本发明涉及气象数据监测技术领域，具体涉及一种远程气象数据监测系统及其方法。
背景技术：
随着社会经济的不断发展，人们对于气象环境的认知越来越深入，对气象环境数据的需求也越来越大。气象环境这不仅关系到人类的生产和生活，也与人的健康息息相关。气温、湿度、空气质量等气象要素对人体的综合作用决定了人体的舒适程度，进而影响到人们的生产效率和生活质量。
传统的气象数据获取方式主要包括两种：一种是单节点的气象环境监测装置，如家庭中安放的温湿度计、空气质量检测装置；另一种是气象部门或天气预报软件所发布的气象数据。单节点的气象环境监测所获取的信息能力有限，不能提供多个地点的参考数据；而气象数据中心得到的气象数据往往是大区域的预报信息，可以为人们的出行提供参考，但对局部范围的实时状况的描述不够详尽和准确，并且数据的实时描述能力不强。现有的气象信息监测方式和方法，已经不能与移动互联网背景下人们的信息获取模式相匹配。
为实现较大区域覆盖下的气象数据获取，现有的气象监测系统往往由多个监测节点组成。这些监测节点大多是由气象部门管理及维护、包含大量气象要素的专业气象站。但现有的气象监测系统存在两个问题：一是气象数据并不对公众开放，仅在内部网络使用；二是节点部署的密度有限，无法满足局部区域的精准化测量需求。随着无线通信技术、移动互联网的发展进步，万物互联的概念被越来越广泛地应用到人们的日常生活中。结合近年来被社会密切关注的环境问题，气象环境监测装置的互联互通思想也被越来越广泛地研究。
目前存在的相关领域专利有：
专利cn106772689a：一种高速公路气象监测系统本发明涉及气象监测设备技术领域，具体涉及一种高速公路气象监测系统，包括气象信息采集子系统和控制子系统，气象信息采集子系统包括传感器组件和gps定位器，控制子系统包括无线传输模块、数据采集终端和信息发布模块，数据采集终端包括采集主机和采集软件，本发明能够将恶劣天气实时发布提醒过往车辆安全行驶，同时本发明便于安装和维护，极大地降低了高速公路的维护成本。
专利cn206270517u：一种微型无线气象监测系统本实用新型公开了一种微型无线气象监测系统，属于气象监控技术领域，包括微型测量装置和pc上位机，微型测量装置包括底座盒、三个风勺、转动帽、槽型光耦传感器、挡板、测量杆、空心筒、屏蔽线、嵌入式电路板、信号排线和外部接口，微型测量装置与pc上位机通过无线互联网通信；解决了传统气象仪体积大，采集数据单一的问题，实现了通过无线互联网实时采集多种气象数据。
专利cn106468657a：一种机场气象监测系统本发明属于航空电子技术领域，涉及到一种机场气象监测系统。本发明由目标靶[01]、摄像头[02]、图像采集处理单元[03]、气象传感器单元[04]、数据采集单元[05]、中央控制处理单元[06]、无线通信单元[07]、电压转换单元[08]、太阳能供电单元[09]、光照度传感器[10]组成。本发明采用图像处理的方法，对传感器采集的能见度气象要素进行自学习，根据自学习结果，对能见度传感器进行修正及故障判别。
专利cn103197358b：气象监测系统一种气象监测系统，涉及气象监测设备技术领域，包括用于采集各类检测器的数据采集器，所述数据采集器将检测器得到的信号处理通过通讯设备传送到指挥中心站，所述数据采集器采用交流供电和蓄电池智能供电两种方式，所述数据采集器通过rs485接口分别连接有雨量雪量检测器、能见度检测器、温湿度检测器、风向风速检测器及红外线遥感路面测温器，对高速公路上沙尘、雾，能见度参数，路面温度，风向风速，雨雪量要素进行数据采集和分析，然后将分析结果上传给指挥中心站以实现对现场实际情况进行实时监控。本发明检测项目全，能够对雾、沙尘，能见度参数，路面温度，风向风速，雨雪量要素进行实时检测。
