CN102169194A - 区域性气象感知预报系统 - Google Patents

Abstract

区域性气象感知预报系统，属于气象信息采集和预报技术领域，其特征在于含有：环境信息采集节点；中心站和用户设备。环境信息采集节点包括固定节点和移动节点，是指采集当前所在区域环境信息的专用设备；中心站是指实现环境信息整合和短期天气预报的固定设备；用户设备是指接收附近环境信息采集节点广播的信息，并呈现给用户的通用设备或专用设备。本发明将监控的地区划分为不同的区域，环境信息采集节点按照区域进行环境信息采集，发送到中心站处进行分别处理，以达到区域性气象感知预报的目的。本发明具有组建方便，实用性强的好处，并且不会与现有广泛区域天气预报系统相冲突。

Description

区域性气象感知预报系统

技术领域：

本发明涉及气象信息采集和预报技术领域，特别涉及一种区域性气象预报系统。

背景技术：

气象预报和人们的生活息息相关。由于天气预报技术的进步和处理手段的发展，目前预报较长时间内的气象变化已经成为可能，并且拥有较高的准确率。另一方面，随着人们生活水平的不断提高，普通民众对于生活质量的要求也不断升高，希望能够得知更精细，更准确的天气变化情况，从而可以更好的安排着装，工作和出行。因此，气象预报已经成为人们生活中越来越不可或缺的一部分。

但是目前大部分气象预报都是针对广泛区域的，如一个城市或一个城区等，即使有针对小范围区域的气象预报，针对地区也往往是旅游景点或特殊区域，如火山等，具有很强的专业性，不容易普及到一般人的日常生活中。另一方面，由于气象具有局部性和易变性，即使在同一个城市里，不同地区的气象状况也往往不尽相同，经常会出现“东边日出西边雨”的情况。事实上，对于普通用户而言，他们的活动范围一般只会局限在一个有限的区域内，因此他们也只会关心这个有限区域内的气象变化情况，如该区域未来几小时内会不会下雨，会不会出现大风天气，以便做出及时应对。另外，普通的气象预报只能提供给用户一些泛泛的气象信息，如温度，紫外线辐射度，风力等，而很多更加精细的内容，由于不同区域有不同情况，普通气象预报无法提供给用户，如二氧化碳浓度，空气湿度，风速，大气压力等，而这些环境信息恰好是用户需要了解的，对于他们的生活，工作，出行都有极为重要的用途。基于上述考虑，迫切需要一种区域性的气象感知预报系统，能够为用户提供周围环境信息和小范围的气象预报。

发明内容：

本发明的目的是提供一种区域性的气象感知预报系统。该系统主要含有环境信息采集节点，中心站和用户设备。环境信息采集节点是区域性气象感知预报系统的基础，具体又分为固定节点和移动节点。固定节点是事前已经布置在特定区域的，位置一般保持固定不变。移动节点一般以某种可移动的物体作为载体，如汽车等，这样节点的位置可以随时移动，便于覆盖固定节点无法覆盖的区域，而且当某一区域的固定节点出现损坏时，移动节点还可以作为临时节点加入，保证网络的连通性。环境信息采集节点上都集成了可以采集温度，湿度，风速，风向，日辐射度，大气压力等环境信息的传感器，可以对周边的环境信息进行实时测量。环境信息采集节点上集成了通信网关，可以与中心站和用户设备分别进行组网。移动节点上还集成了GPS设备，可以对当前的位置进行实时的测量，便于确定当前节点的位置信息。系统的整体架构如图1所示。

中心站是区域性气象感知预报系统的核心。中心站具有强大的存储和处理能力，并具备独有的气象预报算法。由于中心站安装有通信网关，可以按照某种网络通信协议(如IEEE802.16协议)与环境信息采集节点进行组网，周期性地接收来自环境信息采集节点的当前环境信息。中心站会对环境信息采集节点发来的当前环境信息进行整合，结合存储器中存储的最近一段时间内的环境情况，对短期内的气象变化情况做出预测，再通过网络发送给环境信息采集节点。

用户设备是区域性气象感知预报系统的终端。用户设备主要包括通信网关和上层的解析处理程序，可以按照某种网络通信协议(如IEEE 802.15.4协议)与环境信息采集节点进行组网。用户设备的主要目的是接收环境信息采集节点广播的环境状况和气象预报，并以形象的方式呈现给用户。用户设备可以是专门为区域性气象感知预报系统搭配的专业设备，其优点是处理和存储能力强，接收灵敏度高；也可以是加入可移植的配件和上层处理程序的通用设备，如手机，PDA等，其优点是普适性强，便于用户接受。

