田 佳，駱 漢，田 濤，趙廷寧，高甲榮，孟欣欣，吉崎真司

(1.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院水土保持與荒漠化防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083;2.微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)有限公司，日本橫濱220-0003;3.東京都市大學(xué)環(huán)境情報(bào)學(xué)部，日本橫濱224-8551)

在自動(dòng)氣象站應(yīng)用以前，對(duì)溫度、濕度、大氣壓強(qiáng)、風(fēng)速風(fēng)向、降水等基本氣象要素都是采用人工觀測(cè)記錄，但是隨著自動(dòng)化探測(cè)設(shè)備的應(yīng)用和推廣，自動(dòng)氣象站逐漸替代了傳統(tǒng)的人工觀測(cè)。自動(dòng)氣象站的應(yīng)用降低了觀測(cè)的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了探測(cè)精度，增加了時(shí)間地域探測(cè)密度，對(duì)氣象現(xiàn)代化的發(fā)展有重要的意義[1]。近年來(lái)隨著無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，氣象部門(mén)又正在積極建設(shè)基于無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)的可無(wú)線(xiàn)傳輸數(shù)據(jù)的自動(dòng)氣象站系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的自動(dòng)氣象站相比無(wú)線(xiàn)傳輸自動(dòng)氣象站系統(tǒng)具有安裝使用方便，實(shí)時(shí)在線(xiàn)、高速傳輸、節(jié)省出差費(fèi)用等優(yōu)點(diǎn)[2]。水土保持氣象觀測(cè)是水土保持科學(xué)研究的必要環(huán)節(jié)，以往傳統(tǒng)的完全靠人工操作的水土保持氣象觀測(cè)已經(jīng)不適合于現(xiàn)代水土保持研究的發(fā)展和氣象觀測(cè)的需要。水土保持氣象觀測(cè)急需引入先進(jìn)的、具有自動(dòng)收集、處理、存儲(chǔ)和無(wú)線(xiàn)傳輸氣象信息等功能的自動(dòng)氣象站系統(tǒng)，使地面氣象觀測(cè)工作實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，提高地面觀測(cè)資料的可靠性，消除由于人工觀測(cè)引起的誤差，從根本上提高我國(guó)水土保持氣象觀測(cè)的總體水平。據(jù)此，探討了將CDMA1X無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)與Vantage Pro2自動(dòng)氣象相結(jié)合，形成適合水土保持氣象觀測(cè)和其它氣象觀測(cè)的無(wú)線(xiàn)傳輸自動(dòng)氣象站系統(tǒng)。

無(wú)線(xiàn)傳輸自動(dòng)氣象站系統(tǒng)主要有3個(gè)部分[3-4]。(1)自動(dòng)氣象站主機(jī)。例如本系統(tǒng)所使用的Vantage Pro2型自動(dòng)氣象站。(2)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)。例如GPRS與CDMA。(3)遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)采集。遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)采集由遠(yuǎn)程控制計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)采集分析軟件所組成[3]。遠(yuǎn)程控制計(jì)算機(jī)的硬件配置為:Pentium(R)4 CPU 2.80GHz，512M 內(nèi)存(系統(tǒng)為Windows XP)。數(shù)據(jù)采集分析軟件為Vantage Pro2型自動(dòng)氣象站自帶的WeatherLink軟件。理論上只要能接入Internet的地方都可以作為遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)采集地點(diǎn)。

1 Vantage Pro2自動(dòng)氣象站簡(jiǎn)介

美國(guó)DAVIS公司生產(chǎn)的Vantage Pro2型自動(dòng)氣象站分為無(wú)線(xiàn)站和有線(xiàn)站兩種，它們都是由氣象站主機(jī)，無(wú)線(xiàn)或有線(xiàn)控制臺(tái)兩部分組成。Vantage Pro 2主機(jī)采用一體化設(shè)計(jì)，通過(guò)安裝不同的探測(cè)器，可采集風(fēng)、溫、濕、光照、雨量、太陽(yáng)輻射、紫外輻射、氣壓、露點(diǎn)、土壤水分、土壤溫度、葉面濕度等氣象因子，并可自動(dòng)生成NOAA氣象報(bào)告和趨勢(shì)分析。其主要的技術(shù)參數(shù)祥見(jiàn)表1[4]。

