基于物联网的分布式自动气象站现场核查技术探讨

张治楠

（内蒙古自治区赤峰市气象局，内蒙古 赤峰 024000）

现阶段，气象观测行业朝着信息化、网络化的趋势发展。信息技术的更新迭代，必然推动自动气象站现场核查的建设和发展，其不仅具有极高的研究价值，同时也具备较高的应用价值。在自动气象站的建设及发展过程中，需要借助技术手段不断地进行创新和改良，积极地通过技术革新来改进自动气象站现场核查的运作流程。物联网技术是一项涉及领域多、应用范围广的信息技术，通过物联网技术，万事万物将不仅具有物理属性，同时也具备信息属性。互联网与显示物品可以无缝衔接，是自动气象站现场核查整体建设体系中极为重要的技术支撑。

1 基于物联网的分布式自动气象站现场核查系统需求分析

目前，物联网技术随着时代的发展已经广泛应用到各个领域。而中国新型自动气象站紧跟时代发展以物联网为基础，采取分布式自动气象站现场核查技术，确保基于物联网分布式自动气象站现场核查系统的需求分析，这就在一定程度上解决了现阶段自动气象站计量检定业务存在的问题，比如新型自动气象站现场核查技术是否核查准确等。而基于物联网的分布式自动气象站现场核查技术的主要特征是对新型气象站的主采集器、风向、风速、气压、雨量传感器等进行准确测量，与此同时，利用新型自动气象站现场核查技术也能大大提高多个通道以及设备之间同时进行核查的能力。此外，利用新型自动气象站现场核查技术还能够对各通道传感器进行实时监控，并且不定时地对各通道传感器进行现场测试，保证基于物联网的分布式自动气象站现场核查系统得到准确的需求分析[1]。

2 自动气象站现场核查装置的设计

2.1 物联网架构设计

在新型自动气象站中采取基于互联网的分布式自动气象站现场核查技术，就必须要做好新型自动气象站现场核查装置的设计。而自动气象站现场核查装置的设计离不开物联网架构设计的支撑。想要完全地发挥出现场对采集器、传感器同时进行核查的作用，新型自动气象站核查系统的设计就必须要采取多个核查分机的分布式结构。只有以互联网技术为基础将采集器与各传感器之间相互连接起来，才能实现主核查机与各个核查分机之间的协调合作。要想提高整体工作效率，提升核查工作智能化水平，现场工作人员操作时必须每人都配置一台核查系统的手持终端，在新型自动站采取物联网技术为基础的分布式自动气象站现场核查技术的同时，要对所有的核查数据进行规范化管理，以此来提高各个核查机的工作效率，进而提高智能化水平。此外，核查系统的设计必须要具备对各传感器进行现场测试的能力，并且无论是主核查机，还是各核查分机，都必须能够拥有单独测试传感器的机会，拥有独立离线运行的能力，只有这样，才能更好地将主核查机以及各个核查分机利用到现场故障诊断的情况中。

核查系统设计必须要拥有4个功能组件，其包括1个核查主机、2个核查分机及手持终端。此外，对核查系统进行设计的主要目的是将核查系统应用到气象观测场，各个组件之间再利用无线网进行连接，实现对锂电池的供电，从无线连接方式中可以看出，对各组件的传输速率要求不高。因此，核查主机和手持终端可以选用4G 网络作为远程数据传输方式。该系统的物联网架构主要包括传感器系统、数据采集系统、电源系统以及软件系统，各系统详细信息如下。

传感器系统：以现场核查仪器为主的传感器系统，在结构上主要包括传感器以及无线节点盒。传感器采用的是标准传感器，是由中国气象局设计定型的智能测量仪，具有温湿度测量、气压测量的功能。除此之外，还有二维超声风传感器以及雨量标准器。传感器系统能够对观测数据进行自动化采集、自动化分析、质量控制及存储和传输，完全能够适应自动采集模式。通讯模式及处理模式能够对设备的状态进行自动化检测，并进行质量控制、计量检定及信息报警[2]，可以自动诊断出设备的工作状态是否正常，如果设备发生状态异常，还可以进行自动化故障定位，便于技术人员及时对故障问题进行控制。在数据上采用标准化的数据格式以及三线制rs 232 串行数据接口，也可以进行拓展连接Zigbee，北斗卫星等通信模块可以进行热插拔，即插即用，加快数据交互的速度。

数据采集系统：数据采集系统是提高采集精度和采集效率的关键节点，因此，其选用具有较高性能的嵌入式处理器，同时采用高精度的模拟量采集器电路和时钟电路。系统内部内嵌蓝牙通信模块和Zigbee 模块，增加蓝牙通信和Zigbee 无线组网通讯功能。数据采集系统能够最大程度上加大数据采集的效率，完全摆脱了原始自动化采集系统采集效率及准确程度低等诸多弊端。同时，最大程度上提升了通讯效率。

电源系统：供电系统的稳定性也是决定整个系统运行效率和运行可靠性的重要因素。根据供电模块的不同，电源系统主要由采集器供电系统和智能节点处理单元供电系统组成。而采集器供电系统主要由充电器和电池组成，采用12 V 直流电源为数据采集器系统进行供电。无线智能节点和电源系统则由电池和无线充电板组成，为节点和本身以及传感器进行直流供电。

软件系统：软件部分主要由嵌入式软件以及业务软件共同组成。其中，嵌入式软件基于Linux 操作系统，可以充分发挥传感器系统数据采样、智能控制、数据传输与存储的功能。而业务软件主要由Pad 终端核查软件系统以及远端中心站数据转接系统共同组成。核查软件系统的主要功能就是核查数据，进行自动站现场数据的收集、比对、分析及原始数据的存储和核查报表的自动化生成。远端中心站软件的主要功能就是进行现场核查数据的存储和业务系统的数据连接[3]。

