WL-4011型DTU在氣象自動站數據傳輸中的應用

摘要：氣象自動站的數據傳輸離不開DTU等相關設備，嚴格的業務考核指標也對DTU設備提出備高可靠性和安全性要求。文章對WL-4011型DTU在氣象自動站數據傳輸中的應用進行研究，在性能參數和配套軟件方面將其與WUSH-9118和WUSH-9218進行對比。通過模擬自動站工作環境，測試其在數據傳輸中的可用性及穩定性表現；利用WireShark軟件對其進行流量抓包統計分析，測試其安全性。文章結論表明WL-4011型DTU具備較好兼容性，在氣象自動站數據傳輸過程中穩定可靠，性價比高。

關鍵詞：DTU；自動站；數據傳輸

中圖分類號：P414

文獻標志碼：A

0 引言

中國地面氣象觀測站網目前包含1.1萬個國家級氣象觀測站、超過6萬個省級氣象觀測站以及少量國家大氣本底站、國家氣候觀象臺、國家應用氣象觀測站^［1］，高密度的觀測站網為精準的氣象預報和精細的氣象服務提供了可靠的基礎數據來源。物聯網技術的快速發展為野外氣象觀測站點數據傳輸提供了強大的技術支撐，如數據傳輸單元（Data Terminal Unit，DTU）^［2］。貴州省各級別常規氣象觀測站總計3800余站，其中超過80%依賴DTU設備，通過4G或者5G無線網絡建立與數據接收中心（以下簡稱“中心站”）的連接，傳輸觀測數據。

業務運行站點所使用的DTU型號主要是WUSH-9118及WUSH-9218。這兩款產品在可靠性、穩定性及易用性等方面表現良好，同時也一直存在采購價格較高的不足。WUSH-9118的采購單價為2000元，WUSH-9218的采購單價達到4000元，這一不足對觀測設備維持經費的高效合理使用產生了不利影響^［3］。目前，已有硬件廠商研發出具有兼容性的DTU產品，采購單價大幅度降低至500元以下且已在農業設施環境監測等氣象探測相似領域有成熟應用^［4-5］。文章對COMWAY系列DTU產品中的WL-4011型號在氣象觀測站設備（以下簡稱“自動站”）數據傳輸中的應用可行性進行研究，利用WireShark對其抓包進行安全性分析。

1 DTU功能介紹

在氣象觀測數據傳輸業務中，DTU在數據接收中心和采集器之間搭建橋梁，承擔觀測數據的上傳以及控制命令的下達。DTU將來自中心站的控制命令轉換為串口數據發送給觀測設備，或者將觀測設備應答的串口數據轉換為特定物聯網通信協議的網絡數據，利用4G或5G網絡通信的方式發送至數據中心站^［6］。

DTU與觀測設備（下位機）之間可通過RS485或RS232串口規格進行連接，文章所研究對象之間使用RS232規格。DTU與中心站（上位機）之間的通信協議有傳輸控制協議（Transmission Control Protocol，TCP）、用戶數據報協議（User Datagram Protocol，UDP）、Modbus、LoRa、消息隊列遙測傳輸（Message Queuing Telemetry Transport，MQTT）等多種規范^［6-9］，也可以使用私有協議，例如：本文研究對象使用的DDP規范為私有通信協議。

2 技術參數及配置工具對比

2.1 技術參數對比

WL-4011、WUSH-9118和WUSH-9218主要技術參數如表1所示。從中可知，三款產品均支持4G網絡。自動站實際運行環境下的5G網絡通常存在信號差或者信號不穩定的缺陷，因而使用4G網絡更符合數據傳輸及時穩定的需求。在工作功耗方面，WUSH-9218因支持有線網絡+藍牙通信方式、WL-4011因支持有線網絡+Wi-Fi通信方式，從而導致它們的功耗上限數值相較于WUSH-9118略高。三款產品在外形尺寸上略有區別。此外，WL-4011的工作電壓范圍相較于其他兩款產品略窄，而工作上限溫度略高。

自動站主要在用采集器型號均使用RS-232規格接口同DTU設備連接，同時可對DTU設備提供12 V直流供電。主流型號自動站的采集箱內部空間均較富裕，背板設計有多余安裝孔位。三款產品在主要技術參數的輕微差異對其安裝應用無顯著影響，同時通信天線亦可通用。

2.2 DTU配置工具對比

兩家硬件廠商均提供了DTU配置工具軟件和使用文檔。三款產品在使用前的配置過程中，均需要指定數據接收中心服務器的地址和設備編號（DTU身份識別碼），設備編號對于中心站具有唯一性，用于區分不同的觀測站點。三款產品均支持設置IP地址方式或域名方式，若選擇域名方式，則同時需要設置域名服務器IP地址。

WUSH-9218和WUSH-9118與數據接收中心之間使用UDP+DDP的通信方式，其中DDP為私有通信協議。在配置WL-4011時，須注意在配置軟件中將報文模式選擇為“4：HONGDIAN”^［10］，以實現兼容DDP私有通信協議的目的。

WL-4011型DTU的配置軟件可設置參數更多，例如：其支持設定WL-4011心跳包的內容及發送心跳包的頻率（更復雜的內容和更高的頻率也會導致消耗的流量增加，功耗上升，實際使用時須根據業務需求進行配置），WUSH-9118和WUSH-9218無法修改心跳包內容及發送頻率。WL-4011配置軟件還支持設置網絡校時服務器（Network Time Protocol Server，NTP服務器）IP地址，從而達到自動校準時間的目的，WUSH-9118和WUSH-9218則需要借助中心站發出的校時命令進行時間校準。

