气象监测系统是现代气象综合监测平台的主要组成部分,其中实时监测的风速、风向、气温、湿度、雨量等环境信息可为气象预报、灾害风险评估、工程建设、农业发展及区域气候研究等领域提供可靠的数据支撑.针对自动化气象监测系统的研究,国内外主要结合特定环境监测的需求,定制化设计气象监测系统.张安莉等提出了一种基于LabVIEW 的环境监测系统,能够实时监测气温、湿度和二氧化硫质量浓度等参数,并提供超过阈值报警服务.傅桂霞等提出了一种面向局部定点区域的微型气象监测系统设计方案,可实现多种气象参数的实时采集与传输.Makarov等研制了搭载多种水文和气象传感器的自动水文气象站,并部署了检测和纠正因生物污染和传感器校准偏差而导致的测量误差.但以上气象监测系统采用在硬件上以线缆直接连接、软件上根据实际监测需要定制化设计数据采集和处理程序的方式,具有系统高集成度、软件高封装性、各模块高耦合性的特点,难以兼容底层传感器的输出格式和数据解析协议,在增加和扩展新的传感器时软硬件改动较大,无法满足重点工程建设、重大活动保障过程中根据需要快速扩展部署传感器和监测节点的需求.
为提高气象监测系统的传感器兼容和系统扩展能力,本文结合无线物联网技术和“软件定义网络”思想,开展自组网气象监测系统设计.在广东某码头进行了实际的工程应用,以验证系统设计的有效性和可行性.
１ 系统设计
１．１ 系统硬件组网设计
气象监测系统主要包括传感器、数据采集器及远程通信装置.由传感器采集数据后实时发送给数据采集器,采集器按照预置的程序完成数据预处理后,发送至远程通信装置并实时发回远程数据中心.自组网气象监测系统将传感器、数据采集与控制器、无线通信装置及云数据中心作为网络节点有效组织起来,实现气象传感器的快速协同监测.根据气象监测系统站位分布式布设和数据实时回传的特点,系统组网采用星形网络拓扑结构,该结构可以将传感器、数据采集器、无线通信装置及云数据中心作为网络节点并有效组织起来,实现气象传感器的快速协同监测,可在不变更系统组网的情况下灵活地调整节点数量,满足快速部署监测节点的需求.当前工业物联网广泛应用的无线通信技术主要有蓝牙技术、Wi Fi、基于IEEE８０２．１５．４的技术(Zigbee)、Z Wave等,Wi Fi具有并行通信和便于组网的优势,因此本研究选用 Wi Fi进行无线通信实现节点内局域网络的数据交互.网络内节点按功能分为环境感知层、采集控制层、通信传输层和数据应用层,如图１所示.
环境感知层由监测节点搭载的气象传感器组成,实现气象数据采集,并将采集的数据传输至数据采集控制层;采集控制层为具备一定计算能力的数据采集器,部署了数据采集控制与融合软件以实现传感器输出信号格式转换、各传感器输出数据的参数解析、数据预处理及数据融合等功能;通信传输层是具备远程通信传输功能的设备,包括移动通信装置(４GDTU)、北斗通信模块等,主要实现数据应用层与传感器间的数据透明传输;数据应用层即云数据中心,是星型网络拓扑结构的核心,可接收网络内所有监测节点采集的数据,并进行数据存储、数据预处理、统计分析、应用服务等工作.该系统组网设计在硬件上将各传感器、数据采集器、无线通信装置作为独立网络节点并有效组织起来.系统内部采用无线传输方式实现数据的 传 输 和 通 信,该 方 式 避 免 了I/O 硬 接线,减少了接线工作量,组网以后,传感器维护和节点的替换也非常简单.
１．２ 数据采集控制与融合软件设计
为保证气象监测系统实现底层传感器的兼容和数据的采集处理,研发并部署了数据采集控制与融合软件,其架构如图２所示.
