基于物聯網的分布式自動氣象站現場核查技術探討

張治楠

（內蒙古自治區赤峰市氣象局，內蒙古 赤峰 024000）

現階段，氣象觀測行業朝著信息化、網絡化的趨勢發展。信息技術的更新迭代，必然推動自動氣象站現場核查的建設和發展，其不僅具有極高的研究價值，同時也具備較高的應用價值。在自動氣象站的建設及發展過程中，需要借助技術手段不斷地進行創新和改良，積極地通過技術革新來改進自動氣象站現場核查的運作流程。物聯網技術是一項涉及領域多、應用范圍廣的信息技術，通過物聯網技術，萬事萬物將不僅具有物理屬性，同時也具備信息屬性?；ヂ摼W與顯示物品可以無縫銜接，是自動氣象站現場核查整體建設體系中極為重要的技術支撐。

1 基于物聯網的分布式自動氣象站現場核查系統需求分析

目前，物聯網技術隨著時代的發展已經廣泛應用到各個領域。而中國新型自動氣象站緊跟時代發展以物聯網為基礎，采取分布式自動氣象站現場核查技術，確?；谖锫摼W分布式自動氣象站現場核查系統的需求分析，這就在一定程度上解決了現階段自動氣象站計量檢定業務存在的問題，比如新型自動氣象站現場核查技術是否核查準確等。而基于物聯網的分布式自動氣象站現場核查技術的主要特征是對新型氣象站的主采集器、風向、風速、氣壓、雨量傳感器等進行準確測量，與此同時，利用新型自動氣象站現場核查技術也能大大提高多個通道以及設備之間同時進行核查的能力。此外，利用新型自動氣象站現場核查技術還能夠對各通道傳感器進行實時監控，并且不定時地對各通道傳感器進行現場測試，保證基于物聯網的分布式自動氣象站現場核查系統得到準確的需求分析[1]。

2 自動氣象站現場核查裝置的設計

2.1 物聯網架構設計

在新型自動氣象站中采取基于互聯網的分布式自動氣象站現場核查技術，就必須要做好新型自動氣象站現場核查裝置的設計。而自動氣象站現場核查裝置的設計離不開物聯網架構設計的支撐。想要完全地發揮出現場對采集器、傳感器同時進行核查的作用，新型自動氣象站核查系統的設計就必須要采取多個核查分機的分布式結構。只有以互聯網技術為基礎將采集器與各傳感器之間相互連接起來，才能實現主核查機與各個核查分機之間的協調合作。要想提高整體工作效率，提升核查工作智能化水平，現場工作人員操作時必須每人都配置一臺核查系統的手持終端，在新型自動站采取物聯網技術為基礎的分布式自動氣象站現場核查技術的同時，要對所有的核查數據進行規范化管理，以此來提高各個核查機的工作效率，進而提高智能化水平。此外，核查系統的設計必須要具備對各傳感器進行現場測試的能力，并且無論是主核查機，還是各核查分機，都必須能夠擁有單獨測試傳感器的機會，擁有獨立離線運行的能力，只有這樣，才能更好地將主核查機以及各個核查分機利用到現場故障診斷的情況中。

核查系統設計必須要擁有4個功能組件，其包括1個核查主機、2個核查分機及手持終端。此外，對核查系統進行設計的主要目的是將核查系統應用到氣象觀測場，各個組件之間再利用無線網進行連接，實現對鋰電池的供電，從無線連接方式中可以看出，對各組件的傳輸速率要求不高。因此，核查主機和手持終端可以選用4G 網絡作為遠程數據傳輸方式。該系統的物聯網架構主要包括傳感器系統、數據采集系統、電源系統以及軟件系統，各系統詳細信息如下。

