摘要：為了解決地面氣象觀測自動站實時觀測數(shù)據(jù)異常和缺測，提高實時觀測數(shù)據(jù)的時效性、準(zhǔn)確性和可用性，促進(jìn)氣象現(xiàn)代化的發(fā)展，利用現(xiàn)代先進(jìn)的無線通信技術(shù)設(shè)想構(gòu)建氣象智能觀測網(wǎng)，希望能夠?qū)崿F(xiàn)觀測精細(xì)化，從而為城鎮(zhèn)小區(qū)域精細(xì)化和準(zhǔn)確化預(yù)報服務(wù)。

關(guān)鍵詞：智能觀測網(wǎng)；質(zhì)量控制；物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

中圖分類號： 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2013）15-3646-03

氣象與社會發(fā)展、經(jīng)濟(jì)建設(shè)以及人們的日常生活越來越密切，尤其對特殊天氣（如暴雨、臺風(fēng)、寒流、沙塵暴等）的準(zhǔn)確預(yù)報、預(yù)測可以大大減輕人民群眾的生命財產(chǎn)的損失。

氣象預(yù)報員對天氣的準(zhǔn)確預(yù)報、預(yù)測離不開大量的觀測數(shù)據(jù)。原數(shù)據(jù)越多越全面和原數(shù)據(jù)的時效性和準(zhǔn)確性越高，預(yù)報、預(yù)測的準(zhǔn)確性也會越高。

1 現(xiàn)狀與思考

十二五期間，廣東省要率先基本實現(xiàn)氣象現(xiàn)代化。而氣象現(xiàn)代化的首個要求應(yīng)該就是觀測資料自動化和智能化。隨著氣象自動站[1]快速、廣泛地建設(shè)，隨著通信手段和質(zhì)量迅猛發(fā)展，觀測資料的種類會越來越多，觀測資料要求的間隔時間會越來越短，時效要求越來越高。

信息中心面臨的壓力也越來越大。壓力主要來源兩個方面：一方面是觀測資料的時效性。影響資料的時效主要有數(shù)據(jù)采集延時，網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲，數(shù)據(jù)處理（包括質(zhì)控和入庫）耗費(fèi)的時間。信息中心如何能非常快地將所收集到的資料處理、入庫，然后提供給氣象臺等部門應(yīng)用。面對將來的海量計算（或許可以稱之為氣象部門的云計算），信息中心需要高性能的計算機(jī)和存貯，“十二五計劃”里國家局應(yīng)會統(tǒng)領(lǐng)軟硬件部署。而另一方面就是觀測資料的準(zhǔn)確性和可用性。實時資料的準(zhǔn)確性和可用性對預(yù)報和預(yù)測非常重要。信息中心如何才能保證其準(zhǔn)確可用呢？目前從大探中心了解到大致情況是自動站設(shè)備收集數(shù)據(jù)（極值糾錯）通過中國移動或中國電信線路傳送至信息中心。然后由信息中心對實時資料進(jìn)行簡單的質(zhì)量控制，標(biāo)注異常。面對大量的高頻度的實時資料進(jìn)行檢查糾錯，需要耗費(fèi)大量的系統(tǒng)資源和時間，并且質(zhì)量控制的方法有限，常用的有極（閾）值法、平均法、時空效驗法等。對于國家氣象信息中心壓力則更大，國家氣象局信息中心還專門為實時資料異常驗證設(shè)立一個崗位，發(fā)現(xiàn)某站數(shù)據(jù)異常立即打電話詢問情況。這樣很難達(dá)到理想效果。要么站點資料數(shù)據(jù)錯誤，標(biāo)注不可用，要么站點資料數(shù)據(jù)超閾值，標(biāo)注異常，要么站點資料數(shù)據(jù)因設(shè)備壞根本就缺。

最近到云南出差，與云南省信息中心的交流獲知，在云（南）貴（州）高原，氣候比較特殊，經(jīng)常出現(xiàn)局地大雨或暴雨。據(jù)他們的中心主任說，有時在同一條街道上，東邊日出，西邊雨，邊界非常明顯，有時雨量還頗大。倒是有晴（情），也有雨（義）。像這種情況，就算雨量超出極值，數(shù)據(jù)也是真實的，但是中心在做質(zhì)量控制的時候，卻無法判斷，只能標(biāo)注異?？梢?。