Vantage Pro2自動(dòng)氣象站控制臺(tái)的接口分為兩種:一種是 USB接口，另一種是串口(serial port)。在本系統(tǒng)中使用的是串口控制臺(tái)，這里要特別注意的是雖然USB口和串口控制臺(tái)都可以直接與電腦相連下載氣象站數(shù)據(jù)，但是如果要實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)遠(yuǎn)程傳輸比如通過(guò)CDMA1X網(wǎng)絡(luò)，就只能使用串口控制臺(tái)。這是因?yàn)榇诤蚒SB口的數(shù)據(jù)傳輸方式不一樣，而目前Vantage Pro2自動(dòng)氣象站只支持串口的無(wú)線(xiàn)傳輸。表1所示的是Vantage Pro2自動(dòng)氣象站理論上可以觀測(cè)的氣象參數(shù)，但實(shí)際應(yīng)用中可觀測(cè)的種類(lèi)要根據(jù)氣象站所安裝的探測(cè)器(sensor)來(lái)確定。

表1 Vantage Pro2自動(dòng)氣象站可觀測(cè)的氣象參數(shù)

2 CDMA1X與VPN技術(shù)簡(jiǎn)介

2.1 CDMA簡(jiǎn)介

CDMA(code division multiple access，碼分多址)是以擴(kuò)頻通信技術(shù)為基礎(chǔ)的第二代移動(dòng)通信技術(shù)，它具有頻率利用效率高，抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。目前全球有許多國(guó)家和地區(qū)，包括中國(guó)香港、韓國(guó)、日本、美國(guó)都已建有CDMA商用網(wǎng)絡(luò)。在美國(guó)和日本，CDMA成為國(guó)內(nèi)的主要移動(dòng)通信技術(shù)。在美國(guó)，10個(gè)移動(dòng)通信運(yùn)營(yíng)公司中有7家選用CDMA。到今年4月，韓國(guó)有60%的人口成為CDMA用戶(hù)。據(jù)統(tǒng)計(jì)中國(guó)目前有3 105.2萬(wàn)人使用CDMA寬帶業(yè)務(wù)[5]。

2.2 CDMA1X網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)介

CDMA1X是在2G(CDMA IS-95系列)基礎(chǔ)上進(jìn)行升級(jí)并建立分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，可以支持153.6 kbit/s的高速數(shù)據(jù)傳輸，CDMA1X屬于2.5 G移動(dòng)通信技術(shù)，目前中國(guó)聯(lián)通建設(shè)的CDMA網(wǎng)絡(luò)已完成了三期工程，全面升級(jí)到CDMA1X，網(wǎng)絡(luò)覆蓋全國(guó)各城市、鄉(xiāng)鎮(zhèn)及公路。CDMA1X是通過(guò)專(zhuān)用載頻和信道，通過(guò)PDSN網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)連接，與話(huà)音路由分道提供。CDMA1X傳輸速率對(duì)無(wú)線(xiàn)環(huán)境的依賴(lài)程度不大，因而網(wǎng)絡(luò)比較穩(wěn)定，不容易受到干擾[6]。

2.3 VPN技術(shù)簡(jiǎn)介

VPN(virtual private network虛擬專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò))，它可以通過(guò)特殊的加密的通訊協(xié)議利用公共網(wǎng)絡(luò)建立虛擬私有網(wǎng)絡(luò)。在本系統(tǒng)中以CDMA1X網(wǎng)絡(luò)為承載在自動(dòng)氣象站與遠(yuǎn)程控制計(jì)算機(jī)之間建立虛擬網(wǎng)絡(luò)通道，通過(guò)虛擬通道實(shí)現(xiàn)自動(dòng)氣象站與遠(yuǎn)程控制計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)的安全傳輸。使用CDMA1X-VPN進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，可以節(jié)約網(wǎng)絡(luò)租用費(fèi)、設(shè)備購(gòu)置費(fèi)以及網(wǎng)絡(luò)維護(hù)費(fèi)從而減少運(yùn)營(yíng)成本。只需在原有的網(wǎng)絡(luò)出口作簡(jiǎn)單的配置，便可擁有自己的專(zhuān)網(wǎng)，有效降低投資成本，提高效率。VPN可以通過(guò)加密、口令保護(hù)、身份驗(yàn)證、防火墻等措施保障信息安全和數(shù)據(jù)的完整性避免被非法竊取[7]。

3 基于CDMA1X網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)氣象站的無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸

在本系統(tǒng)中使用了美國(guó)Davis公司生產(chǎn)的Vantage Pro2型自動(dòng)氣象站(無(wú)線(xiàn)站)、北京卓創(chuàng)公司生產(chǎn)的EICPro355Er-CDMA路由器以及北京海豚科技發(fā)展公司生產(chǎn)的CanHigher NC600系列串口設(shè)備服務(wù)器進(jìn)行自動(dòng)氣象站的無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸試驗(yàn)。以下就以這些設(shè)備為例詳細(xì)介紹各部分的安裝與調(diào)試過(guò)程。

