一種氣象服務通信展示系統(tǒng)的開發(fā)和應用

鄒慶彪，譚晗凌，黃飛龍，曾慧明

（廣東省氣象探測數據中心，廣東廣州 510080）

隨著科學技術的發(fā)展，目前流行的新媒體如微博［1］、微信公眾號［2-3］、抖音等［4］為公眾提供了更全面、更豐富的氣象服務和防災信息，極大地推動了氣象服務領域持續(xù)健康的發(fā)展［5］。但隨著新媒體的種類、數量以及傳遞的信息越來越多，一些短板也隨之出現。過多的氣象信息對于公眾可能會存在疲于關注甚至是主動忽略的情況，而專業(yè)化的氣象信息和氣象服務如雷達回波圖等對于公眾有一定的獲取難度從而導致較少的關注。除此之外，大部分新媒體需要借助智能手機APP傳播信息，部分不用智能手機的老人、兒童或不關注微博、公眾號等新媒體的人群則無法獲取相關氣象服務，從而導致受眾群體有限，氣象服務和預警信息未能全覆蓋。

目前，根據廣東省氣象局站網系統(tǒng)的統(tǒng)計，廣東省已經建設了地基氣象觀測站約6 500多個，而根據《廣東省綜合氣象觀測站網規(guī)劃（2021—2025，遠景至2035）》的規(guī)劃，未來將新增各類地基氣象觀測站約11 000個。其中，除了常規(guī)氣象觀測站外，還有為特定行業(yè)和部門開展專業(yè)領域氣象服務的應用氣象觀測站和志愿氣象觀測站，如交通氣象站、生物預警和氣象綜合監(jiān)測站等，均存在數據大屏展示的需求。在此背景下，為進一步拓寬和優(yōu)化氣象服務的方式和水平，充分利用大量的觀測站資源，針對新媒體的短板，切實提高氣象服務和預警信息的實用性、時效性、普適性和精準度，本研究介紹了一套基于嵌入式技術和無線通信技術的氣象自動站數據展示系統(tǒng)，實現云服務器數據或自動站數據遠程戶外投放的功能。該系統(tǒng)能結合自動站資源，通過無線的方式為公眾提供實時的、輕量化定制的氣象服務，能廣泛應用于交通站、農業(yè)生態(tài)站等場景為系統(tǒng)周圍的用戶和人民群眾提供直觀的氣象觀測數據和預警預報信息。

1 系統(tǒng)框架設計

該系統(tǒng)是基于嵌入式技術和無線通訊技術設計和開發(fā)，基于嵌入式WebSocket技術［6-7］實現嵌入式服務器功能，基于4G 通訊技術和WiFi/LoRa無線組網技術［8-9］實現數據的流通，打通了云服務器和采集器到戶外顯示屏和移動設備的通訊鏈路，實現了云數據或自動站數據到戶外顯示屏的點對點通訊。

該系統(tǒng)主要功能是根據用戶的需求從遠程數據庫或本地自動站獲取實時氣象要素數據，或者結合相關的預警預報信息，加工生成產品并根據實際情況通過WiFi/LoRa等通訊方式傳輸給站點附近的顯示屏幕和移動設備以提供豐富的氣象數據展示畫面和實時預警預報信息。為滿足系統(tǒng)的實用性、易用性，同時兼顧魯棒性，考慮到一般的氣象服務的時效性要求，該系統(tǒng)由數據源、嵌入式設備、顯示模塊組成，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成示意圖

1）數據源。

系統(tǒng)的數據可以來源于氣象專網服務器和觀測場的采集器?？紤]到服務產品的更新周期，專網服務器由氣象數據庫和UDP服務器組成［10］。UDP服務器采用C#編寫，封裝了設備認證的功能，能通過HTTP向數據庫接口請求數據并做出相應的解析、數據封裝和主動轉發(fā)。

