新型自动气象站和自动气候站结构对比

吴道航 刘杰锋 蔡成满

摘  要：把物联网技术引入气象站，使新型智能气象站技术上具有先进性和创新性，同时，物联网技术的引入整体提高了业务台站的技术水平。采用ZigBee（基于IEEE02.15.4标准的低功耗局域网协议）无线组网技术进行通信和数据传输，节约传统布线成本，并使布站更为简单。采用太阳能供电，即清洁环保，又可以保证台站数据不因停电而缺失，增强系统稳定性和可靠性。

关键词：新型自动站、自动气候站、物联网、ZigBee

0引言

随着观测自动化技术不断提高，人工观测逐步被自动观测所取代，观测系统转型发展任务艰巨。随着气象现代化不断推进，提高预报预测准确率、增强公共气象服务和应对气候变化能力對观测内容、时空分辨率和观测质量提出了新的更高的要求。新型自动气象站的出现为全面实现地面气象观测自动化奠定了良好基础，也为地面气象观测业务改革提供了基础保障。

智慧气象是新时期气象现代化的重要标志，发展智慧气象需要气象观测更加智能、标准化、信息化。基于太阳能供电，ZigBee无线传输技术的自动气候站，突破智能观测关键技术，基于国产高精度、高可靠性核心器件和物联网等现代信息技术，实现常规气象观测装备的智能感知。针对人烟稀少、环境恶劣地区，无人自动气候站的建设基本消除气象灾害监测盲区，完成基准气候观测布局。

1 新型自动气象站

新型自动气象站属于分布式结构自动气象站，是基于现代总线技术和嵌入式系统技术构建，采用国际标准并遵循开放的技术路线进行设计。按照统一的功能规格书为设计标准进行研制开发，并由中国气象局组织统一考核定型。

自动化的地面气象观测系统大致包括地面自动化观测设备、数据采集业务处理平台、数据通信网络、质量审核、归档存档、资料应用共享等子系统;在分布的层次上从县级气象观测站、省级气象数据中心到国家级气象数据中心。系统运行需配套技术规范、标准和业务工作流程等。自动化发展目标是要建成一个精细化、自动化与智能化运行，具有结构合理、集约高效、技术先进、功能完备、稳定可靠的地面气象综合观测业务系统。

图1所示的是总线式自动气象站结构图，其核心是基于CAN（Controller Area Network，控制器区域网）总线技术和国际标准CANopen协议进行设计，涉及物理层、数据链路层和应用层的标准定义。满足此定义和功能规格书的主/分采集器具备统一的物理接口和应用接口，从而达到兼容、互换的目的。为了实现自动气象站的最小配置，将基本气象要素传感器直接挂接在主采集器上。可以对自动气象站进行不同的配置，以实现不同观测任务或满足不同类别气象观测站的需要，以最大限度地方便维护和降低维护成本。

集成式新型自动气象站的总体结果如图2所示。随着自动化只能传感器的发展和观测要素的增加，按照原有功能规格书上的新型自动气象站功能已经不能满足观测业务发展需求，对具有高采样频率、复杂数据处理的智能化传感器在地面观测领域的应用受到了制约。为此，引入了综合集成控制技术，一种新型集成式自动气象站应运而生，由综合集成控制器承担接收数据的功能，使得系统具有更强大的扩展能力。集成式自动气象站是在分布式结构自动气象站的基础上增加综合集成控制器，并将分布式自动气象站作为一个“多要素智能传感器”看待，与其他智能传感器仪器集成到串口服务器中，并把多个串口通信

转换为一个网络通信。一个综合集成控制器可以接入多路串口信号，任何智能化传感器不经过主采集器接入，也就不需要修改主采集器的内部程序，只要在终端计算机上的测报业务软件挂接该设备就可以方便地获取观测数据。另外，还引入了数据对象字典处理技术，即提高了数据综合集成处理的能力，又降低了主采集器的负担，同时也提高了数据采集处理部分的标准化程度。

2 自动气候站

为了减少通信线路引起的雷击，提高传输系统智能化，自动气候站采用ZigBee无线通信技术，完成传感器、电源等与集成处理器的通信集成处理器将观测数据和设备状态收集整理后，通过GPRS或北斗与远程业务平台互通。统一通信协议，实现不同厂家产品互联互通，通信协议分为：物理层、网络层、应用层、信息安全等内容。

物联网是互联网的延伸和扩展，延伸到了任何设备和设备之间，实现智能化设备之间的信息交换和通信。目前国内业务运行的地面观测站技术水平落后，设备稳定性、扩展性差;并且布站过程需要向观测场拉入大量的电源线和通信线，而地面观测站一般布置远离市区的地段，这加大了布站成本和设备运行可靠性。把物联网技术引入气象站，使新型智能气象站技术上具有先进性和创新性，同时，物联网技术的引入整体提高了业务台站的技术水平。采用ZigBee（基于IEEE02.15.4标准的低功耗局域网协议）无线组网技术进行通信和数据传输，节约传统布线成本，并使布站更为简单。采用太阳能供电，即清洁环保，又可以保证台站数据不因停电而缺失，增强系统稳定性和可靠性。

无线传感器网络是融合了传感器、嵌入式计算、无线通信、分布式信息处理等多学科知识的前沿热点研究领域它能够通过各类集成化的微型传感器协同完成对各种环境或检测对象的信息实时监测、感知和采集，并将这些信息在无线多跳网络中传送给用户。无线传感器

网络的出现，将逻辑上的信息世界与客观的物理世界融合在一起，改变了人与机器、人与自然的交互方式，从而实现物理世界、计算世界以及人类社会这三元世界的联通，极大地扩展人类认识世界的能力。

ZigBee是一种低成本、低功耗、低速率、短距离无线网络技术（LR-WPAN），凡是具有上述特征或要求的场合都可以应用。如数字家庭领域、工业领域、智能交通、医疗领域、现代农业、环境检测、智能建筑、安全保障。传统农业是一种粗放型的耕作方式，现代农业要求对局部的环境、土壤成分、气候等进行全面的检测。无土栽培、大棚温室的环境控制等都需要有效的检测手段，ZigBee技术由于具有成本低、功耗低等优点，因此在现代农业中有广泛的应用前景。环境监测，在气象、环保领域，可以将ZigBee网络与其他的通信技术（如GPM/GPRS）结合起来，采集某特定区域中的温度、气压、降雨、噪声、大气成分等有效数据。在这里，众多的ZigBee设备负责采集个点的数据采集，由ZigBee协调器进行集中，然后再使用GSM等将采用的数据传送到监测中心。

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