本发明提出的系统通过将监控地区划分为不同的区域，再对不同区域进行独立的环境检测和气象预报，从而实现区域性的气象感知预报功能。本发明舍弃了现有气象预报中大范围监测和统一处理的气象预报方式，将气象预报的维度缩小到公里范围内，虽然在气象预报的时间跨度上会有所损失，但是在精确度和准确性上却会有本质的提升，能够更加真实的反映出人们身边的环境状况和气象变化趋势。由于大部分用户的活动范围一般只会局限在一个有限的区域内(如一幢办公楼内，或一所学校内)，因此与传统的气象预报相比，本发明更为贴近用户的生活，也更容易为用户所接受。

本发明的核心在于将区域进行划分的思想。按照某种规则(如地理位置，包含机构，区域功能等)将监控地区划分为不同的区域，并分别对每个区域进行编号，区域的范围和位置会与编号形成一张对应表，存储在中心站的存储设备中。在一个区域内所有的固定节点都会被赋予与该区域相同的编号，这样区域编号会附加到固定节点采集到的每条信息中；移动节点带有GPS设备，会将GPS信息附加到采集到的每条信息中，这些环境信息自然而然会带有独特的区域性。当这些区域性环境信息被传输到中心站后，中心站通过查阅对应表，将不同区域的环境信息分别进行整合处理，得到的就是每一个区域单独的气象预报信息。中心站将区域编号附加到各自区域的气象预报信息之上，发送给每个区域的环境信息采集节点，再与环境信息采集节点采集到的该区域的环境状况信息相融合，形成区域性极强的气象感知预报信息，最终呈现给用户。

本发明的关键在于环境信息采集节点。环境信息采集节点安装有多个可以测量环境状况的传感器，可以实时测量温度，湿度，风力，风向，紫外线辐射度，大气压力等环境信息。更重要的是，环境信息采集节点安装有通信网关，可以与中心站和用户设备分别进行组网，以便进行信息的传输。特别需要说明的是，环境信息采集节点与中心站和用户设备进行组网的通信协议，可以保持一致，如都采用IEEE 802.16协议，也可以不一致，如环境信息采集节点与中心站采用IEEE 802.16协议进行组网，环境信息采集节点与用户设备采用IEEE802.15.4协议进行组网。为了避免环境信息采集节点与中心站和用户设备分别进行通信时发生冲突，我们一般选择两种不同的通信协议分别进行组网，这样就会有效避免冲突重传的问题，提高通信效率。

附图说明：

图1是区域性气象感知预报系统整体架构图。

图2是区域性气象感知预报系统通信图。

图3是区域性气象感知预报系统通信架构图举例。

图4是区域性气象感知预报系统工作周期图。

图5是中心站通信时序图。

图6是环境信息采集节点通信时序图。

图7是环境综合信息广播范围图。

具体实施方案：

在搭建区域性气象感知预报系统之前，首先将需要监测的地区分成不同的具体区域，并给予每一个区域一个特定的编号。在布置固定节点时，为每一个固定节点设定该区域的区域编号，以区分它所在的区域。在中心站处存储一张区域编号与区域地点的对应表，这样中心站就可以根据区域编号判断出固定节点所在的区域；移动节点带有GPS模块，会在上传的环境状况信息中加入GPS信息，中心站对GPS信息进行分析，再与每个区域的边界范围进行比较，就可以判断移动节点当前所在的区域了。中心站根据环境信息采集节点所在的位置，将在同一区域内的环境信息分到同一组，再分别进行存储和后续处理。这样，只有在同一区域内的环境状况信息才会被整合，并进行后续的气象预报处理，大大提高了气象预报的精细程度，达到了区域性气象预报的目的。

