基于物联网技术的气象灾害监测预警体系研究

赵智鹏+史莲梅

摘要：物联网的技术特点和优势与气象灾害监测预警的需求完美契合，其技术将越来多广泛地应用在气象灾害监测预警体系建设中。通过阐述物联网技术的发展和气象灾害的主要类型、影响及特点，分析物联网技术在气象灾害监测预警中的发展前景和使用价值，同时提出了物联网技术在气象灾害监测预警体系建设中需要解决的问题和需要突破的关键技术。

关键词：物联网技术；气象灾害；监测预警

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）08-0263-03

Abstract： The Internet of things technology features and advantages of meteorological disaster monitoring and early warning of the perfect fit， the technology will be more widely used in the construction of meteorological disaster monitoring and early warning system. The IOT technology development and meteorological disasters of the main types， influence and characteristics are introduced. Analysis of IOT technology in meteorological disaster monitoring and early warning and prospects for the development of and use value， and puts forward the IOT technology in the construction of meteorological disaster monitoring and early warning system to solve the problem and need to break through the key technology.

Key words： Internet of things technology； meteorological disasters； monitoring and early warning

近年来，气象灾害及次生灾害给国民经济造成巨大损失。气象灾害监测预警的时效性和准确性对于有效防灾减灾起着至关重要的作用。物联网技术的广泛应用可以大大提高气象灾害监测预警的时效性和准确性。

物联网技术的特点是通过大量传感器及感知技术的应用获取监测信息，通过互联网进行实时传输，并对数据进行快速处理和分析。这些特点对于气象灾害监测预警体系的建立具有重要的应用价值。

1 物联网相关技术发展概况

物联网的关键性技术主要包括无线传感技术、无线射频识别技术和纳米技术[2]。随着新技术的发展和广泛应用，物联网的技术优势得到不断的提升，其关键技术也在不断发展。

1.1 无线传感技术

无线传感技术构成的无线传感器网络是远程自动获取信息的先进技术，其监测点的覆盖范围不受有线网络的限制，具有覆盖范围广的特点。其核心技术是传感器节点的定位技术，

典型的无线传感器网络定位技术有以下四种：1基于接收信号强度指示；2基于到达角度；3基于到达时间；4基于到达时间差。

1.2 无线射频识别技术

无线射频识别 （RFID）是一种利用无线射频识别技术识别目标对象并获取对象信息的技术，该技术具有稳定性强、识别速度快、识别效率高等特点。

无线射频识别技术通常由标签、耦合元件和芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码，并通过读取器读取标签信息，最终通过天线在标签和读取器间传递射频信号。

1.3 纳米技术

纳米技术的特点在于使得体积越来越小的物体能够在物联网中进行交互和连接，该技术可以扩展物联网的使用范围，增强物联网的应用领域。对气象灾害的精细化监测具有一定的使用价值。

2 物联网技术在气象防灾减灾应用的必要性

2.1 气象灾害的主要类型、影响及特点

气象灾害种类多、分布地域广、发生频率高、造成损失重。我国每年由于气象灾害所造成的经济损失是3000-4000亿人民币，占GDP的1-3%。随着全球气候变化进一步加剧，灾害性天气引发的自然灾害呈现多发、频繁态势。各类气象灾害及次生灾害造成的损失和影响不断加重。

气象灾害一般包括暴雨、暴雪、雷暴、冰雹、干旱、洪涝等因素造成的灾害，以及由于暴雨、暴雪引起的山体滑坡、泥石流等次生灾害。这些灾害都可以借助物联网技术的应用，提前预报和预警，并在灾害发生时为指导救灾和转移人民群众提供准确及时地信息[3]。

2.2 物联网技术特点及优势

随着气象灾害发生的频率越来越高，发生的范围越来越广，造成的损失越来越大，原有的气象灾害监测预警方式暴露出诸多弊端，物联网的技术优势恰恰可以弥补这些弊端。 构建基于物联网技术的气象灾害动态监测系统，具有实时性强和远程监控能力，并且极大地降低了人力成本，同时大幅度提高监测信息的准确性[4] 。这些优势给有关部门科学应对气象灾害提供可靠的依据，同时为防灾减灾节省的宝贵的时间，尽可能地降低气象灾害造成的损失[5]。

2.3 物联网技术在气象灾害监测预警中的发展前景

2.3.1 利用物联网技术建立智能气象灾害监测网

目前有一种叫ZigBee的无线通信技术，其特点和优势对于建立智能气象观测网具有很强的现实意义。特点如下：

1）低功耗： ZigBee设备非常省电，仅靠两节5号电池就可以维持6个月到2年左右的使用时间，而目前使用的其它无线通信设备功耗都要远高于ZigBee设备。如此低的功耗对于气象灾害监测点往往建在极端恶劣且没有供电设施的地区显得尤为重要。

