基于物联网的智能自动气象站设计

许兵甲，黄飞龙

（1.广东省气象局机关服务中心，广东广州 510080；2.广东省气象探测数据中心，广东广州 510080）

目前，全国自动气象站数量已超过55 000个［1］，为台风、暴雨等气象灾害的防灾减灾提供准确可靠的观测数据。

随着城市群的发展和气象服务多样性需求增加，充分利用城市群先进的物联网基础设施构建智能泛在的气象信息感知网是自动气象站的发展趋势，而通过智能终端与周边物联网观测设备的自动连接，让用户可以实时获取身边的气象数据，形成“观测即服务”能力则是基本需求。地面气象观测技术发展必然与物联网技术和智能技术结合，并且同时满足专业观测与大众服务要求［2］。在生产和服务行业领域，物联网技术的应用已经比较普遍，例如物联网助力农业大棚环境系统实现精准化控制，在高压输配电系统实现电缆状态的远程监测等。具有低延时、高带宽的5G通信技术也已经开始在配电网保护中得到行业垂直应用［3］。在物联网所涉及多种的无线通信技术中，ZigBee无线网络节点距离可拓展到1.5 km，并可以实现网络的自组织和自愈功能，具有较高的健壮性和抗干扰性［4］。WiFi网络是当今使用最广泛的传输技术，配合HTML5等应用层技术，设备数据可易于被用户接受。而新兴的5G网络则能满足实时性高、数据量大的应用场景需求。

物联网技术在国内自动气象站观测领域未得到深度的应用。张李元等［5］通过NB-IoT网络把数据传输到云端，实现了灵活的交互与网络控制；邹超等［6］在分布式自动气象站现场核查系统中应用了无线远程通信网络；马赛飞等［7］尝试了无线接入的多要素智能传感器设计。业务使用的自动气象站仍不具备自组网和在线质控功能，也无法提供便捷的WiFi接入与用户智能端的控制管理，难以满足智慧城市智能综合观测网所需的即时性、本地化和多样性的建设需求，因此，本研究基于物联网技术对气象自动站进行智能设计，以增强自动气象站的自适应能力和服务性能。

1 总体设计

基于物联网的智能自动气象站总体结构如图1所示。

图1 智能自动气象站系统框架示意图

自动气象站主要组成部件包括采集器、5G通信模块和传感器［8］。采集器采用高性能低功耗的ARM系列芯片，配置大容量Flash存储芯片、16位模数采集芯片、ZIGBEE自组网模组和WiFi通信模式组。采集器通过端口连接模拟传感器或数字传感器，对电信号完成转换、计算和统计后得到气象要素的观测值，并存储于采集器flash中。数据经过5G网络上传到云中心，通过ZIGBEE模块与其他智能采集器交互，或者通过WiFi模块向本地用户的智能终端提供特色服务。

通过与物联网技术结合，自动气象站增强了自身的场景适应能力、观测能力和应用便利性，拓展了数据共享的渠道和空间，使得其自身不仅仅是一个传统的孤立的测量节点，而且能够利用无处不在的城市物联网组成一个更大的监测网络，发挥更大的数据影响力。

2 端口自适应

传统的自动气象站，不同的要素传感器连接端口固定分配［9］，便于简化嵌入式采集处理程序，提高实时系统的效率，但不利于设备资源的共享。本设计采用数字传感器智能感知和采集流程松耦合的设计，设计端口地址和传感器开关标识进行实时映射管理，传感器开关标识记录端口号并直接控制秒和分钟任务的执行，传感器可以任意更换端口，秒和分钟采集任务可以随时根据需要挂接或者取消，做到硬件资源和软件任务的松耦合，既提高了端口的利用率也减少了软件冗余运行时间。同理，数字传感器采集处理改变了传统一对一的端口对接和任务管理方式，所有接口中断汇聚到同一个中断管理程序，在进行格式识别和传感器开关检查之后再调用秒和分钟任务，智能化的处理方式提高了用户使用的灵活性和资源的利用率。

3 ZIGBEE通信设计

ZIGBEE无线通信技术是基于蜜蜂相互间联系的方式而研发生成的一项应用于互联网通信的网络技术。该项技术尤其适用于自动气象站这一类数据流量偏小的设备，便于灵活自组网，实现自动气象站的类型扩展和要素的灵活安装。

根据ZIGBEE模块通信架构，采集器的ZIGBEE节点可配置为协调器模式或路由器模式。自组网流程包括通信组网和站点组网两部分。在采集器MCU发布搜寻已有网络的指令之后，ZIGBEE模块根据无线频段和协议搜寻网络，并在协调器分配节点号，即可与原有网络的其他节点通信，完成通信组网。通过用户配置站点号和工作模式，采集器可设置为主设备或者从设备，从设备将测量到的数据通过ZIGBEE网络实时发送到主设备，主设备将所有节点数据统一处理，完成多种观测要素数据的同步计算、数据融合、整体存储和5G远程传输。以ZIGBEE网络为基础，附近不同的采集器可在同一个站点号的管理下组成一个观测整体，实现不同气象要素灵活的自组网观测。