泉眼清，活水來。有沒有一種自動觀測站完全主動自查自糾的方法？使得觀測數(shù)據(jù)出站時就是可靠準(zhǔn)確的呢？這樣就會大大減輕信息中心的壓力。

如果單靠自動站本身添加冗余模塊實現(xiàn)，可以解決部分問題，如缺測等，但無法解決單站雨量等可信度問題。而且增加了維護(hù)難度和成本。

我們或許可以從水果收購商到蘋果園收購蘋果的行為過程中得到啟發(fā)。當(dāng)蘋果熟了的時候，商販就會來到蘋果園收購蘋果，又大又紅又甜的蘋果為一等品，價格自然高些，其次按等級收購，分類裝箱、封箱，運(yùn)輸，入庫儲存，然后高于收購價出售。所有的檢測、分類、封裝在產(chǎn)地完成。

最近，看了一些文章，受物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的啟發(fā)。其實，物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)系就如同人體的各種器官與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的關(guān)系一樣，就像人通過皮膚器官感受外界的冷暖、干濕等?，F(xiàn)在既然可以建智能大廈，將房間內(nèi)所有設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)智能控制，那我們氣象可不可以建智能觀測網(wǎng)，解決以上問題呢？

2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

現(xiàn)在有一種叫ZigBee技術(shù)[2-5]，專門用于傳感和控制應(yīng)用。ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術(shù)。主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸以及典型的有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用。

2.1 ZigBee技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

ZigBee無線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)基于IEEE 802.15.4，ZigBee聯(lián)盟對網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和API進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化、完善和擴(kuò)展——網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層和高層應(yīng)用規(guī)范（API），ZigBee擁有自己的特色功能。

IEEE802.15.4規(guī)范是IEEE無線個人區(qū)域網(wǎng)（PAN）工作組的一項標(biāo)準(zhǔn)，主要應(yīng)用于個人區(qū)域網(wǎng)和對等網(wǎng)絡(luò)。由于ZigBee是802.15.4的子集，故獲得ZigBee認(rèn)證的應(yīng)用必須同時符合ZigBee和 802.15.4這兩個標(biāo)準(zhǔn)，但802.15.4的應(yīng)用卻不一定符合ZigBee標(biāo)準(zhǔn)。如圖1 。

ZigBee擁有三種頻帶，分別是用于歐洲的868MHz、用于美國的915MHz以及全球通用的2.4GHz，不同頻帶擁有不同的速率，分別提供了20kbps（868MHz）、40kbps（915MHz）和250kbps（2.4GHz）的原始數(shù)據(jù)吞吐率。

ZigBee性能和Bluetooth/IEEE 802.15.1以及WiFi/IEEE 802.11的性能比較。在發(fā)射功率為0dBm的情況下，Bluetooth通常能有10m有效距離，而ZigBee在室內(nèi)通常能達(dá)到30m～50m，在室外如果障礙物較少，甚至可以達(dá)到100m。

2.2 ZigBee組網(wǎng)功能

ZigBee在組網(wǎng)方面相當(dāng)出色。它的基本部件包括協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點，各個網(wǎng)絡(luò)都有一個協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器會啟動網(wǎng)絡(luò)，并且控制管理功能及數(shù)據(jù)路由功能。整個網(wǎng)絡(luò)以一個個獨立的工作節(jié)點為依托，通過無線通信組成星狀（圖2-a）、MESH網(wǎng)狀（圖2-b）或混合狀（圖2-c）網(wǎng)絡(luò)，每個節(jié)點的功能并非都相同。ZigBee每一個節(jié)點都有一個無線收發(fā)器和一個控制器，共三種基本類型：控制器節(jié)點、全功能節(jié)點（full-function device ， FFD）和精簡功能節(jié)點（reduced-function device ， RFD）?？刂破骱腿δ芄?jié)點主要處理網(wǎng)絡(luò)連接處，如網(wǎng)關(guān)服務(wù)器的節(jié)點，而精簡功能節(jié)點處于網(wǎng)絡(luò)的末端，例如連接到傳感器的節(jié)點。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展性良好。ZigBee網(wǎng)絡(luò)的每個節(jié)點（控制器節(jié)點、全功能節(jié)點）可管理254個子節(jié)點，同時該節(jié)點還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點管理，因此ZigBee可以支持每個網(wǎng)絡(luò)多達(dá)六萬多個節(jié)點。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能效果也非常好。ZigBee節(jié)點所承載的應(yīng)用數(shù)據(jù)速率都比較低，在不需要通信時，節(jié)點可以進(jìn)入休眠狀態(tài)，此時功耗只有正常工作狀態(tài)的千分之一。由于在一般情況下休眠時間占了大部分總運(yùn)行時間，因此達(dá)到很高的節(jié)能效果。在這種情況下，ZigBee的網(wǎng)絡(luò)有可能依靠普通的電池連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)一兩年。ZigBee從休眠狀態(tài)轉(zhuǎn)換到活躍狀態(tài)一般只需要十幾毫秒，而由于使用直接擴(kuò)頻而不是跳頻技術(shù)，重新接入信道的時間也很快。相比之下，Bluetooth需要3s～10s，WiFi需要3s。

