气象监测系统应用研究

气象监测系统应用研究

司自欣

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摘要：我国气象发展历史源远流长。早在魏晋南北朝时，我国在南京就建有“灵台候楼”，用以观天测候;明，洪武年间，在此地又建立“观象台”，又名“钦天台”，既观气象变化又观天象变化。气象学知识的丰富极大推动了人类历史发展，气象发展的历史源远流长，对于我国农业、军事、水利的发展起到很大的作用。在科学技术和大数据技术迅猛发展的当今时代，气象数据借助于气象监测站、各类传感器可以精确到毫秒级数据传输。在这样的大量数据传输的背景下，对于气象数据的整理归纳、可视化处理成为当前气象数据监测的急需解决的问题。为此，本文重点分析气象监测系统的设计及其应用措施，以期为相关工作者提供参考。

关键词：气象监测；应用措施；系统设计

1.气象监测需求

气象条件数据的可视化处理一直是国家在气象领域关注的重点，同时也是大众在日常生活中最关注的领域。随着大数据和云计算的发展，以及物联网在各个方面的普及，我们采集数据的方式也越来越多样：气象卫星、雷达以及各类传感器，越来越多的数据需要我们的处理，基于Echarts的可视化处理技术拥有丰富的可视化类型、多种数据格式无需转换直接使用、千万数据的前端展现、动态数据、深度的交互式数据探索等特点，以Echarts框架为基础的气象条件监测数据的可视化系统和实现可实现数据动态展现、深度交互的特点。

2.气象监测系统功能

（1）三角支架为监测装置的支撑部件，千分尺角度旋转云台、三脚架微调水平台云台、俯仰角度微调节平台从下往上依次安装在三角支架上，通过旋转千分尺角度旋转云台可设置监测装置０°～３６０°的水平监测方位角；通过调节三脚架微调水平云台提供工作水平面；通过俯仰角度微调节平台设置与工作水平面的夹角为仰角。

（2）激光指向仪设置在俯仰角度微调节平台上，通过俯仰角度微调节平台设置仰角后转动千分尺角度旋转云台，即可对激光光束扫到的障碍物进行标记。反之，利用激光指向仪的标记功能，通过俯仰角度微调节平台调节也可实现仰角测量功能。

（3）测距传感器与激光指向仪同轴设置在俯仰角度微调节平台上，观测点作为坐标原点，系统通过俯仰角度微调节平台设置仰角，电子罗盘传感器、测距传感器采集障碍物方位角及距离数据确定障碍物球坐标位置并将障碍物坐标数据传输给主控机。

（4）工业相机同样与激光指向仪、测距传感器同轴设置在俯仰角度微调节平台上，工业相机图片采集方向与激光指向仪激光光束方向平行，可对激光光束扫描标记到的障碍物图片信息进行采集并传输给主控机。

（5）主控机控制各传感器工作状态，并对传感器传回的数据进行存储处理，结合预制气象探测环境保护监测软，可现场一次性完成气象探测环境评估报告。

3.远程气象监测系统设计

3.1系统结构及原理

本文设计的目的在于监测环境中的各项参数指标，远程、实时地反馈给用户管理平台，帮助用户及时获取数据，分析上传数据的动态，从而采取相应的措施。该系统分为三个部分：第一部分是各类传感器，如温湿度传感器、大气压传感器、风速风向传感器等；第二部分是主控板，包括嵌入式单片机（STM32）、无线通信模块、电源以及RS485接口等各类功能模块；第三部分是远端的数据中心管理平台。

该系统主要完成以下功能：

1）数据采集：通过RS485接口采用Modbus协议向传感器发送请求数据，传感器收到请求数据便进行环境参数的采集，接着向控制器发送所采集到的数据结果；2）数据处理并上传：控制器对采集数据进行处理，按照设计的一套通信协议将数据封装成帧，并对其中的采集数据字段采用AES-128-ECB对称加密算法进行加密，最后通过EC20模块进行4G无线网络的通信将数据包上传至服务器；3）服务器收到数据包后进行协议解析，包括帧格式检查、解密、数据校验等一系列处理，最终将气象数据存入数据库中，方便用户的分析与管理。