4 5G网络应用

自动气象站作为一个专业的测量设备，需要对测量数据的数据质量进行控制，提高数据的可靠性，而数据质量控制所需要的参数（采样变化率、气候极值和气象瞬时值变化率）与工作地点、季节和服务类型有关。由于设备安装地理位置和地区气候的不同，质控参数也不同；同一个设备在同一个地点的不同季节，气候极值和变化速率也不同。如果设备使用地点没有发生变化，但设备服务类型被修改，不同的服务类型对气象要素的最大允许误差要求也不同，因此相应的质量控制参数也应该智能地变更。本设计自动气象站通过5G物联网持续从云中心搜索本地区、本季节的历史极值和变化率质控规则，并将参数保存在自身的质控规则库中，实时改进本设备的观测数据质量。而某些极端天气的实时观测数据经过质控，在质控码提出可疑告警之后，云中心将会根据附近其他自动气象站或者天气雷达等多源数据对可疑数据进行对比验证，确认无误之后用于更新云中心历史规则库。通过5G物联网实时数据的上传和历史规则的下载，实现观测数据闭环质控的智能化，持续改进自动气象站观测质量。

5 WiFi通信设计

为实现与智能终端的实时连接并提供数据服务，采集器集成WiFi模块，利用模块的AP工作模式，实现无线物联网接入的web页面配置和自动气象站数据服务和设备控制管理。

采集器MCU、WiFi模块和智能终端三者之间采用异步的松耦合交互方式，在不影响采集器实时采集任务的同时满足智能终端多用户的交互需要。采集器主动发送数据包含每个气象要素实时的观测值以及采集器工作状态值，在接收到WiFi参数命令之后，采集器MCU根据中断处理程序马上响应，完成实时交互。而智能终端与WiFi则采用多用户轮询的异步方式，请求数据和返回数据并不需要很强的实时性，WiFi环节起到数据缓冲和管理用户的作用。通过命令系统和格式化数据协议，智能终端可通过WiFi网络对自动气象站进行系列操作，所查询和设置的参数主要包括：台站编号、时间日期、要素开关、传感器类型、传感器灵敏度、采集器主动传输的频率、通信端口使能和模拟端口配置等。

为保证数据安全，通过设备端和通信环节2个方面进行控制：在采集器端，通过用户账号权限管理进行可控的交互，一般用户只能被动接收输出数据，超级用户可对采集器的参数进行查询和设置；在WiFi通信配置白名单和加密传输，限制登录的对象和频次。

6 设计的实现

采集器主板实现信号采集、站内数据统计存储、数据质量控制算法和3种物联无线网络通信协议，通信板实现ZigBee和WiFi两种无线模块的硬件集成。通过传感器端口自适应算法，模拟传感器可以在4个模拟接线端子插座上任意互换，数字传感器可以在3个数字接线端子插座上任意互换。通过ZigBee自组网，无5G网络的单站A、单站C可以与附近具有5G网络的单站B组成一个局部探测网络，通过B站的5G传输功能将分钟数据集中发送到远程服务器上。

智能自动气象站附近20 m范围内的公众可以使用手机、平板或者室内智能电视机连接到智能气象站的AP热点，打开浏览器查看实时的气象站观测数据。浏览器每分钟更新显示最新的观测要素测量值，通过刷新操作，也可以调取最新的采样数值。通过“更多”按键查看某一个气象要素一天的发展趋势的时候，历史数据从TF卡缓存直接调用，体验较为流畅，且没有影响自动气象站的实时采集系统正常工作。在用于社会化观测的时候，自动气象站的WiFi也可以设置为STA模式连接到附近的公众网络，向云服务器发送观测数据。试验样机从2020年12月到2021年12月试运行期间无故障，可靠性得到验证。

智能自动站目前已经业务应用于便携式移动观测，并且在台风抗性试验中百米高铁多层风的无线自组网观测中得到应用。

本设计将ZIGBEE、5G和WiFi等物联网技术与自动气象站融合设计，实现传统观测设备的新一代发展，既增强了自动气象站在城市复杂环境的自适应能力和扩展能力，充分利用智慧城市的网络资源，也通过实时网络的闭环反馈将观测数据质量提高，为数据在预报或者公众出行参考应用提供更加可靠的数据支撑。由于物联网应用了无线传输的公开频段，在个别场合可能由于用户太多或者其他同类设备造成频段拥塞和信号干扰，本设计将在无线通信频段和信道自动探测和选择上进一步完善，提高传输性能和用户体验。