专利cn2879216y：无线综合气象监测系统本实用新型公开了一种无线综合气象监测系统，包括前端传感器模块、数据采集模块、射频传输模块、现场监控主机、gprs/cdma传输模块、后台管理主机；所述的前端传感器模块将采集的信息以485总线方式传送到数据采集模块；再通过无线射频收发模块或串行通讯将信号送到现场监控主机；现场监控主机完成现场数据的处理及显示后，再通过gprs或cdma传输模块经移动公网将信号送至监控中心的后台监控主机，实现雨情天气实况、历史数据查询和气象趋势分析。本实用新型采用射频无线通信以及gprs/cdma无线通信，安装时免去大量的硬布线。移动gprs/联通cdma信息覆盖广，可应用于偏远地区，前期投资少，后期升级、维护成本低。
专利cn203385873u：微型化气象监测系统本实用新型涉及一种微型化气象监测系统，包括arm处理器、温度测量模块、湿度测量模块、气压与海拔高度测量模块、风速与风向测量模块、光照强度和太阳辐射强度测量模块、时钟芯片、eeprom、液晶显示、独立按键和rs232串口通信模块；微型化的温度传感器、湿度传感器、气压和海拔高度传感器、风速与风向传感器、光照度与辐射传感器、时钟芯片、eeprom、液晶显示、独立按键和rs232串口通信模块分别与arm处理器连接。本实用新型可以有效地测量温度、湿度、气压、海拔高度、风速、风向、光照强度、太阳辐射等气象参数，精度可达到普通气象测量要求，稳定性高，同时具有微型化、低功耗、实时化和便携式等特点，适应于各种小区域的气象要素测量。
专利cn206378613u：多功能气象监测装置及系统本实用新型提供了一种多功能气象监测装置及系统，涉及气象监测技术领域，本实用新型提供的一种多功能气象监测装置，包括多功能气象收发仪、组合传感器、温湿度传感器以及地温探测器，组合传感器采集大气温度、大气湿度、风向、风速、气压参数；温湿度传感器采集车内温度和湿度参数；地温探测器采集地表温度参数。能够测量多种气象参数，可以直接应用于固定站、移动车辆对气象要素的监测中，应用范围广，同时具有更好的可靠性和精度较高的优点，此外，该多功能气象监测装置还具有体积小、携带方便、使用简单安全的特点。解决了现有技术中测量的气象要素少、精度不高、可靠性低、应用范围窄的问题。
专利cn101114403a：一种气象要素分布式监测系统本发明一种气象要素分布式监测系统，通过在气象要素传感器与上位机之间连接通信装置，利用所述的通信装置接收传感器输出的检测信号，包括模拟信号、串行信号、数字脉冲信号等，进而转换成can总线数据利用can总线实现与上位机的连接通信，从而实现了气象要素信息的远距离、高效率传输和传感器类型数量的任意选择。本发明的气象要素分布式监测系统受现场干扰影响小，通用性强，可用于复杂恶劣环境中的对舰船平面、各类仓库的气象要素实现分布式模块化、网络化监测，监测点数量、位置等选择灵活，且具有监测准确、运行可靠的特点。
现有的气象环境监测系统主要存在以下问题：
1)侧重于传统设备的联网--目前的气象环境监测系统多在传统的监测设备上加入远程数据获取功能，缺少设备和用户权限认证、数据管理和展示及异常预警功能；
2)数据接口及方式不统一--现有的气象监测系统多针对其特有设备进行接口设计，数据接口的灵活性不高，数据监测功能的扩展性不强。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种远程气象数据监测系统及其方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种远程气象数据监测系统，包括数据采集终端、用户控制终端和远程服务端，数据采集终端通过互联网与远程服务端的设备数据接口建立连接，用户控制终端通过互联网建立与远程服务端的用户数据接口建立连接。
作为本发明进一步的方案是：所述远程服务端包括设备数据接口、用户数据接口、权限认证管理单元、数据处理单元、流式计算单元、数据可视化单元和数据存储单元，所述设备数据接口与数据采集终端建立连接，用户数据接口用户控制终端建立连接，设备数据接口和用户数据接口均与权限认证管理单元建立连接；所述权限认证管理单元分别与数据处理单元、流式计算单元、数据可视化单元和数据存储单元建立连接；所述数据处理单元、流式计算单元和数据可视化单元均与数据存储单元建立连接。
