探讨物联网技术在气象中的应用

摘要：为了解决地面气象观测自动站实时观测数据异常和缺测，提高实时观测数据的时效性、准确性和可用性，促进气象现代化的发展，利用现代先进的无线通信技术设想构建气象智能观测网，希望能够实现观测精细化，从而为城镇小区域精细化和准确化预报服务。

关键词：智能观测网；质量控制；物联网技术

中图分类号： 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）15-3646-03

气象与社会发展、经济建设以及人们的日常生活越来越密切，尤其对特殊天气（如暴雨、台风、寒流、沙尘暴等）的准确预报、预测可以大大减轻人民群众的生命财产的损失。

气象预报员对天气的准确预报、预测离不开大量的观测数据。原数据越多越全面和原数据的时效性和准确性越高，预报、预测的准确性也会越高。

1 现状与思考

十二五期间，广东省要率先基本实现气象现代化。而气象现代化的首个要求应该就是观测资料自动化和智能化。随着气象自动站[1]快速、广泛地建设，随着通信手段和质量迅猛发展，观测资料的种类会越来越多，观测资料要求的间隔时间会越来越短，时效要求越来越高。

信息中心面临的压力也越来越大。压力主要来源两个方面：一方面是观测资料的时效性。影响资料的时效主要有数据采集延时，网络传输延迟，数据处理（包括质控和入库）耗费的时间。信息中心如何能非常快地将所收集到的资料处理、入库，然后提供给气象台等部门应用。面对将来的海量计算（或许可以称之为气象部门的云计算），信息中心需要高性能的计算机和存贮，“十二五计划”里国家局应会统领软硬件部署。而另一方面就是观测资料的准确性和可用性。实时资料的准确性和可用性对预报和预测非常重要。信息中心如何才能保证其准确可用呢？目前从大探中心了解到大致情况是自动站设备收集数据（极值纠错）通过中国移动或中国电信线路传送至信息中心。然后由信息中心对实时资料进行简单的质量控制，标注异常。面对大量的高频度的实时资料进行检查纠错，需要耗费大量的系统资源和时间，并且质量控制的方法有限，常用的有极（阈）值法、平均法、时空效验法等。对于国家气象信息中心压力则更大，国家气象局信息中心还专门为实时资料异常验证设立一个岗位，发现某站数据异常立即打电话询问情况。这样很难达到理想效果。要么站点资料数据错误，标注不可用，要么站点资料数据超阈值，标注异常，要么站点资料数据因设备坏根本就缺。

最近到云南出差，与云南省信息中心的交流获知，在云（南）贵（州）高原，气候比较特殊，经常出现局地大雨或暴雨。据他们的中心主任说，有时在同一条街道上，东边日出，西边雨，边界非常明显，有时雨量还颇大。倒是有晴（情），也有雨（义）。像这种情况，就算雨量超出极值，数据也是真实的，但是中心在做质量控制的时候，却无法判断，只能标注异常可疑。

泉眼清，活水来。有没有一种自动观测站完全主动自查自纠的方法？使得观测数据出站时就是可靠准确的呢？这样就会大大减轻信息中心的压力。

如果单靠自动站本身添加冗余模块实现，可以解决部分问题，如缺测等，但无法解决单站雨量等可信度问题。而且增加了维护难度和成本。

我们或许可以从水果收购商到苹果园收购苹果的行为过程中得到启发。当苹果熟了的时候，商贩就会来到苹果园收购苹果，又大又红又甜的苹果为一等品，价格自然高些，其次按等级收购，分类装箱、封箱，运输，入库储存，然后高于收购价出售。所有的检测、分类、封装在产地完成。

最近，看了一些文章，受物联网技术的启发。其实，物联网与互联网的关系就如同人体的各种器官与神经网络系统的关系一样，就像人通过皮肤器官感受外界的冷暖、干湿等。现在既然可以建智能大厦，将房间内所有设备联网，实现智能控制，那我们气象可不可以建智能观测网，解决以上问题呢？

2 物联网技术

现在有一种叫ZigBee技术[2-5]，专门用于传感和控制应用。ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。

2.1 ZigBee技术标准

ZigBee无线技术标准基于IEEE 802.15.4，ZigBee联盟对网络层协议和API进行了标准化、完善和扩展——网络层、应用层和高层应用规范（API），ZigBee拥有自己的特色功能。

IEEE802.15.4规范是IEEE无线个人区域网（PAN）工作组的一项标准，主要应用于个人区域网和对等网络。由于ZigBee是802.15.4的子集，故获得ZigBee认证的应用必须同时符合ZigBee和 802.15.4这两个标准，但802.15.4的应用却不一定符合ZigBee标准。如图1 。

ZigBee拥有三种频带，分别是用于欧洲的868MHz、用于美国的915MHz以及全球通用的2.4GHz，不同频带拥有不同的速率，分别提供了20kbps（868MHz）、40kbps（915MHz）和250kbps（2.4GHz）的原始数据吞吐率。

ZigBee性能和Bluetooth/IEEE 802.15.1以及WiFi/IEEE 802.11的性能比较。在发射功率为0dBm的情况下，Bluetooth通常能有10m有效距离，而ZigBee在室内通常能达到30m～50m，在室外如果障碍物较少，甚至可以达到100m。

