譚晗凌，鄒慶彪，黃飛龍，周嘉健

（廣東省氣象探測數(shù)據(jù)中心，廣東廣州 510080）

根據(jù)廣東省氣象局站點信息管理系統(tǒng)的統(tǒng)計資料顯示，目前廣東省的自動氣象站已經(jīng)超過3 000個，其中包括大量野外運行的站點，如海島站、石油平臺等。布設(shè)大量的站點有利于提升氣象數(shù)據(jù)的分辨率，但氣象觀測設(shè)備的穩(wěn)定可靠運行離不開維護人員的日常維護工作，大量站點增加了日常維護和故障出現(xiàn)的次數(shù)，極大地加重了維護保障人員的工作負擔。除此之外，目前維護保障人員對自動氣象站進行巡檢維護時普遍采用筆記本電腦加串口調(diào)試線的傳統(tǒng)模式，該模式應(yīng)用于野外等復(fù)雜環(huán)境時有著諸多的缺點：（1）筆記本電腦及相關(guān)調(diào)試設(shè)備不易攜帶；（2）不同的設(shè)備調(diào)試軟件、指令各不相同，維護人員需要全部掌握，學習成本高昂；（3）風向、風速和雨量等距離采集器較遠的設(shè)備進行調(diào)試時需要多人協(xié)同操作，在人手不足的情況下尤為困難［1］。這些缺點為開展野外巡檢保障工作增加了難度，也增加了保障人員的工作負擔。如何有效地減輕保障人員的工作負擔，提高巡檢人員的工作效率，是目前亟待解決的問題。

本研究針對上述存在的問題，設(shè)計開發(fā)了一套基于嵌入式WebSocket技術(shù)的自動氣象站智能維修終端。該終端具有體積小、續(xù)航久、功能全、簡單易用等優(yōu)點，能完成DTU一鍵配置、串口通訊調(diào)試、數(shù)據(jù)采集、采集器固件升級、傳感器數(shù)據(jù)模擬等功能，有效地減輕了保障人員的工作負擔，極大地提高了維護效率。目前該終端已成功應(yīng)用于廣東省自動氣象站維護維修工作中。

1 智能維修終端架構(gòu)設(shè)計

1.1 終端架構(gòu)

為滿足體積小、續(xù)航久、功能全、簡單易用的特點，該終端采用Esp32的嵌入式平臺進行開發(fā)。通過對Esp32的開發(fā)，使其能夠提供Web服務(wù)和WebSocket通訊服務(wù)。為了滿足跨平臺的要求，免去App的安裝要求，客戶端采用基于Htm l5技術(shù)來編寫并保存在SD卡中。維護保障人員首先通過WiFi連接Esp32，然后通過手機瀏覽器訪問客戶端，完成與終端的交互［2-5］，終端的架構(gòu)如圖1所示。設(shè)計基于嵌入式WEB和無線通信技術(shù)的自動站智能維護終端，將從很大程度上解決傳統(tǒng)自動站維護模式帶來的諸多問題。

圖1 智能維修終端架構(gòu)示意圖

1.2 硬件設(shè)計

1）硬件架構(gòu)。

智能維修終端的硬件框架主要包含MCU控制器單元Esp32、TTL轉(zhuǎn)RS232數(shù)據(jù)通信單元、電源管理模塊、PWM和DAC信號發(fā)生模塊、SD卡模塊等（圖2）。其中MCU模塊用于提供WEB服務(wù)和WebSocket服務(wù)；SD卡模塊用于存放App客戶端和用于升級的采集器固件等；電源模塊用于提供穩(wěn)定的電源和給鋰電池充電；PWM 和DAC信號控制單元可產(chǎn)生模擬電壓，用于快速辨別故障［6］。

圖2 智能維修終端的硬件框架示意圖

2）電源管理模塊。

考慮到戶外維修的實際情況，智能維修終端需要兼顧體積和續(xù)航。為滿足一天5 h的維護時長，電池采用聚合物鋰電池。電源管理芯片采用IP5306，該模塊集成了升壓轉(zhuǎn)換、電量指示等功能。只需要簡單的外圍電路就能夠提供最大2.4 A的輸出電流，同時效率高達96%以上。電源電路如圖3所示，其中4顆LED燈用來顯示電量，電容用來防止電源的雜波干擾。

圖3 電源電路圖

3）數(shù)據(jù)通信模塊。

由于MCU輸出的是TTL電平，因此需要TTL轉(zhuǎn)RS232模塊進行電平轉(zhuǎn)換才能與采集器的串口進行正常通信。串口通信模塊采用SP3232芯片進行電平轉(zhuǎn)換，該芯片由SIPEX公司生產(chǎn)，具有低功耗、高速率以及只需要少量電容的優(yōu)點。具體外圍電路原理接線如圖4所示，其中C2—C4為規(guī)格大小僅0.1μF的電荷泵電容，用以產(chǎn)生RS232電平，兩個LED燈用來指示收發(fā)數(shù)據(jù)［7］。

