多要素智能气象站及其工作方法与流程

本发明属于气象技术领域，具体涉及多要素智能气象站及其工作方法。

背景技术：

目前，国家地面气象观测站运行的新型自动气象站，主要采用“模拟/数字传感器+分采集器+主采集器+综合集成硬件控制器+外围设备”的结构设计。

1)传感器采用模拟/数字传感器，该结构十分依赖硬件系统的硬性耦合，传感器配置固定，不具备动态灵活配置单要素多传感器组网观测功能；各部分采用有线方式连接及通信，连接结构复杂，维修检测相对复杂。国家级自动气象站结构框图参见图1，其中串口设备包括主采集器及各类输出rs232/485信号的传感器。

2)部分数据传输通过主采集器集中，所有串口设备经过综合集成硬件控制器转化为网络信号，通过光纤传输到观测值班室再次转变成网络信号，再经过台站计算机配发的isos软件，处理形成各类数据文件或消息，经过各市气象局通信链路(路由)传输至省级相关数据平台，该结构通信链路冗长、中间节点多、灵活性较差。

3)目前自动气象站是以主采集器及综合集成硬件控制器为核心，传感器均为模拟传感器/数字传感器，且各传感器设计及安装独立，各部分微型化程度低，不具备单要素多传感器组网观测功能。

技术实现要素：

为克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供多要素智能气象站及其工作方法，具有使现有的气象观测系统业务流程更加简洁，观测项目扩展更加容易，设备安装维护及维修的观测业务劳动强度将大大减轻的特点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：多要素智能气象站，包括有与观测云平台相连的气温智能观测仪、湿度智能观测仪、气压智能观测仪、风智能观测仪、翻斗雨量智能观测仪、称重雨量智能观测仪、地温智能观测仪、降水现象智能观测仪、能见度智能观测仪、日照智能观测仪、梯度风智能观测仪、集成式微型气象站和天气现象视频智能观测仪、探测环境视频智能观测仪、安防监控视频智能观测仪，其特征在于，观测云平台与气温智能观测仪、湿度智能观测仪、气压智能观测仪、风智能观测仪、翻斗雨量智能观测仪、称重雨量智能观测仪、地温智能观测仪、降水现象智能观测仪、能见度智能观测仪、日照智能观测仪、梯度风智能观测仪、集成式微型气象站通过智能协议转换器相连，观测云平台与天气现象视频智能观测仪、探测环境视频智能观测仪、安防监控视频智能观测仪通过视频协议转换器相连。

所述的气温智能观测仪、湿度智能观测仪、气压智能观测仪、风智能观测仪、翻斗雨量智能观测仪、称重雨量智能观测仪、地温智能观测仪、降水现象智能观测仪、能见度智能观测仪、日照智能观测仪、梯度风智能观测仪、集成式微型气象站包括有气象要素感应元件，气象要素感应元件通过测量电路分别与监测电路、处理器及供电电路相连；处理器分别与监测电路、供电电路相连；处理器还设有rs232接口；供电电路与电源接口相连。

所述的天气现象视频智能观测仪、探测环境视频智能观测仪、安防监控视频智能观测仪包括有视频图像感应元件，视频图像感应元件通过测量电路分别与监测电路、处理器及供电电路相连；处理器分别与监测电路、供电电路相连；处理器还设有rs232/rj45接口；供电电路与电源接口相连。

所述的测量电路包括：采集电路、滤波电路、a/d转换电路和校准电路，校准电路依次与采集电路、滤波电路、a/d转换电路相连；所述的处理器包括有mcu控制单元，mcu控制单元分别与数据存储器、程序存储器、驱动电路、时钟电路相连。

所述的智能协议转换器包括有主控cpu，主控cpu的观测仪端设有数组观测仪接口；主控cpu还分别与设备编号单元、实时时钟单元、4g通信单元、gps单元相连；外部指示灯与主控cpu相连；电源为各用电单元供电；主控cpu负责整个通讯设备的数据采集、打包、控制、传输。