2.3 ZigBee技術(shù)應(yīng)用

基于Zigbee技術(shù)的傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用非常廣泛。先應(yīng)用于電力遠(yuǎn)程抄表、智能家居、路燈監(jiān)控、傳輸壓力、溫度等數(shù)據(jù)的儀表等。Zigbee傳感器網(wǎng)絡(luò)用于樓宇自動化可降低運(yùn)營成本。如：酒店里遍布空調(diào)供暖（HVAC）設(shè)備，如果在每臺空調(diào)設(shè)備上都加上一個ZigBee節(jié)點，就能對這些空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行實時控制，節(jié)約能源消耗。此外，通過在手機(jī)上集成Zigbee芯片，可將手機(jī)作為Zigbee傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)，實現(xiàn)對智能家庭的自動化控制、進(jìn)行移動商務(wù)（利用手機(jī)購物）等諸多功能。據(jù)BobHeile介紹，目前意大利TIM移動公司已經(jīng)推出了基于Zigbee技術(shù)的Z-sim卡，用于移動電話與電視機(jī)頂盒、計算機(jī)、家用電器之間的通信及停車場收費(fèi)等。

3 氣象智能觀測網(wǎng)設(shè)想

利用ZigBee技術(shù)優(yōu)點和它的強(qiáng)大的組網(wǎng)能力，構(gòu)建氣象智能觀測網(wǎng)是有可能實現(xiàn)的。

氣象自動站觀測的氣象要素（如溫度、氣壓、雨量等）形成的報文比較小，易于低速傳輸。符合ZigBee技術(shù)低速傳輸?shù)奶攸c。溫感等設(shè)備技術(shù)已D1QXnt46oyQPLKOiOeo4LQ==經(jīng)很成熟，單功能傳感設(shè)備也不貴，即使現(xiàn)在有些精密設(shè)備貴點，隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，根據(jù)IT界有名的摩爾定律，技術(shù)越來越好，功能越來越強(qiáng)大，硬件價格會越來越低。

利用現(xiàn)有觀測場的四方平整平臺，把主控節(jié)點（全功能節(jié)點full-function device ， FFD）安置在現(xiàn)有的主觀測設(shè)備上，在它的四周10米至100米之間安放2-4個精簡功能節(jié)點（reduced-function device ， RFD），如溫度傳感器、氣壓傳感器、雨量傳感器等。至于安置幾個精簡功能設(shè)備或混合安置，根據(jù)業(yè)務(wù)需求，可靠性計算以及成本等決定。設(shè)想如圖3。

每次觀測采集數(shù)據(jù)時，由主觀測設(shè)備（主控制器、全功能設(shè)備）呼叫精簡設(shè)備建立連接，精簡設(shè)備將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送至主觀測設(shè)備（主控制器、全功能設(shè)備），主控制器匯集數(shù)據(jù)，通過科學(xué)的比對算法得到精確的數(shù)據(jù)，再由主觀測設(shè)備通過現(xiàn)有通訊手段將數(shù)據(jù)傳送至信息中心。

如果在傳送的數(shù)據(jù)包中設(shè)置數(shù)據(jù)比對標(biāo)志，信息中心在收到實時數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時，只對標(biāo)有特殊標(biāo)志的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查，如只有單一設(shè)備采集數(shù)據(jù)，其他采集設(shè)備故障的情形。那么，信息中心收集處理數(shù)據(jù)的壓力大大減輕，有利于提高實時數(shù)據(jù)的時效和數(shù)據(jù)的利用率，有利于氣象的預(yù)報和預(yù)測。

利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)的良好擴(kuò)展性，如果能在城市、縣鎮(zhèn)布設(shè)這樣的觀測網(wǎng)，氣象預(yù)報、預(yù)測就可能實現(xiàn)城鎮(zhèn)小區(qū)域精細(xì)化和準(zhǔn)確化。如果將來觀測網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，智能觀測網(wǎng)將無比強(qiáng)大，將會收集到大量真實的實時氣象數(shù)據(jù)，我們將迎來氣象的大數(shù)據(jù)時代。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)雖然有很多優(yōu)點，符合氣象觀測資料傳輸?shù)囊?，但作為無線網(wǎng)絡(luò)，都有共同的缺點，就是會受到外界其他信號的干擾。為了盡可能減少這種干擾，組網(wǎng)時可以申請使用氣象專有頻道，觀測場盡可能遠(yuǎn)離高樓大廈和其他干擾源。

如果智能觀測網(wǎng)可以實現(xiàn)，數(shù)據(jù)的可靠性和時效性將得到進(jìn)一步的提高，對氣象事業(yè)的現(xiàn)代化發(fā)展起到很好的促進(jìn)作用。

參考文獻(xiàn)：

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