3.1 Vantage Pro2自動(dòng)氣象站的安裝與調(diào)試

Vantage Pro2的安裝可參見(jiàn)其隨機(jī)附送的安裝手冊(cè)(integrated sensor suite installation manual)，該手冊(cè)中有詳細(xì)的安裝方法和調(diào)試過(guò)程，這里不再贅述。

3.2 CDMA路由器的安裝與調(diào)試

CDMA路由器的安裝與調(diào)試比較復(fù)雜，根據(jù)所使用的CDMA路由器的類(lèi)型不同，安裝與調(diào)試差別很大。但是總體來(lái)說(shuō)都包括以下3個(gè)部分。

(1)CDMA路由器上網(wǎng)的配置。要實(shí)現(xiàn)CDMA路由器上網(wǎng)首先需要辦理一張中國(guó)聯(lián)通公司的CDMA-SIM卡，將卡正確插入CDMA路由器后與電腦相連，按照說(shuō)明書(shū)中的步驟來(lái)配置路由器的各項(xiàng)參數(shù)。在這里要說(shuō)明的是為了實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)(LAN)與廣域網(wǎng)(WAN)的互聯(lián)CDMA路由器的上網(wǎng)模式要采用網(wǎng)關(guān)模式(gateway mode)。

(2)DDNS(dynamic domain name server動(dòng)態(tài)域名服務(wù))的申請(qǐng)。DDNS是將用戶(hù)的動(dòng)態(tài)IP地址映射到一個(gè)固定的域名解析服務(wù)上，用戶(hù)每次連接網(wǎng)絡(luò)的時(shí)候客戶(hù)端程序就會(huì)通過(guò)信息傳遞把該主機(jī)的動(dòng)態(tài)IP地址傳送給位于服務(wù)商主機(jī)上的服務(wù)器程序，服務(wù)器程序負(fù)責(zé)提供DNS服務(wù)并實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)域名解析。也就是說(shuō)DDNS捕獲用戶(hù)每次變化的IP地址，然后將其與用戶(hù)自己選定的域名相對(duì)應(yīng)，這樣其他上網(wǎng)用戶(hù)就可以通過(guò)域名來(lái)進(jìn)行交流了[8]。目前可以提供DDNS服務(wù)的網(wǎng)站很多，本系統(tǒng)采用的是Vier(http://ddns.vier.com.cn)域名服務(wù)網(wǎng)站所提供的域名:fangshan.vier.cn。通過(guò)該網(wǎng)站所提供的動(dòng)態(tài)域名解析服務(wù)器將CDMA路由器所分配到的動(dòng)態(tài)IP與域名fangshan.vier.cn綁定，這樣就可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制計(jì)算機(jī)與CDMA路由器通過(guò)VPN虛擬通道連接。

(3)CDMA路由器VPN的設(shè)置。目前市場(chǎng)上大多數(shù)的CDMA路由器都提供VPN功能，VPN的設(shè)置比較簡(jiǎn)單一般來(lái)說(shuō)只要按照說(shuō)明書(shū)的要求用戶(hù)都可以自己設(shè)置。

3.3 遠(yuǎn)程控制計(jì)算機(jī)的調(diào)試

CDMA路由器與Vantage Pro2自動(dòng)氣象站的無(wú)線(xiàn)控制臺(tái)是通過(guò)串口設(shè)備服務(wù)器(CanHigher NC600)相連，氣象站的主機(jī)與無(wú)線(xiàn)控制臺(tái)通過(guò)無(wú)線(xiàn)信號(hào)進(jìn)行連接。串口設(shè)備服務(wù)器一端為串口與無(wú)線(xiàn)控制臺(tái)相連接，另一端是以太網(wǎng)端口與CDMA路由器相連。這樣就相當(dāng)于將無(wú)線(xiàn)控制臺(tái)所收集到的氣象數(shù)據(jù)聯(lián)入了CDMA1X網(wǎng)絡(luò)。圖1所表示的就是整個(gè)無(wú)線(xiàn)傳輸自動(dòng)氣象站的系統(tǒng)組成。

圖1 基于CDMA1X網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線(xiàn)傳輸自動(dòng)氣象站系統(tǒng)