3.2系统硬件设计

第一，主控制器采用STMicroelectronics公司推出的STM32F407嵌入式单片机。第二，由威海精讯畅通电子科技提供的温湿度传感器JXBS-3001-TH普遍适用于温湿度监测场合，选用JXBS-3001-QY作为大气压传感器，将JXBS-3001-FS和JXBS-3001-FX分别作为风速、风向传感器。第三，RS485接口与Modbus协议。以上所选传感器均可通过RS485接口与主控制器相连，并使用Modbus协议进行数据通信。Modbus是一种广泛应用于工业自动化领域的一种串行通信协议。第四，无线通信模块。通信模块的选取既要考虑到通信的距离又要保证传输的实时性，即要保证高效快捷、可靠地传输到远程服务器。由于4G无线通信的最大数据传输速率超过100Mbit/s，并且全国范围内4G基站可以实现大范围覆盖。

3.3系统软件设计

第一，STM32控制器软件。开发软件为KeilμVision5，编写程序时可以在该平台上对程序进行调试，最终将代码以十六进制文件的形式下载到芯片中，来控制芯片对于程序指令的实现，从而控制其它模块的工作。第二，数据中心管理平台。对于服务端软件程序的开发，首先选用了市场上比较热门的阿里云平台，它的内部提供了众多的灵活配置，方便项目开发。

4.气象监测系统的应用

随着生产向机械化集中，管理向专业化集中，经营向市场化集中，为保障A县高标准农田建设的高质量，在高标准农田中科学设置苗情、墒情、虫情（AI慧眼智能监测系统）、灾情智慧气象监测设备，提升遥感监测应用水平。

在高标准农田内布设多要素气象观测站、土壤水分站、AI生态气象监测站等现代化自动监测预警设备,实时监测农田雨量、温湿度、风向风速等气象条件，智能识别苗情、墒情、发育期、病虫害等农情信息，融合卫星遥感和智能网格预报技术，建成高标准农田智慧气象监测预警服务系统。集气象要素监测、农情信息研判、农用天气预报、灾害预警发布、农业生产指导、人工影响天气等功能于一体，实现精准分析作物不同发育期敏感气象因子的发生发展情况，精准定位影响粮食生产的风险源头及影响因素，精准推送气象影响预报预警及生产管理措施建议，为基层政府部门、涉农企业及农业合作社、种植农户等提供农业生产管理全链条的精细化、针对性的气象服务，打通气象信息传递的“最后一公里”。

依托AI慧眼智能识别系统，可在病虫害发展初期及时察觉，结合精准的气象预报，农户可掌握虫情实况和发展趋势，及时治“已病”，更扎实地防“未病”。A县小麦即将进入抽穗开花期等重要时期，气象与农业农村局协同联动，共同提醒农户重点防治赤霉病条、条锈病、麦蜘蛛等病虫害。气象部门需要安装升级版的AI慧眼智能识别系统，让“慧眼”可多角度旋转，更精准地捕捉病虫害。

结束语

气象监测系统能更稳定、可靠、全面、快捷地获取地面气象台站探测环境信息，实现了气象探测环境保护从“目测定性”到“定量自动判断数据测算”的质量提升，是推进气象观测质量管理体系建设的重要组成部分。

参考文献

[1]傅桂霞,万隆,宋恺,姜殿波,宿宝臣.面向局部定点区域的微型气象监测系统设计与试验研究[J].科学技术与工程,2021,21(33):14200-14208.

[2] 丁承君,刘强,田军强,朱雪宏.信息物理系统事件驱动下的农业气象监测系统[J].江苏农业学报,2018,34(04):825-834.

[3]程雯.基于物联网的农业气象监测系统在设施大棚中的应用探讨[J].南方农业,2020,14(33):230-231.