所述的视频协议转换器包括有4g无线路由器及其rj45通信网口、独立电源系统。

所述的观测云平台包括数据层、业务层和表现层；所述的数据层包括数据接收与处理单元、数据质量控制单元、数据存储单元；所述的业务层包括智能观测仪管理单元、数据监控单元、观测仪状态监控单元、云平台状态监控单元、台站业务管理单元、探测环境监控单元；表现层包括智能语音交互单元、产品展示单元、数据分发与共享单元、报表生成单元。

多要素智能气象站的工作方法，包括以下步骤：

步骤一，气温智能观测仪、湿度智能观测仪、气压智能观测仪、风智能观测仪、翻斗雨量智能观测仪、称重雨量智能观测仪、地温智能观测仪、降水现象智能观测仪、能见度智能观测仪、日照智能观测仪、梯度风智能观测仪、集成式微型气象站将采集的气象数据传输至智能协议转换器；天气现象视频智能观测仪、探测环境视频智能观测仪、安防监控视频智能观测仪将采集的视频图片数据传输至视频协议转换器；

步骤二，智能协议转换器和视频协议转换器将获得的数据打包后通过4g/5g/物联网技术上传至观测云平台；

步骤三，观测云平台将接收的数据通过报文解析，存入网络数据库，后台程序完成数据层、业务层和表现层的各种功能。

本发明的有益效果是：

1)与现有技术相比，本发明的多要素智能气象站采用传感器+网络传输的结构，其中传感器转变为智能观测仪，网络传输是4g/5g/物联网主用通道传输，观测场中的硬件设备及连接电缆大幅度减少。

2)信息传输减少了大量中间环节，观测信息从观测仪直接通过4g/5g/物联网传输到观测云平台。

3)观测项目、组网观测十分容易，减少了升级成本。

4)观测质量、设备运行质量得到了提高。

5)传感器智能化，对模拟信号输出的传感器进行数字化改造，使其输出rs232信号和具有数据处理单元、存储单元和传感器状态监测电路，实现各气象观测要素独立智能观测、采集、通信，智能化后的传感器统称为智能观测仪，包括单要素智能观测仪及集成式微型气象站。

6)支持单要素多观测仪同步观测，以及集成式微型气象站接入。设计支持3个单要素智能观测仪或集成式微型气象站接入智能协议转换器，支持观测要素自由组合、统一传输，智能协议转换器连接智能观测仪与观测云平台，并实现双向通信。

7)去除(主)采集器、综合集成硬件控制器这两个大的控制中心，将数据处理、质量控制等功能转移至基于公有云建设的观测云平台，实现与智能观测仪的协议通信与交互，并实现数据流传输，云平台主要由站网管理中心、业务数据中心、观测产品中心、综合监控中心、智能语音助手、后台管理中心等部分组成，并开发包含观测产品、综合监控、智能语音等功能模块的app(“小探”)，实现移动、实时办公。

8)信息传输路径中转换点减少，使用智能协议转换器和视频协议转换器将观测信息直达云端。

本发明的方法包括以下优点：

1)传感器的升级。目前现有技术的气象观测传感器都是基于传统方式采集，即为每种参数单独采集，并通过有线连接方式接入到观测平台中，此方式都是基于本地观测，现场需要布设电源线、通信线缆等，复杂不易维护。传感器升级后，由模拟和数字传感器替换为智能观测仪，使气象传感器具有了感知、认知和决策功能，输出的数据更准确。

2)增加了智能协议转换器，目前国家级自动气象站中没有此类模块，均采用有线传输。新增加的智能协议转换器具备太阳能供电，无线传输功能，一台设备可连接三台独立的智能观测仪或集成式微型气象站，并将数据打包，通过无线方式上传到观测云平台，新增gps自动对时、蓝牙本地参数设置的功能。