本发明提出的气象感知预报系统在实际运作时，一般进行周期性的通信和数据处理。在一个通信周期中，环境信息采集节点需要分别与中心站和用户设备进行通信，交互类型完全不同的数据，如图2所示。我们一般为环境信息采集节点和中心站的组网，以及环境信息采集节点和用户设备的组网选择不同的网络协议。假设环境信息采集节点和中心站采用IEEE 802.16协议进行组网，环境信息采集节点和用户设备采用IEEE 802.15.4协议进行组网，那么本系统的网络构架将如图3所示。在数据传输过程中，我们把环境信息采集节点发送给中心站的信息称为环境状况信息，是未经处理的原始环境信息；中心站发送给环境信息采集节点的信息称为气象预报信息，是中心站经过处理得到的气象变化情况；环境信息采集节点发送给用户设备的信息称为气象综合信息，是环境状况信息和气象预报信息经过整合后得到的综合信息，具有最大的信息量。如果按照气象感知预报系统中不同部件的工作流程进行分类，每个工作周期可以分为三个部分，分别是环境数据采集部分，气象信息预报部分，综合信息广播部分，其中三个部分在通信部分有所重叠，如图4所示。

在环境数据采集部分中，主要工作部件是环境信息采集节点。其工作流程如下：

(1)环境信息采集节点通过各种传感器采集环境信息。

(2)环境信息采集节点对各种环境信息进行整合，并加入区域信息。其中固定节点加入区域编号，移动节点加入GPS信息。最终组成称为特定格式的数据包。

(3)将整合完毕的数据包发送给中心站。

(4)等待接收中心站处理得到的气象预报信息。在此过程中，转发其他节点向中心站发送的环境状况信息。

环境信息采集节点发送给中心站的环境状况信息指令格式如表1所示：

节点类型

节点位置

时间编号

环境状况

表1.环境状况信息指令格式

其中节点类型用于区分固定节点和移动节点，从而决定之后的节点位置信息的具体类型。节点位置用于标定该环境信息采集节点所处的地理位置，如果是固定节点，节点位置用其区域编号表示，如果是移动节点，节点位置用GPS信息表示。时间编号用于标定信息发出的时间，由于气象预报具有时间的累加性，因此气象信息的先后顺序对于预报的准确性至关重要，中心站会根据信息的标定时间决定其存储和处理的顺序；另外时间编号也可以区分通过不同路径到达中心站的相同信息，避免重复存储和处理。环境状况包含了节点实时采集到的环境数据，如温度，湿度，风速，风向，日辐射度，大气压力等。

在气象信息预报部分，主要工作部件是中心站。其工作流程如下：

(1)中心站接收来自不同区域的环境状况信息。并将其存储在相应的存储位置。

(2)中心站对不同区域的环境信息分别进行处理，结合最新到达的信息和之前存储的信息，预测最近一段时间该区域的气象变化情况。

(3)中心站将每个区域的气象预报信息依次进行发送。

(4)中心站发布同步信息和时序调整信息，对整个区域的节点进行同步和时序调整。

具体而言，对于中心站而言，每一个工作周期分为接收部分，处理部分，发送部分和时序调整部分，如图5所示。接收部分中，中心站接收来自环境信息采集节点的信息，由于需要对不同区域的环境信息分别进行处理，因此中心站需要对不同区域进行时序分配，各区域按照分配好的时序依次进行数据传输；在每个区域的传输时序内，固定节点和移动节点也需要按照次序依次进行传输，否则会造成传输过程中大量的冲突，导致传输效率降低。处理部分中，中心站对接收到的信息按照区域分类进行存储，并与之前存储的信息相结合，进行短时间的气象预报。发送部分中，中心站将计算得到的气象变化情况按照区域发送给环境信息采集节点，在发送过程中，如同接收过程一般，中心站也会对每个区域，以及每个区域内的固定节点和移动节点分配确定的时序，以确保传输效率，需要特别说明的是，由于每个区域的气象预报是根据整个区域内的环境信息综合整理计算得到的，因此每个区域只会产生一份气象预报信息，在发送给固定节点时只会发送一次，不会针对不同节点进行重复发送，而移动节点由于没有确定的区域编号信息，因此需要单独进行发送。时序调整部分中，如果有新加入系统的节点，中心站将为这些新加入的节点分配时间，并将调整过的时序广播给全部环境信息采集节点；每隔几个周期，中心站还会对整个区域的节点进行同步时序调整，确保所有节点与中心站的同步性。如果没有新加入的节点，也无需进行同步时序调整，时序调整部分将不进行任何操作。