作为本发明再进一步的方案是：所述数据采集终端包括传感器节点、数据网关和数据采集节点，所述传感器节点与数据网关建立连接，数据网关和数据采集节点均与远程服务端建立连接。
作为本发明再进一步的方案是：所述传感器节点包括传感器、微控制器和通信接口。
作为本发明再进一步的方案是：所述数据网关包括网络模块、微控制器和通信接口。
作为本发明再进一步的方案是：所述数据采集节点包括传感器、微控制器和网络模块。
一种远程气象数据监测方法，包括以下步骤：
(1)设备启动后，首先进行系统初始化配置，然后访问远程服务器是否存在固件信息，如果存在新版本固件，下载并校验无误后进行代码区覆写，同时系统复位并进入正常工作模式；
(2)进入正常工作模式后，系统对硬件设备及系统状态进行检测，如果系统工作正常，则开始正常工作模式流程：首先检查服务器是否有控制指令，如远程服务器需要查询系统的状态信息，则将当前系统信息数据进行格式化封装处理，并通过网络模块发送至远程服务端；
(3)若无，则按照预设的数据采集模式采集传感器的数据，并对数据进行格式化封装处理，通过网络模块将数据包发送至远程服务器。
本发明的有益效果是本系统终端的检测设备可以实现无人监管下对户外环境的气象数据进行全自动监测，且设备成本低，体积小，安装方式与可移动性极强，能对较大范围的户外环境进行概要性监测，兼顾局部区域下室内户外的气象环境测量需求，如办公区域、建筑施工现场等；其服务器端接收监测信息后，通过专业的处理逻辑将气象数据放入数据库中，形成大数据后，调用的接口简单，可自由选择所需数据，对其他开发者在一定程度上提供方便。本系统还自带专业客制化的前端展示，方便使用者对采集的数据有更深刻的认知。
与现有技术方案相比，本发明具有以下优点：
1)数据采集终端到远程服务端的数据接口方式灵活，可支持单传感器或多传感器的数据接入，多种协议组合的方式可以满足不同场景下的数据监测需求；
2)具备较为完整的设备及用户权限认证管理、数据流式计算和可视化功能，较传统单一的数据采集和展示方法在用户体验上更胜一筹，以可视化结果替换数值模式帮助用户更好地理解数据。
附图说明
图1为本发明一种远程气象数据监测系统的结构示意图；
图2为本发明一种远程气象数据监测系统的数据采集终端结构示意图；
图3为本发明一种远程气象数据监测方法的流程图；
图4为本发明一种远程气象数据监测方法的远程服务端处理流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-图4，一种远程气象数据监测系统，包括数据采集终端11、用户控制终端12和远程服务端13，数据采集终端11通过互联网与远程服务端13的设备数据接口建立连接，进行消息接收和消息发布等操作，用户控制终端12通过互联网建立与远程服务端13的用户数据接口建立连接，并进行设备管理和数据监测等操作。
所述远程服务端13包括设备数据接口131、用户数据接口132、权限认证管理单元133、数据处理单元134、流式计算单元135、数据可视化单元136和数据存储单元137，所述设备数据接口131与数据采集终端11建立连接，用户数据接口132用户控制终端12建立连接，设备数据接口131和用户数据接口132均与权限认证管理单元133建立连接；所述权限认证管理单元133分别与数据处理单元134、流式计算单元135、数据可视化单元136和数据存储单元137建立连接；所述数据处理单元134、流式计算单元135和数据可视化单元136均与数据存储单元137建立连接。
如图1所示，远程服务端13主要功能是为数据采集终端11提供(标准/统一)的数据接口和数据处理服务，主要包含设备数据接口131、用户数据接口132、权限认证管理单元133、数据处理单元134、流式计算单元135、数据可视化单元136、数据存储单元137。