3)增加观测云平台：目前气象观测站没有此类处理平台，只有观测场配备的数据采集器完成数据接收、处理、存储，最后将数据传输到观测值班室的计算机上，再传输到省级中心站，新的工作模式是将数据直接到达云端，将台站智能观测仪的管理、业务管理、观测数据与设备运行状态实时监控等转移到云端处理和展示，直接可以对外进行气象服务。系统结构框图如图2所示。

地面气象观测业务按照智能气象站步骤升级以后，台站级气象观测业务重心将向观测装备维护维修和现场核查、标校或检测、质量管理等转变。

附图说明

图1现有技术中国家级自动气象站结构框图。

图2为本发明多要素智能气象站及其观测方法体系结构。

图3为单要素智能观测仪结构框图。

图4为本发明的智能协议转换器结构框图。

图5为本发明的观测云平台数据架构示意图。

图6为另外一种智能气象站的工作模式示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的工作方法和流程作进一步详细说明。

参见图2，多要素智能气象站，包括有与观测云平台相连的气温智能观测仪、湿度智能观测仪、气压智能观测仪、风智能观测仪、翻斗雨量智能观测仪、称重雨量智能观测仪、地温智能观测仪、降水现象智能观测仪、能见度智能观测仪、日照智能观测仪、梯度风智能观测仪、集成式微型气象站和天气现象视频智能观测仪、探测环境视频智能观测仪、安防监控视频智能观测仪；观测云平台与气温智能观测仪、湿度智能观测仪、气压智能观测仪、风智能观测仪、翻斗雨量智能观测仪、称重雨量智能观测仪、地温智能观测仪、降水现象智能观测仪、能见度智能观测仪、日照智能观测仪、梯度风智能观测仪、集成式微型气象站通过智能协议转换器相连，观测云平台与天气现象视频智能观测仪、探测环境视频智能观测仪、安防监控视频智能观测仪通过视频协议转换器相连；其中，气温智能观测仪、湿度智能观测仪、气压智能观测仪、风智能观测仪、翻斗雨量智能观测仪、称重雨量智能观测仪、地温智能观测仪、降水现象智能观测仪、能见度智能观测仪、日照智能观测仪、梯度风智能观测仪、集成式微型气象站这十二种为低速智能观测仪；天气现象视频智能观测仪、探测环境视频智能观测仪、安防监控视频智能观测仪这三种为高速智能观测仪。

所述的气温智能观测仪、湿度智能观测仪、气压智能观测仪、风智能观测仪、翻斗雨量智能观测仪、称重雨量智能观测仪、地温智能观测仪、降水现象智能观测仪、能见度智能观测仪、日照智能观测仪、梯度风智能观测仪、集成式微型气象站包括有气象要素感应元件，气象要素感应元件通过测量电路分别与监测电路、处理器及供电电路相连；处理器分别与监测电路、供电电路相连；处理器还设有rs232接口；供电电路与电源接口相连。

所述的天气现象视频智能观测仪、探测环境视频智能观测仪、安防监控视频智能观测仪包括有视频图像感应元件，视频图像感应元件通过测量电路分别与监测电路、处理器及供电电路相连；处理器分别与监测电路、供电电路相连；处理器还设有rs232/rj45接口；供电电路与电源接口相连。

所述的测量电路包括：采集电路、滤波电路、a/d转换电路和校准电路，校准电路依次与采集电路、滤波电路、a/d转换电路相连；所述的处理器包括有mcu控制单元，mcu控制单元分别与数据存储器、程序存储器、驱动电路、时钟电路相连，参见图3。

所述的智能协议转换器包括有主控cpu，主控cpu的观测仪端设有数组观测仪接口；主控cpu还分别与设备编号单元、实时时钟单元、4g通信单元、gps单元相连；外部指示灯与智能协议转换器机壳相连；电源为各用电单元供电；主控cpu负责整个设备的数据采集、打包、控制、传输，参见图4。