通過(guò)對(duì)遠(yuǎn)程控制計(jì)算機(jī)虛擬專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)連接(VPN)的設(shè)置，將遠(yuǎn)程控制計(jì)算機(jī)與CDMA路由器建立專(zhuān)有通道，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和氣象數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控。本系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制計(jì)算機(jī)設(shè)置在北京林業(yè)大學(xué)，用來(lái)收集和處理氣象數(shù)據(jù)，CDMA路由器以及氣象站設(shè)置在山西省方山縣。

3.4 氣象數(shù)據(jù)的接收與處理

在遠(yuǎn)程控制計(jì)算機(jī)上先安裝串口設(shè)備服務(wù)器軟件(安裝方法參見(jiàn)相關(guān)軟件安裝說(shuō)明)，然后再安裝Vantage Pro2應(yīng)用軟件(WeatherLink)。這樣遠(yuǎn)程控制計(jì)算機(jī)就可以通過(guò)WeatherLink來(lái)接收和分析氣象站的氣象數(shù)據(jù)了，利用該軟件還可以對(duì)遠(yuǎn)端氣象站的氣象參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

3.5 自動(dòng)氣象站的日常維護(hù)

氣象站設(shè)備維護(hù)是保證氣象站正常運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)，其直接影響每個(gè)觀測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，應(yīng)該予以重視和熟練掌握維護(hù)方法。(1)要定期清洗雨量器與防輻射罩。在清洗雨量筒前，要先拔下傳感器數(shù)據(jù)插頭。當(dāng)防輻射罩灰塵過(guò)多時(shí)，用濕棉布擦洗。(2)為保證精度，至少每月清洗一次太陽(yáng)輻射和紫外光傳感器[4]。太陽(yáng)輻射和紫外光傳感器在出廠時(shí)已經(jīng)被校正，允許每年小于2%的誤差，如果希望得到更高的精確度，傳感器應(yīng)每年校正一次。(3)經(jīng)常注意留心查看雨量桶內(nèi)的過(guò)濾網(wǎng)上有無(wú)塵土、小蟲(chóng)等堵塞、及時(shí)清理、保持小孔暢通[9]。(4)由于自動(dòng)氣象站采集器每分鐘都要采集、存儲(chǔ)和傳輸數(shù)據(jù)，必須要保持電源的穩(wěn)定，經(jīng)常檢查無(wú)線(xiàn)控制臺(tái)的電池電量或外接電源是否正常。(5)每天檢查網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、計(jì)算機(jī)運(yùn)行和自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)采集情況，如有異常及時(shí)進(jìn)行處理[10]。

4 結(jié)論

本系統(tǒng)構(gòu)建了可無(wú)線(xiàn)傳輸數(shù)據(jù)的自動(dòng)氣象站系統(tǒng)。實(shí)踐證明該系統(tǒng)不僅能夠很好地滿(mǎn)足無(wú)線(xiàn)遠(yuǎn)程氣象數(shù)據(jù)傳輸和實(shí)時(shí)監(jiān)控的要求，而且具有安裝使用方便，實(shí)時(shí)在線(xiàn)、登陸快捷、收費(fèi)合理、監(jiān)控方便和安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。與同類(lèi)技術(shù)相比優(yōu)勢(shì)明顯。

(1)傳輸速度快特別是與基于GPRS的自動(dòng)氣象站相比，CDMA1X的傳輸速率可達(dá)到153.6 kbps而GPRS只有40 kbps[3]，同時(shí)GPRS數(shù)據(jù)傳輸是與語(yǔ)音傳輸采用共同的傳輸信道，語(yǔ)音優(yōu)先的機(jī)制不能保證數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸，而且GPRS單個(gè)基站容量較CDMA1X少，不能滿(mǎn)足數(shù)據(jù)量突增的需求[6]。

(2)該系統(tǒng)與基于ADSL撥號(hào)上網(wǎng)的自動(dòng)氣象站相比克服了每次只能通過(guò)電話(huà)撥號(hào)方式向采集中心傳送觀測(cè)數(shù)據(jù)的弊端，而且ADSL電話(huà)通信線(xiàn)路易受到干擾給自動(dòng)氣象站資料的正常采集帶來(lái)影響，抑制了自動(dòng)氣象站的高密度觀測(cè)和資料的高效可靠傳輸，在一些條件惡劣、地域偏僻的地區(qū)，電話(huà)通信無(wú)法到達(dá)，使自動(dòng)氣象站的合理布點(diǎn)有一定的局限性。而基于CDMA1X技術(shù)的自動(dòng)氣象站則可以克服以上這些缺點(diǎn)，使自動(dòng)氣象站的布設(shè)更加自由和靈活[11]。