a)设备数据接口131
设备数据接口131主要用于建立数据采集终端11与远程服务端13的消息接收和消息发布的通道。设备数据接口131通过开放不同的通信端口以支持coap、mqtt、https等多种通信协议。采用何种协议与设备数据接口131建立连接由数据采集终端11来选择，远程服务端13也可以在已保持的现有协议下的连接上，发送协议切换指令以使数据采集终端11切换到另一通信协议。
b)用户数据接口132
用户数据接口132主要用于建立用户控制终端12与远程服务端13的数据接收和数据发布的通道。用户数据接口132默认采用https协议与用户控制终端12建立连接。
c)权限认证管理单元133
权限认证管理单元133负责对数据采集终端11、用户控制终端12的访问和操作权限进行认证。数据采集终端11由权限认证管理单元133统一分配于其唯一的设备序列号以及定期更新的访问密钥，并在设备注册时绑定到数据存储单元137中已存在的某一用户帐号下。数据采集终端11依赖其获取的设备序列号和访问密钥以建立与设备数据接口131的连接。用户可以将其账号下拥有的数据采集终端11以共享的方式指派给系统上其他账户以使其他用户拥有访问权限。
d)数据处理单元134
数据处理单元134负责对数据采集终端11所发送的封装后的数据进行解析，分离出当前数据包内的设备信息和传感器数据，将分离后的传感器数据写入数据存储单元137对应的设备中，同时发送给流式计算单元135。
e)流式计算单元135
流式计算单元135接收到数据处理单元134所传递的设备信息和传感器数据后，从数据存储单元137中调取该设备信息对应的传感器在过去一段时间内的记录，对当前传感器数据和历史传感器数据进行数据统计和分析操作，然后写入数据存储单元137。如果当前数据存在异常，则促发预警消息机制，通过权限认证管理单元133下达警告消息至指定的用户控制终端12。
f)数据可视化单元136
数据可视化单元136接收到用户控制终端12所发出的数据请求，从数据存储模块137中读取指定范围内的数据，进行可视化计算，并将最终结果输出到用户控制终端12。数据可视化单元根据数据输入维度的不同，可以生成不同维度数据的可视化图表形式，如一维温度值变化、二维温度场变化、三维温度场变化，帮助用户更好地理解数据。结合数据采集终端的地理位置信息，用户选择性对局部区域内的气象要素，如室外施工场所的湿度和空气质量进行二维平面图形的可视化展示。数据采集终端11的地理位置信息获取可以包括两种，一是终端上所具备的gps/北斗等定位功能的模块所获取的地理位置信息；二是网络模块(gprs/3g/4g或wi-fi)的网络定位功能。
g)数据存储单元137
数据存储单元137用于存储数据采集终端以及用户数据。数据采集终端数据主要包括设备信息、访问密钥、历史数据；用户数据主要包括用户帐号、密码、授权设备等数据。
用户控制终端12主要用于用户与远程服务端13的数据交互，用户控制终端12的表现形式可以是移动设备端的专用app或web页面。用户控制终端12通过已存在数据存储单元137中的账号及密码以建立用户数据接口132的连接。用户控制终端12可以查看或接收当前登录账号下或其他用户所分享的数据采集终端11的数据。
数据采集终端11主要用于采集并转换当前的气象要素信息，如温度、湿度、co2浓度等数据，并将气象要素信息通过有线或无线的方式以(特定/统一)的格式经互联网传送到服务端的设备数据接口。此外数据采集终端11还可以接收和处理来自服务端的数据请求和指令，如设备地理位置信息更新、设备固件更新等操作。
a)网络接入方式
在实际监测需求中，某一局部区域内的气象要素可能包含多点数据监测和单点数据监测方式。为提高网络信道利用率及最大限度降低终端设备成本，在数据采集终端的网络接入上，本系统支持两种不同的实施方式以满足不同应用场景下的监测需求，具体的网络接入实施方式如图2所示。