WUSH-9118和WUSH-9218兩種型號DTU配置軟件的交互操作更簡單直觀，WL-4011的配置軟件擁有更多的自定義功能，但也導致使用時更復雜。整體而言，兩款配置軟件在操作難度上無顯著區別，業務人員經簡單培訓后均可熟練掌握配置要點，快速設置好DTU工作參數。

3 功能及安全性測試

3.1 功能測試

在功能測試研究中，文章選用較為常見的WUSH-BH6型采集器，搭配WUSH-TW100A型溫度傳感器和DHC2型濕度傳感器，將WL-4011設置為4 G網絡通信方式模擬野外氣象自動站通信環境。為更好地進行輸入電壓調整測試和觀察功耗，測試過程中利用直流穩壓電源為測試設備供電。

在中心站中建立單獨的測試站點，參數設置與業務運行中的同類型站點保持一致。對WL-4011進行數據傳輸測試期間隨機開展以下操作：（1）開關直流電源模擬掉電重啟過程；（2）在11～13 V動態調整供電電壓模擬蓄電池充放電過程中的電壓變化；（3）向采集器遠程發出TIME，DATE，ID，LAT，LONG，ALT，ALTP，DMGD等運行監控工作中主要使用的控制命令^［10］，檢驗返回數據。

在持續72 h工作測試期間，中心站合計接收852次觀測數據，結果顯示WL-4011接收并編碼的WUSH-BH6采集器觀測數據和狀態數據上傳及時準確。如圖1所示，觀測時間與到報時間差在8～18 s，典型值為10 s和15 s，滿足現有氣象觀測數據傳輸規定中的及時性要求。

測試期間執行關閉直流電源輸出斷電并再次打開上電操作后，WL-4011可快速建立與中心站的連接。在動態調整輸入電壓操作過程中，WL-4011和WUSH-BH6均未出現工作異常狀況。WL-4011對中心站軟件發出的控制命令接收完整并及時解碼轉換為串口數據發送至WUSH-BH6采集器，返回的響應結果可正常解析，工作狀態穩定。

3.2 安全測試

為進一步檢驗WL-4011在設定工作模式下數據傳輸安全性，檢測其是否存在訪問陌生IP地址或者向目標中心站以外的目標發送數據的情況，文章選擇用有線網絡通信方式替換4G無線網絡通信方式進行分析。具體操作為，將WL-4011接入一臺三層交換機（已配置好端口鏡像功能）某一鏡像端口，同時將已配置WireShark軟件的電腦主機接入三層交換機的某一觀察端口。

通過以上連接，該三層交換機會將WL-4011所產生的全部通信數據包轉發至WireShark軟件所在電腦主機，此時便可利用WireShark軟件對WL-4011向中心站傳輸數據期間的通信過程進行連續抓包采集工作。如表2和表3所示，對連續48 h的通信數據包記錄結果統計分析可知：（1）與WL-4011有通信往來的IP地址合計4個，分別為中心站IP，預先設置的域名服務器，預先設置的NTP服務器以及WireShark電腦主機；（2）WL-4011產生的流量數據包以傳輸觀測數據的UDP數據包為主，另有校時請求產生的NTP校時數據包以及WireShark主機ping命令產生的響應數據包；（3）未發現WL-4011與陌生IP地址有網絡數據交互，同時WL-4011在測試期間未產生與外界的TCP數據包。

4 結語

通過本文的分析研究，對于WL-4011型DTU的應用可得出以下結論：（1）WL-4011技術參數同目前業務運行設備中在用DTU型號相近，可滿足自動站數據傳輸硬件及功能需求，外形尺寸略大；（2）WL-4011對自動站數據傳輸所使用的宏電通信協議有良好兼容性，觀測數據可及時準確傳輸至中心站；（3）在抓包分析測試中，WL-4011僅產生了UDP協議和NTP協議的流量，其中UDP協議的流量均為其與中心站之間的正常通信內容，未產生同中心站及NTP服務器以外第三個目標之間的通信記錄。

綜上，以WL-4011型DTU為代表的具備良好兼容性產品單價大幅度低于在用WUSH-9218和WUSH-9118等型號產品。測試過程表明此類兼容性產品在可用性及安全性方面表現良好。此類兼容性產品用于氣象自動站設備日常檢修或者調試工作時具備具有較高性價比。若用于業務運行站點數據傳輸，則需在更復雜嚴苛環境下對此類產品進一步做長周期測試，以檢驗其穩定性及安全性是否可滿足業務運行要求。

參考文獻

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（編輯 王永超）

Application of WL-4011 DTU in meteorological automatic station data transmissionYANG Enbo

（Meteorological Bureau of Tongren， Tongren 554300， China）

Abstract：Meteorological automatic station data transmission relies on DTU devices， and high key performance indicators also impose strict requirements of reliability and security parameters.A study was conducted on the application of the WL-4011 type DTU in automatic station data transmission in this paper， comparing its performance parameters and configuration toolkit with WUSH-9118 and WUSH-9218. By simulating the working environment of an automatic station， the availability and stability of the WL-4011 type DTU in data transmission were tested. Additionally， WireShark software was used to capture and analyze network traffic to test its security performance. The conclusion indicates that WL-4011 is stable and reliable in the process of automatic station data transmission， with a high cost-performance ratio and compatibility.

Key words：DTU; automatic station; data transmission