趙智鵬+史蓮梅

摘要：物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)與氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警的需求完美契合，其技術(shù)將越來(lái)多廣泛地應(yīng)用在氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警體系建設(shè)中。通過(guò)闡述物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和氣象災(zāi)害的主要類型、影響及特點(diǎn)，分析物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警中的發(fā)展前景和使用價(jià)值，同時(shí)提出了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警體系建設(shè)中需要解決的問(wèn)題和需要突破的關(guān)鍵技術(shù)。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；氣象災(zāi)害；監(jiān)測(cè)預(yù)警

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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

近年來(lái)，氣象災(zāi)害及次生災(zāi)害給國(guó)民經(jīng)濟(jì)造成巨大損失。氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警的時(shí)效性和準(zhǔn)確性對(duì)于有效防災(zāi)減災(zāi)起著至關(guān)重要的作用。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用可以大大提高氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警的時(shí)效性和準(zhǔn)確性。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的特點(diǎn)是通過(guò)大量傳感器及感知技術(shù)的應(yīng)用獲取監(jiān)測(cè)信息，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速處理和分析。這些特點(diǎn)對(duì)于氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警體系的建立具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

1 物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)發(fā)展概況

物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵性技術(shù)主要包括無(wú)線傳感技術(shù)、無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)和納米技術(shù)[2]。隨著新技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)得到不斷的提升，其關(guān)鍵技術(shù)也在不斷發(fā)展。

1.1 無(wú)線傳感技術(shù)

無(wú)線傳感技術(shù)構(gòu)成的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是遠(yuǎn)程自動(dòng)獲取信息的先進(jìn)技術(shù)，其監(jiān)測(cè)點(diǎn)的覆蓋范圍不受有線網(wǎng)絡(luò)的限制，具有覆蓋范圍廣的特點(diǎn)。其核心技術(shù)是傳感器節(jié)點(diǎn)的定位技術(shù)，

典型的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)有以下四種：1基于接收信號(hào)強(qiáng)度指示；2基于到達(dá)角度；3基于到達(dá)時(shí)間；4基于到達(dá)時(shí)間差。

1.2 無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)

無(wú)線射頻識(shí)別 （RFID）是一種利用無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取對(duì)象信息的技術(shù)，該技術(shù)具有穩(wěn)定性強(qiáng)、識(shí)別速度快、識(shí)別效率高等特點(diǎn)。

無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)通常由標(biāo)簽、耦合元件和芯片組成，每個(gè)標(biāo)簽具有唯一的電子編碼，并通過(guò)讀取器讀取標(biāo)簽信息，最終通過(guò)天線在標(biāo)簽和讀取器間傳遞射頻信號(hào)。

1.3 納米技術(shù)

納米技術(shù)的特點(diǎn)在于使得體積越來(lái)越小的物體能夠在物聯(lián)網(wǎng)中進(jìn)行交互和連接，該技術(shù)可以擴(kuò)展物聯(lián)網(wǎng)的使用范圍，增強(qiáng)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域。對(duì)氣象災(zāi)害的精細(xì)化監(jiān)測(cè)具有一定的使用價(jià)值。

2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在氣象防災(zāi)減災(zāi)應(yīng)用的必要性

2.1 氣象災(zāi)害的主要類型、影響及特點(diǎn)

氣象災(zāi)害種類多、分布地域廣、發(fā)生頻率高、造成損失重。我國(guó)每年由于氣象災(zāi)害所造成的經(jīng)濟(jì)損失是3000-4000億人民幣，占GDP的1-3%。隨著全球氣候變化進(jìn)一步加劇，災(zāi)害性天氣引發(fā)的自然災(zāi)害呈現(xiàn)多發(fā)、頻繁態(tài)勢(shì)。各類氣象災(zāi)害及次生災(zāi)害造成的損失和影響不斷加重。

氣象災(zāi)害一般包括暴雨、暴雪、雷暴、冰雹、干旱、洪澇等因素造成的災(zāi)害，以及由于暴雨、暴雪引起的山體滑坡、泥石流等次生災(zāi)害。這些災(zāi)害都可以借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，提前預(yù)報(bào)和預(yù)警，并在災(zāi)害發(fā)生時(shí)為指導(dǎo)救災(zāi)和轉(zhuǎn)移人民群眾提供準(zhǔn)確及時(shí)地信息[3]。