傳感器系統：以現場核查儀器為主的傳感器系統，在結構上主要包括傳感器以及無線節點盒。傳感器采用的是標準傳感器，是由中國氣象局設計定型的智能測量儀，具有溫濕度測量、氣壓測量的功能。除此之外，還有二維超聲風傳感器以及雨量標準器。傳感器系統能夠對觀測數據進行自動化采集、自動化分析、質量控制及存儲和傳輸，完全能夠適應自動采集模式。通訊模式及處理模式能夠對設備的狀態進行自動化檢測，并進行質量控制、計量檢定及信息報警[2]，可以自動診斷出設備的工作狀態是否正常，如果設備發生狀態異常，還可以進行自動化故障定位，便于技術人員及時對故障問題進行控制。在數據上采用標準化的數據格式以及三線制rs 232 串行數據接口，也可以進行拓展連接Zigbee，北斗衛星等通信模塊可以進行熱插拔，即插即用，加快數據交互的速度。

數據采集系統：數據采集系統是提高采集精度和采集效率的關鍵節點，因此，其選用具有較高性能的嵌入式處理器，同時采用高精度的模擬量采集器電路和時鐘電路。系統內部內嵌藍牙通信模塊和Zigbee 模塊，增加藍牙通信和Zigbee 無線組網通訊功能。數據采集系統能夠最大程度上加大數據采集的效率，完全擺脫了原始自動化采集系統采集效率及準確程度低等諸多弊端。同時，最大程度上提升了通訊效率。

電源系統：供電系統的穩定性也是決定整個系統運行效率和運行可靠性的重要因素。根據供電模塊的不同，電源系統主要由采集器供電系統和智能節點處理單元供電系統組成。而采集器供電系統主要由充電器和電池組成，采用12 V 直流電源為數據采集器系統進行供電。無線智能節點和電源系統則由電池和無線充電板組成，為節點和本身以及傳感器進行直流供電。

軟件系統：軟件部分主要由嵌入式軟件以及業務軟件共同組成。其中，嵌入式軟件基于Linux 操作系統，可以充分發揮傳感器系統數據采樣、智能控制、數據傳輸與存儲的功能。而業務軟件主要由Pad 終端核查軟件系統以及遠端中心站數據轉接系統共同組成。核查軟件系統的主要功能就是核查數據，進行自動站現場數據的收集、比對、分析及原始數據的存儲和核查報表的自動化生成。遠端中心站軟件的主要功能就是進行現場核查數據的存儲和業務系統的數據連接[3]。

2.2 結構及功能設計

在新型自動氣象站采取基于物聯網技術的分布式自動氣象站現場核查技術時，必須要充分考慮到核查系統是否使用方便且易攜帶的問題。要想核查系統能夠使用方便并具有易攜帶性，還要核查系統的各個核查單元是否擁有獨立離線運行的能力，必須要對核查系統的結構及功能進行合理設計。相關操作人員可以在每個核查單元內置鋰電池供電、觸摸屏、信號源輸出端口等。保證核查系統的各個核查單元以及連接線都能完整地放置在一個手提工作箱內。核查系統要想擁有以上功能就必須包括核查主機、核查分機、手持終端以及遠程服務器這些組件。

核查主機：在本系統中，核查主機的主要功能包括對氣壓、雨量、風速、風向傳感器的信號源功能及性能進行測試，即對氣壓、雨量、風速、風向傳感器所檢測到的數據進行收集和匯總，并在特定的顯示器上進行展示。

核查分機：核查分機的主要功能為對濕度、溫度、地溫傳感器的信號源功能及性能進行測試，也就是對大氣溫度、濕度、地溫進行檢測并將觀測結果進行實時展示。

手持終端：手持終端是技術人員對整個系統進行操控的工具，在終端上安裝控制軟件，并且能夠根據定位識別站點按照預定配置的核查要求通過Zigbee 通信模塊控制各個核查主機和核查分機。并將整個核查過程進行展示，在核查結束后，通過通信模塊連接至遠程服務器，將原始數據進行保存。

遠程服務器：遠程服務器本質上是存儲服務器，配備有磁盤陣列和數據庫軟件。主要功能是負責接收并存儲各個信號節點的原始記錄，并通過打印軟件對數據庫原始記錄進行批量打印。