2）时延短： ZigBee设备的通信时延是30ms，休眠激活的时延是15ms。如此短的时延即提高了通信的实时性，又提高了通信的可靠性。这非常符合智能气象观测网的技术要求。 为大幅提高智能气象观测网的通信质量提供了基础。

3）网络容量大：一个区域内可以同时存在最多100个ZigBee网络， 而一个Zigbee网络最多可以容纳255个设备。如此大的网络容量可以增强气象灾害监测点的密度，为灾害监测的精细化奠定了基础。

4）低成本： ZigBee模块的初始成本在50元人民币左右，估计随着ZigBee技术的不断成熟，其成本还有很大的降幅空间。

5）安全可靠： ZigBee技术采用了双向确认的数据传输模式， 每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。如果传输过程中接受方没有确认，发送方将启动重新发送，直至发送成功。同时支持鉴权和认证， 采用了AES-128的加密算法。

综合以上技术优势和特点，构建基于ZigBee技术的智能气象灾害监测网将成为目前的最佳选择[6]。气象灾害监测站点分布地域广、密度大、大部分地区属于没有供电设施的无人区或者电力设施落后的乡村和山区，并且气象观测数据形成的报文比较小，易于传输。因此，ZigBee无线通信技术完全符合智能气象灾害监测网的要求。

智能气象灾害监测网点由一个主控制器和若干个传感功能节点，主控制器和传感功能节点的距离在10米至100米之间。传感功能节点（RFD）包括温度传感器、气压传感器、雨量传感器等。智能气象灾害监测网拓扑图如图1。

每次观测采集数据时，由主控制器呼叫传感设备建立连接，传感设备将采集到的数据发送至主控制器，主控制器汇集数据，通过科学的算法得到精确的数据，再由主控制器通过现有通讯手段将数据传送至信息中心或者应急指挥中心。

2.3.2 利用物联网技术建立气象灾害信息立体获取体系

物联网技术在气象灾害监测预警，灾害应急救助方面具有重要应用价值。气象部门应该加大相关技术及应用研究，通过科学引导、统筹规划，推动气象灾害监测预警信息平台建设，建立一体化的灾害信息立体获取体系和统一指挥协调机制，提供强大的技术支持[7]。

3 基于物联网的气象灾害动态监测系统架构

气象灾害动态监测系统主要由智能观测系统、数据传输系统、智能数据处理系统、预警信息发布系统等四个子系统组成。（图2）

3.1 智能观测系统

智能观测系统充分利用物联网技术和设备，构建气象智能观测网，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，进而大幅提高采集数据的质量，实现观测精细化。并且可以根据实际需要进行远程控制和设备自检，提高自动站设备的稳定性，为气象灾害监测预警服务提供数据支撑。

3.2 数据传输系统

数据传输系统主要利用GMS、CDMA和气象卫星等网络，建立观测网站点与网络中心之间的信息传输，确保数据的安全、可靠和畅通。前端气象灾害监测可采用ZigBee无线传输技术组网并将传感信息互联上传，物联网网关设备将采集信息进行收集并通过3G、WLAN、北斗等通讯接口回传至网络中心。

3.3 智能数据处理系统

数据处理系统对前端传感设备采集的数据进行汇总分析，并通过专用的数据处理软件和特定的数据计算方法对实现监测数据进行智能分析，自动生成特定格式的灾情报文。最终发送给预警信息平台。

3.4 预警信息发布系统

根据实时数据自动预判灾害预警，及时会商，并利用现有自动化的网络通讯方式进行信息联动发布，确保政府和人民群众及时获得灾害预警信息。

4 结论

随着RFID技术、ZigBee技术、传感技术、纳米技术、无线通信技术等物联网及相关技术的快速发展，物联网在气象灾害监测预警体系中的应用将越来越广泛。气象灾害监测预警体系的可靠性、稳定性、实时性、准确性将得到大幅的提升。气象和有关部门可以通过物联网随时随地获知当前和未来一段时间的气象灾害预警信息。对提高灾害预警和防灾减灾提供了更为有效的技术保障，大大提高气象部门的精细化服务水平，为国家和人民群众减少或降低由于气象灾害带来的生命和经济损失。

参考文献：

[1] 董爱军，何施，易明.物联网产业化发展现状与框架体系初探[J].科学进步与对策，2011（14）：61-65.

[2] 王保云.物联网技术研究综述[J].电子测量与仪器学报物， 2009，23（12）：1-7.

[3] 梁慎青，李永生，李泽杰.探讨物联网技术在气象中的应用[J].电脑知识与技术，2013，9（15）：3646-3648.

[4] 王建宙.“物联网”将成为经济发展的又一驱动器[J]. IT时代周刊，2009（10）：20.

[5] 张霭琛.现代气象观测[M].北京：北京大学出版社，2008.

[6] 孔晓波.物联网概念和演进路径[J].电信工程技术与标准化，2009（12）：12-14.

[7] 陈积明，林瑞仲，孙优贤.无线传感器网络的信息处理研究[J].仪器仪表学报，2006，27（9）：1107-1111.