2.2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)

隨著氣象災(zāi)害發(fā)生的頻率越來(lái)越高，發(fā)生的范圍越來(lái)越廣，造成的損失越來(lái)越大，原有的氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警方式暴露出諸多弊端，物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)恰恰可以彌補(bǔ)這些弊端。 構(gòu)建基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的氣象災(zāi)害動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)和遠(yuǎn)程監(jiān)控能力，并且極大地降低了人力成本，同時(shí)大幅度提高監(jiān)測(cè)信息的準(zhǔn)確性[4] 。這些優(yōu)勢(shì)給有關(guān)部門科學(xué)應(yīng)對(duì)氣象災(zāi)害提供可靠的依據(jù)，同時(shí)為防災(zāi)減災(zāi)節(jié)省的寶貴的時(shí)間，盡可能地降低氣象災(zāi)害造成的損失[5]。

2.3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警中的發(fā)展前景

2.3.1 利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建立智能氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)網(wǎng)

目前有一種叫ZigBee的無(wú)線通信技術(shù)，其特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)對(duì)于建立智能氣象觀測(cè)網(wǎng)具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。特點(diǎn)如下：

1）低功耗： ZigBee設(shè)備非常省電，僅靠?jī)晒?jié)5號(hào)電池就可以維持6個(gè)月到2年左右的使用時(shí)間，而目前使用的其它無(wú)線通信設(shè)備功耗都要遠(yuǎn)高于ZigBee設(shè)備。如此低的功耗對(duì)于氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)點(diǎn)往往建在極端惡劣且沒(méi)有供電設(shè)施的地區(qū)顯得尤為重要。

2）時(shí)延短： ZigBee設(shè)備的通信時(shí)延是30ms，休眠激活的時(shí)延是15ms。如此短的時(shí)延即提高了通信的實(shí)時(shí)性，又提高了通信的可靠性。這非常符合智能氣象觀測(cè)網(wǎng)的技術(shù)要求。 為大幅提高智能氣象觀測(cè)網(wǎng)的通信質(zhì)量提供了基礎(chǔ)。

3）網(wǎng)絡(luò)容量大：一個(gè)區(qū)域內(nèi)可以同時(shí)存在最多100個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)， 而一個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)最多可以容納255個(gè)設(shè)備。如此大的網(wǎng)絡(luò)容量可以增強(qiáng)氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)點(diǎn)的密度，為災(zāi)害監(jiān)測(cè)的精細(xì)化奠定了基礎(chǔ)。

4）低成本： ZigBee模塊的初始成本在50元人民幣左右，估計(jì)隨著ZigBee技術(shù)的不斷成熟，其成本還有很大的降幅空間。

5）安全可靠： ZigBee技術(shù)采用了雙向確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸模式， 每個(gè)發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息。如果傳輸過(guò)程中接受方?jīng)]有確認(rèn)，發(fā)送方將啟動(dòng)重新發(fā)送，直至發(fā)送成功。同時(shí)支持鑒權(quán)和認(rèn)證， 采用了AES-128的加密算法。

綜合以上技術(shù)優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，構(gòu)建基于ZigBee技術(shù)的智能氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)網(wǎng)將成為目前的最佳選擇[6]。氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)站點(diǎn)分布地域廣、密度大、大部分地區(qū)屬于沒(méi)有供電設(shè)施的無(wú)人區(qū)或者電力設(shè)施落后的鄉(xiāng)村和山區(qū)，并且氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)形成的報(bào)文比較小，易于傳輸。因此，ZigBee無(wú)線通信技術(shù)完全符合智能氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)網(wǎng)的要求。

智能氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)由一個(gè)主控制器和若干個(gè)傳感功能節(jié)點(diǎn)，主控制器和傳感功能節(jié)點(diǎn)的距離在10米至100米之間。傳感功能節(jié)點(diǎn)（RFD）包括溫度傳感器、氣壓傳感器、雨量傳感器等。智能氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)網(wǎng)拓?fù)鋱D如圖1。