对局部区域内的多点数据监测场景，该区域可以部署多个传感器节点111，传感器节点111通过有线(rs485总线、can总线)或无线(ble、zigbee)等通信接口连接到数据网关112，数据网关112再通过有线(wan)或无线(wi-fi、gprs/3g/4g)等网络模块，建立与远程服务器13的连接。
对局部区域内的单点数据监测场景，该区域可以直接部署具备有线(wan)或无线(wi-fi、gprs/3g/4g)等网络模块的数据采集节点113，建立远程服务器13的连接。
在实际部署过程中，两种网络接入方式的使用并不独立，如对局部区域内的多点数据监测场景，在传感器节点超过数据网关112或通信接口所定义的负载能力的情形下，可以通过增加数据网关112或数据采集节点113方式解决。
b)数据通信方式
数据采集终端11默认采用mqtt协议与远程服务端13进行实时数据通信，并支持在不同应用场景下进行coap、mqtt、https等多种通信协议之间的切换。如针对低功耗、数据实时性要求不高的数据采集，在夜间或其他数据请求量小的时间端采用coap协议保持短连接通信，在日间或其他数据量大的时间端采用mqtt协议保持保持长连接通信；针对实时性强的数据采集终端，采用mqtt协议始终保持长连接通信；对有ota操作需求的设备，在ota数据命令发送后或检测到更新时，切换到https协议下，然后进行固件代码的下载操作，固件下载成功后，退出https协议模式。
所述数据采集终端11包括传感器节点111、数据网关112和数据采集节点113，所述传感器节点111与数据网关112建立连接，数据网关112和数据采集节点113均与远程服务端13建立连接。
所述传感器节点111包括传感器、微控制器和通信接口。
所述数据网关112包括网络模块、微控制器和通信接口。
所述数据采集节点113包括传感器、微控制器和网络模块。
一种远程气象数据监测方法，包括以下步骤：
(1)设备启动后，首先进行系统初始化配置，然后访问远程服务器是否存在固件信息，如果存在新版本固件，下载并校验无误后进行代码区覆写，同时系统复位并进入正常工作模式；
(2)进入正常工作模式后，系统对硬件设备及系统状态进行检测，如果系统工作正常，则开始正常工作模式流程：首先检查服务器是否有控制指令，如远程服务器需要查询系统的状态信息，则将当前系统信息数据进行格式化封装处理，并通过网络模块发送至远程服务端；
(3)若无，则按照预设的数据采集模式采集传感器的数据，并对数据进行格式化封装处理，通过网络模块将数据包发送至远程服务器。
远程服务端13主要处理数据采集终端消息和用户控制终端消息，其主要处理流程如图4所示。
远程服务端13开启后，首先检查消息队列中是否有终端采集设备发送的消息，若存在数据采集终端发送过来的数据，开始流式处理数据，如果发现数据中存在异常值，则发送预警消息到用户控制终端12，若存在数据采集终端11请求数据，开始队列发送数据至数据采集终端11；如果消息队列中存在用户控制终端12的消息，若该消息为数据可视化请求，开始数据可视化处理，并将结果返回至用户控制终端12，若该消息为更新数据采集终端的操作，则发送控制指令到响应的数据采集终端11。
本系统终端的检测设备可以实现无人监管下对户外环境的气象数据进行全自动监测，且设备成本低，体积小，安装方式与可移动性极强，能对较大范围的户外环境进行概要性监测，兼顾局部区域下室内户外的气象环境测量需求，如办公区域、建筑施工现场等。其服务器端接收监测信息后，通过专业的处理逻辑将气象数据放入数据库中，形成大数据后，调用的接口简单，可自由选择所需数据，对其他开发者在一定程度上提供方便。本系统还自带专业客制化的前端展示，方便使用者对采集的数据有更深刻的认知。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。