數據傳輸中應用廣泛，在大小數量的數據傳輸中均能夠采用。

GPRS無線數據通信系統的應用主要有兩種方式，一種是點對點的數據傳輸，另一種是中心點對多點的數據傳輸。隨著氣象信息系統的逐漸完善，目前采用較多的是中心點對多點的數據傳輸方式，該方式的數據傳輸實現需要有效借助App應用業務和DTU數據終端單元，通過SMS短消息業務和數據業務實現氣象設備觀測數據的傳輸，并在GPRS以及SMS等無線數據通信技術支持下完成中心站服務器向多數據服務中心的數據傳遞，實現廣大用戶的數據獲取和共享，具體示意如圖4所示。

圖4 中心點對多點數據傳輸示意圖

在該系統中，如果GPRS數據通信發生故障，系統將自動啟用短信服務（Short Massage Service，SMS）通信方式，保障數據的及時傳輸。

3 加強氣象設備通信網絡保障的措施建議

氣象設備通信網絡是氣象站工作有序推進的重要保障，如果通信網絡發生故障，那么數據的傳輸將會受到嚴重影響，所以要實現氣象站的更新和完善。不斷發展和完善通信網絡保障體系，在保障通信暢通的同時，保證數據采集的獨立性、數據分析的準確性以及信息傳輸的完整性與高效性，保證信息設備采集到的各種信息能夠正常輸出，降低因為通信故障導致數據丟失和傳輸不及時等故障出現的幾率。這要求氣象設備維修維護人員既要掌握氣象通信網絡的基本知識，又要綜合分析網絡故障發生原因和解決辦法，保證突發事件發生后能夠進行及時、有效且科學地處置[4]。

氣象站建設中設備配置方面，要密切關注計算機等相關核心設備，避免計算機病毒等潛在因素對系統的影響。工作人員需要按照相關規定對計算機進行定期檢查和殺毒，通過加裝防火墻和系統保護工作，避免外人入侵通信網絡，保障數據的安全性和完整性。同時對于氣象通信網絡還要監理長效管理機制，根據運行狀況和系統需求建立周期性檢修和維護方案，搜集、整理以及分析常見突發的事件和故障，為突發事件的應急處置積累經驗，保證故障發生后能夠在最短的時間內恢復通信網絡，為氣象信息傳輸營造良好通信環境。

4 結 論

本文綜合分析了有線數據傳輸和無線數據傳輸通信在自動氣象設備中的應用，分別闡述了兩種數據通信方式在不同情況下的適用。有線數據通信具有數據傳輸穩定和抗干擾能力強的優點，其缺點是鋪設難度大、擴展性較差以及維護困難，所以適合于短距離和有人值守的自動站設備。無線數據通信具有成本低廉、可擴充性強以及傳輸能力強的優點，其缺點是受網絡條件的制約且抗外界干擾能力較弱，所以適合于長距離、野外的或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。