圖4 數(shù)據(jù)通信模塊原理示意圖

1.3 嵌入式軟件設(shè)計

1）嵌入式Web服務(wù)。

嵌入式Web技術(shù)核心是如何有效利用嵌入式系統(tǒng)有限資源運行TCP／IP，使系統(tǒng)具有網(wǎng)絡(luò)通信功能，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)特定功能Web應(yīng)用。整套系統(tǒng)包含實現(xiàn)TCP／IP協(xié)議應(yīng)用層的HTTP服務(wù)和WebSocket服務(wù)兩部分。由于嵌入式設(shè)備的資源與處理能力有限，為了盡可能地提高Web服務(wù)性能，采取了Gzip壓縮和服務(wù)器緩存技術(shù)以加快服務(wù)器的響應(yīng)時間。當客戶端訪問服務(wù)器中的靜態(tài)文件時，服務(wù)器便將網(wǎng)頁內(nèi)容壓縮后傳輸給客戶端，一般對純文本內(nèi)容可壓縮到原大小的40%。同時采用Last-Modified來優(yōu)化性能，客戶端如果緩存過文件，下次再向服務(wù)器請求時將附帶客戶端已緩存的時間參數(shù)，服務(wù)器接收請求后將對時間參數(shù)進行比較，如果時間參數(shù)不一致則將發(fā)送新的文件給客戶端，否則客戶端將使用本地緩存文件，從而有效地減小不必要的服務(wù)器硬件開銷。

2）采集器固件升級功能。

廣東省的采集器固件升級嚴格遵循YModem協(xié)議，采用標準RS232進行通訊。YModem協(xié)議要求每一份傳輸幀由幀頭、序號、數(shù)據(jù)包、校驗碼等組成，并在結(jié)尾處加入CRC校驗，以提升數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量，每份包最大可包含1 024個字節(jié)。

一次完整固件升級平均耗時在3 min左右。如果升級過程采用WebSocket實時通訊方案，用戶會有長達幾分鐘的時間無法進行其他操作，影響用戶體驗。為了提升用戶使用感受，終端在收到升級命令后，將會自行進入升級模式，從SD卡中讀取所需固件給采集器升級，數(shù)據(jù)傳輸過程中不需要手機控制，升級流程如圖5所示升級結(jié)束后指示燈停止閃爍［8］。

圖5 固件升級流程示意圖

3）傳感器信號模擬功能。

根據(jù)周嘉健等［9］對自動站故障情況的分析，濕度、蒸發(fā)等電壓模擬量輸出范圍都在0～3 V以內(nèi)，因此用Esp32的DAC模塊即可實現(xiàn)。當采集要素出現(xiàn)故障時，通過終端的脈沖寬度調(diào)制模塊和數(shù)模轉(zhuǎn)換器模塊，產(chǎn)生標準信號輸入給采集器，用來快速定位故障來自采集器還是傳感器。其中，高級模式可以按需求設(shè)置模擬信號的周期、占空比，以及分辨率［10］。風速傳感器是脈沖頻率信號，因此可以用PWM信號來模擬風速傳感器，風速與頻率的關(guān)系為v＝0.32＋0.049f，因此通過改變PWM的周期即可模擬不同的風速。

2 智能維修終端實際應(yīng)用

2.1 智能維修終端實物

3D打印技術(shù)的興起使得開發(fā)者僅憑借3D圖紙就能制造出各種不規(guī)則形狀的零件，相較于傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式，3D打印技術(shù)也大幅縮短了研制周期。維修終端外殼采用3D打印技術(shù)選擇SLA光敏樹脂材料，尺寸為10 cm×20 cm×20 cm，配有一個RS232串口接頭、USB充電口、SD卡槽，采用按鈕開關(guān)。

2.2 故障排查實例

維護人員發(fā)現(xiàn)采集器的風速值偏大，首先將維修終端替換至采集器接線板的風速口，再通過手機連接到智能維修終端，選擇輸出5.2 m／s的天津風速。此時發(fā)現(xiàn)采集器采樣的值為10 m／s，因此很有可能是將傳感器型號錯選成了長春風，在參數(shù)設(shè)置界面發(fā)現(xiàn)確實如此，傳感器類型改回天津風后，風速采樣恢復(fù)正常。而這類問題在低風速情況下，傳感器類型設(shè)置不同風速采樣值的差別并不明顯。現(xiàn)場如果風速不大，保障人員經(jīng)常會錯誤的認為沒有故障。而有了維修終端后，就能快速地定位問題。

為減輕自動氣象站維護保障人員在海島、高山等野外復(fù)雜工作環(huán)境的工作負擔，本研究針對自動氣象站實際維護工作中的難點，開發(fā)了基于嵌入式平臺的智能維修終端，實現(xiàn)了DTU參數(shù)設(shè)置、采集器固件升級、傳感器模擬等實用功能。用戶可以針對實際工作需要對終端進行二次開發(fā)，優(yōu)化軟件界面及支持更多功能模塊等。經(jīng)地市級臺站保障人員試用，終端運行穩(wěn)定、操作簡單、體積小巧、續(xù)航時間長，具有較強的實用性，解決了高山、海島等惡劣環(huán)境維護時遇到的困難，有效地提高了維護保障人員的工作效率。