数据采集控制与融合软件采用 C/S架构,由数据采集控制子系统和云数据处理子系统组成.数据采集控制子系统作为客户端部署数据采集器,主要包括传感器接入管理模块、数据预处理与存储模块、数据融合与转发模块.传感器接入管理模块主要实现不同传感器输出信号和数据解析协议兼容配置.根据统计,气象传感器主要输出数据格式为模拟电压信号和串口 RS２３２/RS４８５信号,通过配置 ADC转换器(analogtodigitalconver)和DAC转换器(analogtodigitalconver),实现模拟电压信号和数字信号的互相转换,以兼容不同传感器的信号输出差异[９].针对数据解析协议差异,该模块通过配置文件的方式定义传感器解析参数、数据预处理参数、数据融合和回传频率参数等.系统数据处理过程和数据流向如图３所示.
数据预处理与存储管理模块可根据解析参数配置格式实时进行解析并本地存储.该模块可根据部署的数据预处理方法进行疏失误差数据的检测和剔除,提高数据融合效果.
数据融合与转发模块实现按照回传频率对监测周期内的原始数据进行矢量平均或算术平均融合,并将融合结果转发至云数据中心功能.
云数据处理子系统作为服务端部署于云数据中心,包括网络节点运维监控模块、数据处理与分析模块.
网络节点运维监控模块实现对接入气象监测系统的各监测节点的实时监控,主要包括数据回传情况、运行状态、历史运维记录管理等功能.
数据处理与分析模块实现接收并处理各传感器节点发送的数据.可通过节点间和要素间的历史数据比对,识别疏失误差数据并进行标记等预处理工作,并定时进行数据的统计分析,针对丢包数据请求监测节点重新传送,提高数据的接收率.
２ 工程应用与结果分析
２．１ 系统工程应用
基于数据预处理的气象监测系统在广东某码头工程进行了实际应用,为工程设计与建设提供气象数据支持.
2021-04-01,在码头施工区附近布设了１＃节点(１１６°２９′４１″E,２２°５６′２３″N),搭载风速风向仪实现风速 和 风 向 要 素 监 测.根 据 工 程 建 设 进 展,２０２１ ０９ ３０新增布设２＃节点(１１６°２９′５７″E,２２°５６′３４″N),搭载风速风向仪和自动气象仪,能够监测风速、风向、气压、气温、相对湿度等要素,也可将自动气象仪的风速风向数据与风速风向仪的测量风数据进行比对,提高数据的观测质量.系统的远程通信装置为４G 传输模块,可通过运营商网络实现数据实时传输.其中风速风向仪采样频率均设置为３s,气象仪采样频率为５s,数据回传频率均为１０min.
２．２ 应用结果分析
传感器采集的原始数据经预处理后,按照回传频率进行数据融合并发送至云数据中心.在系统运行期间,系统整体具有良好的稳定性和可靠性,保证了周年气象监测任务的顺利完成.１＃和２＃监测节点总体数据获取率分别为 ９７．７％ 和９９．３％,实时数据为码头工程建设工作提供了有效的数据支撑,如表１和表２所示.图４显示了系统２＃ 节 点 搭 载 的 风 速 风 向 仪 和 自 动 气 象 仪２０２１年１０月采集的风速数据对比,可以看出两者数据一致性较好.系统新增和扩展２＃监测节点采用软件配置的方法,减少了软件和硬件的设计变更,实现了传感器的即插即用和监测节点快速部署.
３ 结束语
本文提出了基于自组网的气象监测系统设计方案并在广东某码头工程的气象监测项目进行了实际的工程应用,主要结论如下.１)系统节点内部硬件集成采用无线传输方式,减少了I/O 接线,降低了集成复杂度,便于监测节点搭载传感器的替换和维护.２)由监测节点和云数据中心构建的星型组网,在数据采集端和云数据中心部署的数据采集控制与融合软件,能够兼容不同型号传感器传输格式和数据解析协议,实现传感器的即插即用.３)工程应用结果表明,１＃和２＃监测节点系统运行稳定,数据获取率分别为９７．７％和９９．３％,验证了研究方案的有效性和可行性.
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发表于 2025-7-15 16:31:13