中心站发送给环境信息采集节点的信息指令格式如表2所示：

区域编号

节点编号

时间编号

气象变化情况

表2.气象预报信息指令格式

其中区域编号用于区分不同区域的固定节点，与各个区域在中心站处存储的区域编号相对应；移动节点没有固定的区域编号，但存在特定的序列号，节点编号用于区分不同区域的移动节点，与各个移动节点的序列号相对应；当前时间用于标定该预报信息发送的先后顺序；气象变化情况中包含了未来短时间内该区域的气象变化趋势，如温度的升降，湿度的高低，下雨的可能性等。

在综合信息广播部分，主要工作部件是环境信息采集节点。其工作流程如下：

(1)环境信息采集节点接收来自中心站的气象预报信息，并存储在特定的区域。

(2)环境信息采集节点将环境状况信息与气象预报信息进行整合，按照特定的格式组合成为环境综合信息。

(3)环境信息采集节点将环境综合信息在本区域内进行广播。

具体而言，环境信息采集节点接收信息时，根据气象预报信息中包含的位置信息判断该气象预报信息是否发送给自己，并对属于该区域的气象预报信息进行解析和存储。由于环境信息采集节点的存储量有限，而且对于用户而言，只有最近的气象预报情况才有参考价值，因此每当新的气象预报信息到达后，原先存储的气象预报信息将被替换。

同时，环境信息采集节点周期性向外广播环境综合信息。因此在一个工作周期中，其时序安排如图6所示。通过调整环境信息采集节点的发送功率，可以使得一个区域内的环境信息采集节点的发送范围得到控制，使其仅仅局限在当前区域内，而不会与其他区域的环境信息采集节点发生冲突，如图7所示。我们一般为环境信息采集节点和中心站组网，以及环境信息采集节点和用户设备组网选择不同的网络协议，如环境信息采集节点与中心站采用IEEE 802.16协议进行组网，环境信息采集节点与用户设备采用IEEE 802.15.4协议进行组网。这样环境综合信息的周期性广播不会影响环境信息采集节点发送环境状况信息和接收气象预报信息，可以与后两者在同一时段进行传输，提高了整个系统的工作效率。

环境信息采集节点发送给用户设备的环境综合信息指令格式如表3所示：

位置信息

时间信息

环境状况

气象变化情况

表3.环境综合信息指令格式

其中位置信息用于提示用户当前所处的地理位置；时间信息向用户提供该环境综合信息发送的时间，可以给予用户实时性的感觉；环境状况向用户提供周围环境的基本情况，如温度，湿度，风速，风向，日辐射度，大气压力等；气象变化情况向用户提供当前区域内气象的变化趋势，如温度的升降，湿度的高低，下雨的可能性等，便于用户提前做好准备。

Claims (8)

1.区域性气象感知预报系统，包括中心站，环境信息采集节点和用户设备。其特征在于环境信息采集节点包含温度，湿度，风速，风向，日辐射度，大气压力等环境传感器，以及用于组网的通信网关。

2.根据权利要求1所述的区域性气象感知预报系统，其特征在于中心站包含与环境信息采集节点进行组网的通信网关，存储环境信息的存储设备，以及进行气象预报操作的处理器。

3.根据权利要求1所述的区域性气象感知预报系统，其特征在于用户设备带有与环境信息采集节点进行组网的通信网关，用户设备可以是为本系统专门制作的专用设备，也可以是加入了适当配件的通用设备。

4.根据权利要求1所述的区域性气象感知预报系统，其特征在于环境信息采集节点包括固定节点和移动节点，可以根据不同的区域情况进行搭配使用。

5.根据权利要求1所述的区域性气象感知预报系统，其特征在于固定节点按照区域进行布置和编号，向中心站发送带有特定编号的区域性环境信息。

6.根据权利要求1所述的区域性气象感知预报系统，其特征在于移动节点上面带有GPS功能，可以向中心站发送带有方位内容的环境信息，中心站可以根据方位内容将收到的信息归入到相应的区域进行整合。

7.根据权利要求1所述的区域性气象感知预报系统，其特征在于中心站与环境信息采集节点之间采用某种网络通信协议(如IEEE 802.16协议)进行组网，环境信息采集节点将采集到的环境信息发送到中心站处，中心站将收到的环境信息根据区域进行分类存储和整理计算，得到气象预报信息后再发送给相应区域的特定节点。

8.根据权利要求1所述的区域性气象感知预报系统，其特征在于环境信息采集节点与用户设备之间采用某种通信协议(如IEEE 802.15.4协议)进行组网，环境信息采集节点周期性向用户设备广播环境状况和气象预报信息。

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