所述的视频协议转换器包括有4g无线路由器及其rj45通信网口、独立电源系统。

所述的观测云平台包括数据层、业务层和表现层；所述的观测云平台包括数据层、业务层和表现层；所述的数据层包括数据接收与处理单元、数据质量控制单元、数据存储单元；所述的业务层包括智能观测仪管理单元、数据监控单元、观测仪状态监控单元、云平台状态监控单元、台站业务管理单元、探测环境监控单元；表现层包括智能语音交互单元、产品展示单元、数据分发与共享单元、报表生成单元；将智能观测仪的管理、业务管理、数据接收与处理、数据存储、观测数据与设备运行状态实时监控转移到观测云平台处理。、

将台站智能观测仪的管理、业务管理、数据接收与处理、数据存储、观测数据与设备运行状态实时监控等转移到云端处理。

多要素智能气象站的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，气温智能观测仪、湿度智能观测仪、气压智能观测仪、风智能观测仪、翻斗雨量智能观测仪、称重雨量智能观测仪、地温智能观测仪、降水现象智能观测仪、能见度智能观测仪、日照智能观测仪、梯度风智能观测仪、集成式微型气象站将采集的气象数据传输至智能协议转换器；天气现象视频智能观测仪、探测环境视频智能观测仪、安防监控视频智能观测仪将采集的视频图片数据传输至视频协议转换器；

步骤二，智能协议转换器和视频协议转换器将获得的数据打包后通过4g/5g/物联网技术上传至观测云平台；

步骤三，观测云平台将接收的数据通过报文解析，存入网络数据库，后台程序完成数据层、业务层和表现层的各种功能。

智能观测仪的选购，本发明的目的是替换现有的国家级自动气象站，国家级自动气象站的数据时要进入国家级预报系统并且要长期保存，对数据的要求非常严格，传感器必须是经过中国气象局管理部门考核认证的，因此智能观测仪必须选择有入网装备许可证的产品，这个产品在中国气象局的官方网站上可以查询到。

智能观测仪的安装连接，智能观测仪的配置电缆接口是5芯电缆，分别电源+，电源地，rx端子，tx端子，信号地。按线序定义接到智能协议转换器对应的输入端子上，电源由智能协议转换器提供。

智能协议转换器的连接，智能协议转换器上有太阳能板供电系统，按线序要求，接到对应的端子上，即可工作。

观测云平台通过4g/物联网网络，连接各个智能观测仪并解析上传的数据内容，数据自动入库，观测云平台再完成其他功能。

1)、使用具有中国气象局装备许可证的智能观测仪。

单要素智能观测仪包括有处理器电路、测量电路、监测电路、供电电路和电源接口电路五个单元，处理器单元的mcu数据输出端与rs232转换接口相连；处理器单元、测量电路单元和监测电路单元通过供电电路与电源接口相连；感应元件与测量电路单元相连；测量电路单元将输入的模拟信号转变成数字信号送到处理器单元进行处理、计算、存储和输出/输入。

测量电路输入的信号包括温度、湿度、气压、风向、风速、雨量模拟信号。其中温度、湿度、气压、风向、风速、雨量感应数据通过接口送入测量电路单元，经过采样、滤波和a/d转换成数字信号送入处理器单元进行后续处理，校准电路利用高精度标准电路对采集电路进行实时校准。

处理器电路输入的数字信号包括温度、湿度、气压、风向、风速、雨量数字量。mcu处理器根据中国气象局颁布的数据处理算法，完成气象数字信号的数据处理、质量控制、自检测、自校准、自诊断、自恢复等功能。

rs232接口：采用3线制rs232串行数据接口，可扩展连接其他有线或无线通信模块，完成数据交互。

监测电路：实现对测量仪内部电路温度、工作电压、工作电流和设备工作状态的监测。

2)、使用自主研发的智能协议转换器完成数据传输。

智能协议转换器整体分为接口部分、主控cpu部分、4g通信部分、gps部分、电源部分以及实时时钟部分。

其中主控cpu负责整个设备的数据采集、打包、控制、传输。工作原理为，cpu通过观测仪接口自动判断观测仪类型，并将外部连接的观测仪数据读回到内存中，通过4g通信部分连接至公网，将数据传送到观测云平台；主控cpu同时也读取gps的经纬度数据以及时间数据，定时更新观测仪相关数据；电源部分负责将外部供电的状态转换为电路中各个部分对应的需要的电压，同时分离蓄电池与太阳能板电压，供主控cpu采集，提供电源系统相关状态数据。