3 現場核查的主要工作流程

3.1 采集器現場核查/校準的流程

采用基于物聯網的分布式自動氣象站現場核查技術進行周期核查校驗可以實現全面自動化控制。在此過程中，可依靠處理系統和采集器，擺脫對人力的依賴。采集器現場核查及校準的主要流程如下：①技術人員將核查主機每個信號輸入口采集器進行連接，而后將核查主機的通信端口與主采集機的調試端口進行連接，確認連接完成后開啟核查主機和各個核查分機。②技術人員確認終端設備和主機設備皆處于正常運行狀態后，根據經緯度確認站點的詳細信息。并且在終端設備上連接遠程服務器，獲取更新配置文件。更新文件的內容包括但不限于各個觀測要素的核查點、穩定時間、采樣次數及采樣間隔。③技術人員使用終端設備或是主機設備通過Zigbee 網絡向各個采集節點發送核查指令。④每臺核查主機和分機按照技術人員的核查指令向每個采集節點發送相關信號及指令。核查主機通過采集器的通信端口獲取自動站各通道輸出的值，并將其實時發送至各個核查分機。主機及分機設備顯示器上將同時顯示相應通道的標準信號值和采集器的輸出值，而后核查主機將標準信號及采集器的輸出值發送至技術人員的終端上。⑤終端設備或核查主機根據核查配置文件的參數對整個過程進行自動化控制，該過程不需要人工進行干預。若在核查過程中某個通道的核查值或校驗偏差值大于設定的最大偏差時，終端設備將給予技術人員警報提示。核查工作結束后，終端設備或核查主機將會顯示本次核查的主要結果并將整個核查過程的延時記錄上傳至特定的遠程服務器中。

3.2 傳感器現場測試流程

若在核查過程中發現自動站或某個傳感器節點存在故障問題，技術人員可以單獨使用核查主機或核查分機進行手動操作來對故障節點進行快速檢測，也可配合傳感器的校準設備進行使用，具體測試流程如下：①將故障節點的傳感器與核查主機或核查分機進行連接。氣壓、雨量傳感器及風速、風向傳感器對應核查主機，溫度、濕度傳感器對應溫濕度核查分機，地溫傳感器則對應地溫核查分機。②將被測傳感器放于校準設備或當前大氣環境下，技術人員使用終端設備和對應的核查主機或核查分機開啟傳感器的性能測試功能。③終端設備或核查主機及核查分機將被測傳感器的輸出值顯示在顯示器上。

3.3 系統的實際運用

該系統經研制完成后，于2021年3月在中國海南省氣象探測中心進行模擬試用。試驗表明，該系統能夠通過自組網實現對溫濕度、氣壓、風量、雨量等6種采集要素的精準化采集測量。能夠在極短的時間內快速實現對區域傳感器工作狀態的判斷，最大程度上提高區域內現場檢修和核查能力。

該系統有如下5 大優勢：①適用范圍廣。該系統能夠對不同廠家的自動氣象站及多要素的檢測要求進行滿足，最大程度上滿足地區氣象站的合規性建設需求。②檢測要素精準。可以精準地對傳感器數值進行輸出，并對數值偏移或跳躍等故障進行檢出。③操作簡單，便于攜帶。該系統體積小，質量輕，能耗也相對較低，完全可以單人攜帶，單人操作能夠充分兼容野外的工作環境。④該系統支持無線自組網及藍牙通信模式。⑤在軟件系統上采用當下最先進的數字化技術和圖形化操作展示方式，界面簡潔易操作，檢測結果可隨時導出[4]。

4 結束語

基于物聯網的分布式自動氣象站現場核查技術是物聯網技術在氣象觀測領域的應用，可以作為氣象觀測機構傳感器實驗室檢定校準的補充方案，能夠對目前自動氣象站計量檢定工作進行補充和完善?，F查核查系統亦可作為自動站保障人員的測試工具，提高檢測水平和工作效率，是進行信息化建設的重要舉措。該系統采用軟硬件相結合的方式進行工作，不僅改良了傳統的工作流程，還提高了工作質量和工作效率。該系統的開發及應用，為中國氣象觀測領域帶來全新的發展方向。