2）嵌入式設備。

該部分由4G/IoT通訊模塊、主控模塊、WiFi/LoRa通訊模塊組成。4G/IoT通訊模塊使用氣象局專網物聯網卡，因而可以接收專網服務器發(fā)來的數據。主控模塊由ESP32模組［11］、電源模塊、數據通信模塊組成，采用Arduino平臺對其進行嵌入式軟件開發(fā)；電源模塊使用AMS1117系列的5 V轉3.3 V線性穩(wěn)壓器；ESP32采用TTL電平通訊，因此數據通信模塊由SIPEX公司生產的SP3232組成，完成TTL到RS-232的轉換。

3）顯示模塊。

顯示模塊由WiFi/LoRa接收模塊和顯示設備或僅移動設備組成。若接收模塊搭配顯示屏，則兩者通過串口進行通訊，顯示屏可以是智能大屏電視和LED點陣顯示屏。

2 關鍵技術

2.1 服務器與嵌入式設備的通信

為滿足低功耗、減少網絡流量等要求，服務器采用UDP的數據傳輸方式，封裝了設備認證、智能發(fā)送、報文加密的功能。服務器的工作流程如圖2所示。

圖2 服務器任務流程示意圖

服務器主要完成2個任務，接收設備的注冊消息并更新在線列表和根據在線列表完成數據發(fā)送。一方面，注冊消息的報文按協(xié)議的格式進行校驗；另一方面，服務器會按照預設的發(fā)送周期檢查數據庫里的在線列表，根據在線情況和設備號預設的請求接口地址請求數據并按照相應的協(xié)議加密數據并發(fā)送至客戶端。報文格式如圖3所示。

圖3 報文格式

主控模塊開機時，需要先向4G/IoT模塊發(fā)送AT指令完成網絡接入點等參數的設置和啟動網絡的工作，隨后才能正常收發(fā)數據。為保證主控模塊保持在線狀態(tài)，發(fā)送注冊信息的周期為顯示模塊請求產品周期的1/3。

2.2 數據解析及產品生成

根據用戶定義的數據來源，主控模塊有兩種任務流程，如圖4所示。主控模塊可以通過4G/IoT通訊模塊從氣象內網UDP服務器或通過RS232接口從采集器獲取氣象數據，用戶可根據實際需要選擇不同的數據獲取方式。

圖4 主控模塊任務流程示意圖

當主控模塊收到數據后對接收的數據進行校驗、解析和產品生成。如果校驗失敗，則丟棄數據。校驗成功后，嵌入式系統(tǒng)會將數據按照預定的格式解析并保留在內存棧中，直到下一次數據的更新。

主控模塊的分區(qū)表1所示，將Flash分為了4個部分。其中，app0約占2560KB用于存放主控程序，而spiffs分區(qū)占用內存約1 472 kB用于創(chuàng)建SPIFFS文件系統(tǒng)。在燒錄主控模塊的固件時，會將預先基于HTML5+JavaSricpt［12］開發(fā)的模板網頁（CSS、HTML以及JS文件）存入Flash的spiffs分區(qū)當中。在嵌入式系統(tǒng)運行的過程中，如果有顯示模塊對產品進行請求，嵌入式系統(tǒng)會按照產品模板對此時的內存進行搜索獲取相應的數據，并將模板和數據進行整合形成展示網頁。

表1 主控模塊分區(qū)表

2.3 產品推送及展示

如圖4所示，主控模塊開機后會啟動WiFi或者LoRa建立熱點并啟動嵌入式Web服務。該服務基于WebSocket協(xié)議，可以使得主控模塊和客戶端建立在單個TCP連接上進行的全雙工通訊，以便任一方都可以通過建立的連接將數據推送到另一端，且只需要建立一次連接，就可以一直保持連接狀態(tài)，比傳統(tǒng)的HTTP協(xié)議更加高效和實用。