(3)由于大部分高校都設(shè)有校園防火墻，阻擋了從校園局域網(wǎng)直接訪問(wèn)遠(yuǎn)程氣象站下載數(shù)據(jù)，為了解決這個(gè)問(wèn)題本系統(tǒng)采用了VPN技術(shù)，直接在Internet上建立一個(gè)虛擬網(wǎng)路通道聯(lián)入校園局域網(wǎng)內(nèi)，并通過(guò)加密、口令保護(hù)、身份驗(yàn)證等措施保障數(shù)據(jù)的安全。

(4)本系統(tǒng)完全實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能供電，即使在野外沒(méi)有電源的情況下，氣象站仍然可以正常工作。

隨著無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，3G技術(shù)即將在各行業(yè)中推廣應(yīng)用，3G技術(shù)可以將目前CDMA1X的傳輸速率提高幾十倍，速度的提高不僅使下載數(shù)據(jù)更快，也使安裝基于CDMA1X網(wǎng)絡(luò)的攝像頭成為可能(以目前CDMA1X的傳輸速度還未能達(dá)到實(shí)現(xiàn)圖像和音頻的實(shí)時(shí)傳輸)。有了網(wǎng)絡(luò)攝像頭便可以及時(shí)對(duì)氣象站周?chē)h(huán)境的變化做出反應(yīng)，對(duì)破壞氣象站的行為進(jìn)行拍照和錄像，保障氣象站的安全。同時(shí)也可以針對(duì)氣象站各部分進(jìn)行檢查，比如風(fēng)速傳感儀是否正常，雨量筒是否被堵塞，支架是否發(fā)生傾倒等。甚至還可將網(wǎng)絡(luò)攝像頭做為對(duì)講機(jī)來(lái)使用，實(shí)現(xiàn)外業(yè)人員與遠(yuǎn)程控制端人員的實(shí)時(shí)語(yǔ)音通話(huà)，指導(dǎo)外業(yè)人員的操作和處理突發(fā)情況?？傊S著移動(dòng)通訊技術(shù)和氣象觀測(cè)設(shè)備的發(fā)展，一定會(huì)有更多更加靈活、穩(wěn)定的無(wú)線(xiàn)傳輸自動(dòng)氣象站系統(tǒng)的出現(xiàn)。

致謝 本文的寫(xiě)作過(guò)程中得到了希來(lái)凱思(Silex)技術(shù)北京有限公司的技術(shù)支持，在這里表示衷心的感謝。

[1] 羅海明，劉璐，王殿海.自動(dòng)氣象站的網(wǎng)絡(luò)化構(gòu)想[J].黑龍江氣象，2007(2):32-33.

[2] 徐寧軍，陳戰(zhàn)平，馮智偉.GPRS業(yè)務(wù)在自動(dòng)氣象站網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸中的應(yīng)用[J].氣象科技，2006，34(6):112-115.

[3] 段文廣，王有毅.基于GPRS的區(qū)域氣象站組網(wǎng)技術(shù)[J].成都信息工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，28(1):78-83.

[4] 北京渠道科學(xué)器材有限公司.Vantage Pro2自動(dòng)氣象站中文安裝手冊(cè)[Z].北京渠道科學(xué)器材有限公司，2008:1-14.

[5] 鄭曉平，修仕輝，舒文瓊.從中國(guó)聯(lián)通CDMA發(fā)展歷程看IPTV推廣策略[J].通信世界，2006(7):18-20.

[6] 周東明，何偉芬.CDMA1X在自動(dòng)氣象站監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].廣東通信技術(shù)，2006(5):45-50.

[7] 蔣文賢.基于CDMA1X-VPN無(wú)線(xiàn)終端設(shè)備的應(yīng)用與優(yōu)化[J].東華大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2008，34(3):295-302.

[8] 張建臣，張谷省.基于ADSL虛擬撥號(hào)的動(dòng)態(tài)域名解析的研究與實(shí)現(xiàn)[J].德州學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，23(4):54-56.

[9] 張勇剛，呂奐坤，劉愛(ài)明.自動(dòng)氣象站設(shè)備夏季維護(hù)簡(jiǎn)析[J].氣象水文海洋儀器，2009(2):128-129.

[10] 張小石，黃莉芬.自動(dòng)氣象站設(shè)備維護(hù)與撤換[J].氣象水文海洋儀器，2009(2):134-137.

[11] 周欽強(qiáng)，敖振浪，譚鑒榮，等.基于GPRS的自動(dòng)氣象站通信組網(wǎng)方案研究[J].微計(jì)算機(jī)信息，2008，24(5/3):152-154.