2.2 结构及功能设计

在新型自动气象站采取基于物联网技术的分布式自动气象站现场核查技术时，必须要充分考虑到核查系统是否使用方便且易携带的问题。要想核查系统能够使用方便并具有易携带性，还要核查系统的各个核查单元是否拥有独立离线运行的能力，必须要对核查系统的结构及功能进行合理设计。相关操作人员可以在每个核查单元内置锂电池供电、触摸屏、信号源输出端口等。保证核查系统的各个核查单元以及连接线都能完整地放置在一个手提工作箱内。核查系统要想拥有以上功能就必须包括核查主机、核查分机、手持终端以及远程服务器这些组件。

核查主机：在本系统中，核查主机的主要功能包括对气压、雨量、风速、风向传感器的信号源功能及性能进行测试，即对气压、雨量、风速、风向传感器所检测到的数据进行收集和汇总，并在特定的显示器上进行展示。

核查分机：核查分机的主要功能为对湿度、温度、地温传感器的信号源功能及性能进行测试，也就是对大气温度、湿度、地温进行检测并将观测结果进行实时展示。

手持终端：手持终端是技术人员对整个系统进行操控的工具，在终端上安装控制软件，并且能够根据定位识别站点按照预定配置的核查要求通过Zigbee 通信模块控制各个核查主机和核查分机。并将整个核查过程进行展示，在核查结束后，通过通信模块连接至远程服务器，将原始数据进行保存。

远程服务器：远程服务器本质上是存储服务器，配备有磁盘阵列和数据库软件。主要功能是负责接收并存储各个信号节点的原始记录，并通过打印软件对数据库原始记录进行批量打印。

3 现场核查的主要工作流程

3.1 采集器现场核查/校准的流程

采用基于物联网的分布式自动气象站现场核查技术进行周期核查校验可以实现全面自动化控制。在此过程中，可依靠处理系统和采集器，摆脱对人力的依赖。采集器现场核查及校准的主要流程如下：①技术人员将核查主机每个信号输入口采集器进行连接，而后将核查主机的通信端口与主采集机的调试端口进行连接，确认连接完成后开启核查主机和各个核查分机。②技术人员确认终端设备和主机设备皆处于正常运行状态后，根据经纬度确认站点的详细信息。并且在终端设备上连接远程服务器，获取更新配置文件。更新文件的内容包括但不限于各个观测要素的核查点、稳定时间、采样次数及采样间隔。③技术人员使用终端设备或是主机设备通过Zigbee 网络向各个采集节点发送核查指令。④每台核查主机和分机按照技术人员的核查指令向每个采集节点发送相关信号及指令。核查主机通过采集器的通信端口获取自动站各通道输出的值，并将其实时发送至各个核查分机。主机及分机设备显示器上将同时显示相应通道的标准信号值和采集器的输出值，而后核查主机将标准信号及采集器的输出值发送至技术人员的终端上。⑤终端设备或核查主机根据核查配置文件的参数对整个过程进行自动化控制，该过程不需要人工进行干预。若在核查过程中某个通道的核查值或校验偏差值大于设定的最大偏差时，终端设备将给予技术人员警报提示。核查工作结束后，终端设备或核查主机将会显示本次核查的主要结果并将整个核查过程的延时记录上传至特定的远程服务器中。

3.2 传感器现场测试流程

若在核查过程中发现自动站或某个传感器节点存在故障问题，技术人员可以单独使用核查主机或核查分机进行手动操作来对故障节点进行快速检测，也可配合传感器的校准设备进行使用，具体测试流程如下：①将故障节点的传感器与核查主机或核查分机进行连接。气压、雨量传感器及风速、风向传感器对应核查主机，温度、湿度传感器对应温湿度核查分机，地温传感器则对应地温核查分机。②将被测传感器放于校准设备或当前大气环境下，技术人员使用终端设备和对应的核查主机或核查分机开启传感器的性能测试功能。③终端设备或核查主机及核查分机将被测传感器的输出值显示在显示器上。

3.3 系统的实际运用

该系统经研制完成后，于2021年3月在中国海南省气象探测中心进行模拟试用。试验表明，该系统能够通过自组网实现对温湿度、气压、风量、雨量等6种采集要素的精准化采集测量。能够在极短的时间内快速实现对区域传感器工作状态的判断，最大程度上提高区域内现场检修和核查能力。

该系统有如下5 大优势：①适用范围广。该系统能够对不同厂家的自动气象站及多要素的检测要求进行满足，最大程度上满足地区气象站的合规性建设需求。②检测要素精准。可以精准地对传感器数值进行输出，并对数值偏移或跳跃等故障进行检出。③操作简单，便于携带。该系统体积小，质量轻，能耗也相对较低，完全可以单人携带，单人操作能够充分兼容野外的工作环境。④该系统支持无线自组网及蓝牙通信模式。⑤在软件系统上采用当下最先进的数字化技术和图形化操作展示方式，界面简洁易操作，检测结果可随时导出[4]。

4 结束语

基于物联网的分布式自动气象站现场核查技术是物联网技术在气象观测领域的应用，可以作为气象观测机构传感器实验室检定校准的补充方案，能够对目前自动气象站计量检定工作进行补充和完善。现查核查系统亦可作为自动站保障人员的测试工具，提高检测水平和工作效率，是进行信息化建设的重要举措。该系统采用软硬件相结合的方式进行工作，不仅改良了传统的工作流程，还提高了工作质量和工作效率。该系统的开发及应用，为中国气象观测领域带来全新的发展方向。