WiFi和LoRa兩種網絡適用的情景不同，Lo-Ra的傳輸速率為幾百到幾十Kbps（速率越低傳輸距離越長），傳輸距離在城鎮(zhèn)中可達2～5 km，郊區(qū)可達15 km，通過中繼功能可以大幅度增加傳輸距離，適合低數據速率和長距離傳輸；WiFi傳輸速率一般為11 Mbps，適合大數據量和短距離的情況。用戶可以根據實際情況選擇相應的數據傳輸方式。當客戶端成功連上熱點后，根據特定的API周期性地請求產品，并根據設備的類型進行產品的展示。為實現跨平臺應用，解決不同顯示設備屏幕大小存在差異的問題，在編寫產品模板時，采用了網頁自適應技術使頁面能自動匹配設備的屏幕大小，因此不同設備類型獲取的產品都不會出現比例失真的現象。當顯示屏設備為LED點陣顯示屏時，接收模塊將數據解析為相應的格式即可供LED顯示屏正常顯示。

3 氣象服務功能設計

根據系統(tǒng)軟硬件組成情況，為滿足進一步拓寬面向社會的氣象服務方式和水平，系統(tǒng)可以提供精準的氣象服務、定制化的服務范圍、個性化的展示。

3.1 精準的數據服務

用戶可以根據氣象服務面向的目標群體選擇相應的氣象數據和預警信息，如面向高速公路則可以著重選擇能見度、雨量和道路預警信息等要素；如面向農業(yè)服務，則可以著重選擇雨量、溫度、輻射等要素。除此之外，用戶也可以選擇獲取并展示產品圖片，如雷達產品圖、衛(wèi)星云圖等。遠程服務器根據用戶需求，從數據庫接口獲取相應的數據后通過UDP服務器發(fā)送至主控模塊并推送至指定的客戶端，從而形成精準的氣象服務。

3.2 靈活的通信服務

用戶可以定制氣象服務覆蓋的范圍，根據范圍的大小選擇使用不同的通訊方式。如農村或小城鎮(zhèn)建設有氣象站，即可采用本系統(tǒng)向群眾提供實時的氣象數據，讓群眾更方便地獲取和直觀地認識天氣情況。

3.3 個性化的展示

根據用戶的需求可以定制不同的展示模板和展示內容，從而實現個性化的氣象服務展示頁面，以滿足不同場合下的需求，如用于科普展示時需要豐富的界面，用于農場等場合則追求直觀的展示界面。

4 應用情況

廣州大學于2020年6月建設了一個觀測場用于教學和科普，由于用戶要求在觀測場和教室內都能查看自動站的數據，因此在該站安裝了第1章所述的系統(tǒng)。在該站中，由于數據未上傳至省局數據庫且用戶只需要本站的數據，因此系統(tǒng)不需要4G/IoT通訊模塊，主控模塊直接通過RS232串口從采集器獲取數據。通過主控模塊建立的WebServer服務和基于LoRa創(chuàng)建的熱點，顯示屏側的顯示模塊能夠接收數據并讓顯示屏展示。在觀測場選用了LED顯示屏，如圖5a所示。在200 m外的教室中，考慮到個性化的教學展示需求，顯示屏使用智能電視，其展示頁面如圖5b所示。

圖5 LED點陣（a）和智能電視（b）顯示屏展示效果圖

經用戶反饋，該系統(tǒng)自布設至今運行穩(wěn)定。

5 結論

本研究介紹了一套自主設計的基于嵌入式技術和無線通信技術開發(fā)的氣象自動站無線通信及數據展示系統(tǒng)。該系統(tǒng)能通過無線的方式為用戶提供實時的輕量化定制的氣象數據服務，能在嵌入式設備附近的顯示屏幕上提供豐富的氣象數據展示。由于其具有無線和嵌入式的特點，因此具有較高的靈活性和較廣的應用范圍，能切實提高氣象服務的實用性、時效性、普適性。

除了展示傳統(tǒng)的自動氣象站要素外，該系統(tǒng)還能展示產品圖片和相關預警信息，如雷達產品、衛(wèi)星產品、城市預警預報等。與新媒體的氣象服務相比，憑借將來大規(guī)模興建的自動氣象站，該系統(tǒng)能使群眾獲取更加精準的、易于獲取和直觀的氣象信息，極大地拓寬了氣象服務的方式，提高氣象服務水平。