2.2 ZigBee组网功能

ZigBee在组网方面相当出色。它的基本部件包括协调器、路由器和终端节点，各个网络都有一个协调器，协调器会启动网络，并且控制管理功能及数据路由功能。整个网络以一个个独立的工作节点为依托，通过无线通信组成星状（图2-a）、MESH网状（图2-b）或混合状（图2-c）网络，每个节点的功能并非都相同。ZigBee每一个节点都有一个无线收发器和一个控制器，共三种基本类型：控制器节点、全功能节点（full-function device ， FFD）和精简功能节点（reduced-function device ， RFD）。控制器和全功能节点主要处理网络连接处，如网关服务器的节点，而精简功能节点处于网络的末端，例如连接到传感器的节点。

ZigBee网络的扩展性良好。ZigBee网络的每个节点（控制器节点、全功能节点）可管理254个子节点，同时该节点还可由上一层网络节点管理，因此ZigBee可以支持每个网络多达六万多个节点。

ZigBee网络的节能效果也非常好。ZigBee节点所承载的应用数据速率都比较低，在不需要通信时，节点可以进入休眠状态，此时功耗只有正常工作状态的千分之一。由于在一般情况下休眠时间占了大部分总运行时间，因此达到很高的节能效果。在这种情况下，ZigBee的网络有可能依靠普通的电池连续运转一两年。ZigBee从休眠状态转换到活跃状态一般只需要十几毫秒，而由于使用直接扩频而不是跳频技术，重新接入信道的时间也很快。相比之下，Bluetooth需要3s～10s，WiFi需要3s。

2.3 ZigBee技术应用

基于Zigbee技术的传感器网络应用非常广泛。先应用于电力远程抄表、智能家居、路灯监控、传输压力、温度等数据的仪表等。Zigbee传感器网络用于楼宇自动化可降低运营成本。如：酒店里遍布空调供暖（HVAC）设备，如果在每台空调设备上都加上一个ZigBee节点，就能对这些空调系统进行实时控制，节约能源消耗。此外，通过在手机上集成Zigbee芯片，可将手机作为Zigbee传感器网络的网关，实现对智能家庭的自动化控制、进行移动商务（利用手机购物）等诸多功能。据BobHeile介绍，目前意大利TIM移动公司已经推出了基于Zigbee技术的Z-sim卡，用于移动电话与电视机顶盒、计算机、家用电器之间的通信及停车场收费等。

3 气象智能观测网设想

利用ZigBee技术优点和它的强大的组网能力，构建气象智能观测网是有可能实现的。

气象自动站观测的气象要素（如温度、气压、雨量等）形成的报文比较小，易于低速传输。符合ZigBee技术低速传输的特点。温感等设备技术已D1QXnt46oyQPLKOiOeo4LQ==经很成熟，单功能传感设备也不贵，即使现在有些精密设备贵点，随着现代技术的发展，根据IT界有名的摩尔定律，技术越来越好，功能越来越强大，硬件价格会越来越低。

利用现有观测场的四方平整平台，把主控节点（全功能节点full-function device ， FFD）安置在现有的主观测设备上，在它的四周10米至100米之间安放2-4个精简功能节点（reduced-function device ， RFD），如温度传感器、气压传感器、雨量传感器等。至于安置几个精简功能设备或混合安置，根据业务需求，可靠性计算以及成本等决定。设想如图3。

每次观测采集数据时，由主观测设备（主控制器、全功能设备）呼叫精简设备建立连接，精简设备将采集到的数据发送至主观测设备（主控制器、全功能设备），主控制器汇集数据，通过科学的比对算法得到精确的数据，再由主观测设备通过现有通讯手段将数据传送至信息中心。

如果在传送的数据包中设置数据比对标志，信息中心在收到实时数据进行数据处理时，只对标有特殊标志的数据进行检查，如只有单一设备采集数据，其他采集设备故障的情形。那么，信息中心收集处理数据的压力大大减轻，有利于提高实时数据的时效和数据的利用率，有利于气象的预报和预测。

利用ZigBee网络的良好扩展性，如果能在城市、县镇布设这样的观测网，气象预报、预测就可能实现城镇小区域精细化和准确化。如果将来观测网络扩展形成网状结构，智能观测网将无比强大，将会收集到大量真实的实时气象数据，我们将迎来气象的大数据时代。

ZigBee网络虽然有很多优点，符合气象观测资料传输的要求，但作为无线网络，都有共同的缺点，就是会受到外界其他信号的干扰。为了尽可能减少这种干扰，组网时可以申请使用气象专有频道，观测场尽可能远离高楼大厦和其他干扰源。

如果智能观测网可以实现，数据的可靠性和时效性将得到进一步的提高，对气象事业的现代化发展起到很好的促进作用。

参考文献：

[1] 张霭琛.现代气象观测[M].北京：北京大学出版社，2008.

[2] IEEE 802.15.4 WPAN Working Group[S/OL].http：//www.ieee802.org/15/pub/TG4.html.

[3] ZigBee联盟[S/OL].http：//www.zigbee.org/Home.aspx.

[4] ZigBee - 维基百科，自由的百科全书[EB /OL].http：//zh.wikipedia.org/wiki/ZigBee.

[5] ZigBee技术_百度百科[EB/OL].http：//baike.baidu.com/view/3085090.htm.