每次觀測(cè)采集數(shù)據(jù)時(shí)，由主控制器呼叫傳感設(shè)備建立連接，傳感設(shè)備將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送至主控制器，主控制器匯集數(shù)據(jù)，通過(guò)科學(xué)的算法得到精確的數(shù)據(jù)，再由主控制器通過(guò)現(xiàn)有通訊手段將數(shù)據(jù)傳送至信息中心或者應(yīng)急指揮中心。

2.3.2 利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建立氣象災(zāi)害信息立體獲取體系

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警，災(zāi)害應(yīng)急救助方面具有重要應(yīng)用價(jià)值。氣象部門應(yīng)該加大相關(guān)技術(shù)及應(yīng)用研究，通過(guò)科學(xué)引導(dǎo)、統(tǒng)籌規(guī)劃，推動(dòng)氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警信息平臺(tái)建設(shè)，建立一體化的災(zāi)害信息立體獲取體系和統(tǒng)一指揮協(xié)調(diào)機(jī)制，提供強(qiáng)大的技術(shù)支持[7]。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)的氣象災(zāi)害動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)

氣象災(zāi)害動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由智能觀測(cè)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、智能數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、預(yù)警信息發(fā)布系統(tǒng)等四個(gè)子系統(tǒng)組成。（圖2）

3.1 智能觀測(cè)系統(tǒng)

智能觀測(cè)系統(tǒng)充分利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和設(shè)備，構(gòu)建氣象智能觀測(cè)網(wǎng)，解決地面氣象觀測(cè)自動(dòng)站實(shí)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)異常和缺測(cè)，提高實(shí)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)效性、準(zhǔn)確性和可用性，進(jìn)而大幅提高采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)觀測(cè)精細(xì)化。并且可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和設(shè)備自檢，提高自動(dòng)站設(shè)備的穩(wěn)定性，為氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警服務(wù)提供數(shù)據(jù)支撐。

3.2 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)主要利用GMS、CDMA和氣象衛(wèi)星等網(wǎng)絡(luò)，建立觀測(cè)網(wǎng)站點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)中心之間的信息傳輸，確保數(shù)據(jù)的安全、可靠和暢通。前端氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)可采用ZigBee無(wú)線傳輸技術(shù)組網(wǎng)并將傳感信息互聯(lián)上傳，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)備將采集信息進(jìn)行收集并通過(guò)3G、WLAN、北斗等通訊接口回傳至網(wǎng)絡(luò)中心。

3.3 智能數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對(duì)前端傳感設(shè)備采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總分析，并通過(guò)專用的數(shù)據(jù)處理軟件和特定的數(shù)據(jù)計(jì)算方法對(duì)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析，自動(dòng)生成特定格式的災(zāi)情報(bào)文。最終發(fā)送給預(yù)警信息平臺(tái)。

3.4 預(yù)警信息發(fā)布系統(tǒng)

根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)自動(dòng)預(yù)判災(zāi)害預(yù)警，及時(shí)會(huì)商，并利用現(xiàn)有自動(dòng)化的網(wǎng)絡(luò)通訊方式進(jìn)行信息聯(lián)動(dòng)發(fā)布，確保政府和人民群眾及時(shí)獲得災(zāi)害預(yù)警信息。

4 結(jié)論

隨著RFID技術(shù)、ZigBee技術(shù)、傳感技術(shù)、納米技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)等物聯(lián)網(wǎng)及相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)在氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警體系中的應(yīng)用將越來(lái)越廣泛。氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警體系的可靠性、穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性將得到大幅的提升。氣象和有關(guān)部門可以通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)隨時(shí)隨地獲知當(dāng)前和未來(lái)一段時(shí)間的氣象災(zāi)害預(yù)警信息。對(duì)提高災(zāi)害預(yù)警和防災(zāi)減災(zāi)提供了更為有效的技術(shù)保障，大大提高氣象部門的精細(xì)化服務(wù)水平，為國(guó)家和人民群眾減少或降低由于氣象災(zāi)害帶來(lái)的生命和經(jīng)濟(jì)損失。

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