另外，为了适应缺少交流电的野外环境，系统的供电采用太阳能供电方式。

3)、使用自主研发的观测云平台完成数据处理、展示及系统交互。

观测云平台，通过协议转换器实现与智能观测仪的协议通信与交互，主要分为数据层、业务层、表现层共3层，其中，数据层主要包括数据接收与处理、数据质量控制、数据存储等功能模块，业务层主要包括智能观测仪管理、数据监控、观测仪状态监控、台站业务管理、探测环境监控等功能模块，表现层面向省、市、县各级用户，包括智能语音交互、产品展示、报表生成、数据分发与共享等功能。观测云平台数据架构见图5。

多要素智能气象站工作流程见图2。

1)使用智能气象观测设备完成数据采集和处理

这些观测设备包括各种智能观测仪和智能视频观测仪，完成数据的智能化采集和输出，对多要素智能气象站来说，就是生成定时的分钟数据、小时数据以及定时的视频图像；

2)使用智能协议转换器完成数据的无线传输

智能协议转换器的蓝牙功能，通过智能手机现场进行智能观测仪的参数设置。智能协议转换器组成：gps定位单元+存储+通讯单元(4g/物联网卡/蓝牙)+电源(太阳能+蓄电池+直流电源)+通讯协议，智能协议转换器是连接智能观测仪与观测云平台的关键中转部件，并实现双向通信。智能协议转换器具备太阳能供电，一个智能协议转换器可连接三台独立的智能观测仪，并将数据打包，通过无线方式上传到观测云平台。

智能协议转换器具备以下功能：a)设置通讯参数、工作参数、设备id、观测时间；b)进行设备重启、握手机制修改、软件远程升级；c)读取设备的工作参数、工作状态信息、校准信息、检定信息、实时数据、历史数据等；d)电源管理，基于太阳能+锂电池硬件基础，采用智能化的电源管理技术节约能耗，实现常规要素智能观测仪在阴雨天气时的长期正常运行。

3)观测云平台完成观测数据的最终处理

设计观测云平台，实现与智能观测仪的协议通信与交互，并实现数据流传输，观测云平台主要由站网管理中心、业务数据中心、观测产品中心、综合监控中心、智能语音助手、后台管理中心6部分组成，开发包含观测产品、综合监控、智能语音等功能模块的app(“小探”)，实现移动、实时办公。观测数据智能处理的观测云平台组成参见图2。

本发明的替代方案：

智能气象站因设计理念的不同，还有另外一种工作模式，采用智能观测仪和zigbee无线传输技术，以智能集成处理控制器为核心集成部件，构建智能气象站。另外一种智能气象站工作模式参见图6。

这个智能集成处理控制器由硬件和嵌入式软件组成，类似于原来的主采集器和综合硬件控制器。智能集成处理控制器硬件包含高性能嵌入式处理器、高精度实时时钟电路、大容量程序存储器和数据存储器，具有强大的数据处理能力，可以满足各种复杂气象探测系统的数据处理要求。智能集成处理控制器集成了zigbee无线收发功能，嵌入式软件负责按观测要求，实现数据收集、数据存储、数据上传、时钟同步等功能。

气象要素数据的处理由现场的主控制来完成，各个智能观测仪使用zigbee模块连接到智能集成处理控制器上，再通过智能集成处理控制器的4g网络接口传送到观测云平台。

本申请方案抛弃了这种模式的原因就是因为观测现场需要添加智能集成处理控制器这个中间部件，这违反了设计精简的理念，使智能气象站的设计走了回头路。

但是这也是一个可以替代本发明的一个选择方案，但是设计难度和成本增加。