CN105911966A - 一种地面气象观测综合集成处理系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种地面气象观测综合集成处理系统，包括嵌入式处理器CPU及与嵌入式处理器CPU连接的程序存储器、数据存储器，嵌入式处理器CPU通过外部总线连接zigbee接收器、门状态检测口、串行通信接口、光纤接口、RJ45接口、USB接口、SD卡接口、CF接口；程序存储器中内置嵌入式多任务实时操作系统、实现集成处理器硬件接口与外围设备数据交换和状态监控的低层驱动程序及完成数据处理、存储、传输、瞬时值质控、综合质量控制、设备管理、状态监控的应用软件。本系统能在设备级实现数据处理、存储、无线和\或有线传输和数据质量控制等，能自动识别传感器，自适应、易维护、可扩展，具有高可靠、高稳定、低功耗、智能化的特点。

Description

一种地面气象观测综合集成处理系统

技术领域

本发明属于地面气象观测综合集成和处理系统技术领域，具体涉及一种地面气象观测综合集成处理系统。

背景技术

随着气象探测技术的发展和进步，气象传感器数字化水平的提高和无线通信传输技术在地面气象观测业务中广泛的应用，现有的地面气象观测综合集成装置虽然解决了通信线路多、端口不统一、可靠性差等问题，但是现有的地面气象观测综合集成装置只具有数据透传功能，无法完成对传感器的管理、数据存储、处理、质量控制等工作，另外采用的通信接口主要基于有线传输，没有达到智能化管理目的，当接入设备较多时，采用级联的方式造成成本高，体积大，另外功耗较大，不适合在无市电接入的台站应用。

发明内容

本发明的目的在于解决上述的技术问题而提供一种地面气象观测综合集成处理系统。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种地面气象观测综合集成处理系统，包括集成处理器，所述集成处理器包括有:

嵌入式处理器CPU以及与所述嵌入式处理器CPU相连接的程序存储器、数据存储器、时钟模块、看门狗模块；所述嵌入式处理器CPU通过外部总线连接zigbee接收器、门状态检测口、串行通信接口、光纤接口、RJ45接口、USB接口、SD卡接口和供电接口；所述串行通信接口包括RS232接口、RS485接口、RS422接口；所述程序存储器中内置嵌入式多任务实时操作系统、建立在嵌入式多任务实时操作系统基础上以实现集成处理器硬件接口与外围设备数据交换和状态监控的低层驱动程序以及用于完成数据处理、存储、传输、瞬时气象值质控、同类要素的内部一致性检查及单要素综合质量控制、设备管理、状态监控功能的应用软件，所述应用软件具有通信命令功能，能够与上位机和数字传感器进行通信。

一个RS232接口连接GPS校时模块，另一个RS232接口可选地连接GPRS通信模块或北斗通信模块，所述USB接口可选地连接一个外存储器或wifi通讯模块，所述SD卡接口连接另一个外存储器，所述供电接口连接供电单元。

所述RS232、RS485和RS422接口可软件设置，所述Zigbee接收器和WIFI通讯模块的功能选择可软件设置。

所述应用软件包括：

主控模块，用于控制完成系统的自检以及初始化工作；

数据采集处理监控模块，用于通过解读传感器唯一序列号的方法实现自动识别符合标准的数字传感器以使数字传感器即插即用、接收自动识别的数字传感器的气象观测数据；采用预设的质量控制方法，控制对气象观测数据进行设备级质量控制以及完成瞬时气象值质控、同类要素的内部一致性检查及单要素综合质量控制以获得准确气象探测数据；控制存储气象观测要素、状态要素信息及日志；控制监控气象观测数据、传感器状态及处理器自身状态以及管理系统日志；控制根据GPS定时对系统进行校时；控制对接收的气象观测数据的导出量以及统计量进行计算处理并上传到上位机；

通信传输模块，用于控制与外围移动设备通过串口、WIFI或USB方式进行数据交互。

所述数字传感器的序列号包括有18位数字和字母，该序列号的顺序排列依次是厂家名称缩写、传感器标识、生产年份、生产批次、生产编号；其中，厂家名称缩写、传感器标识、生产年份、生产编号分别包括4个数字或字母，生产批次包括2个数字或字母。

所述瞬时气象值的判断条件包括预设的气候学下限值与气候学上限值、存疑变化速率与错误变化速率以及在过去一个测量周期内应有的最小变化速率；其中，存疑变化速率对应的数据要上传到上位机验证；

其中，若当前瞬时气象值在预设的气候学下限值与气候学上限值的界限值范围内时标识为正确，否则标识为错误；

若当前瞬时气象值与前一个值的差大于预设的存疑变化速率，则当前瞬时气象值标识为存疑；若大于预设的错误变化速率，则标识为错误；

若在过去的一个测量周期内，瞬时气象值的当前最小应变化速率小于预设的最小应该变化速率，则当前分钟数据标记为存疑。

所述同类要素的内部一致性检查是通过预设的算法及对应的质控码对预设时间段内数据进行同类要素内部一致性检测，内部一致性检查结果分为正确与可疑两种；

所述单要素综合质控是通过对配置的多支传感器所测得的数据两两比较，根据两两的偏差值以及预设的偏差值的允许偏差范围，按预设结果取值方法确定所测得的数据的结果取值；

如果所有偏差值均在允许偏差范围之内，取多支传感器的中间值作为结果取值；

如果所有偏差值有1个不在允许范围之内，取多支传感器的中间值作为结果；

如果仅有1个偏差值在允许范围之内，取形成该偏差值的两支传感器的平均值作为结果取值，该两支传感器的最高与最低值计算是，先计算形成该偏差值的两支传感器的每分钟平均值，再从每分钟平均值序列中挑取；

如果所有偏差值都不在允许偏差范围之内，结果标识为缺测。

所述应用软件还包括有应用软件升级模块，用于通过基于IP的被动升级模式与中心服务器通过有线或无线方式连接实现对系统的应用软件在本地或远程统一进行升级更新。

所述应用软件升级模块为升级客户端，与系统管理中心设置的服务器通过有线或无线方式相连接通过询问反馈的方式进行升级。

所述应用软件可实现由用户通过无线web访问方式在移动智能设备上查看各种数据信息以及对嵌入式处理器进行配置的功能。

所述集成处理器可通过所述zigbee接收器实现自组网而连接多个传感器。

本集成系统能够在设备级实现数据处理、存储、无线和\或有线传输和数据质量控制等功能，该系统能够自动识别传感器，即插即用，达到高效集成的功能，结构简单、加工方便、自适应、易维护、可扩展，达到了高可靠、高稳定、低功耗、智能化的设计要求，解决了多传感器接入、数据相互质量控制及数据传输存在的问题以及现有一个地面气象观测站需要一套中心站软件及综合质量控制需要在中心站软件中完成等技术问题。

附图说明

图1为本发明实施例提供的地面气象观测综合集成处理系统的硬件结构示意图；

图2为本发明实施例提供的地面气象观测综合集成处理系统的应用软件的功能示意图；

图3为本发明实施例提供的序列号标识的示意图；

图4为本发明实施例提供的应用软件升级的流程图；

图5为本发明实施例提供的应用软件升级状态下的设备连接图。

具体实施方式

下面，结合实例对本发明的实质性特点和优势作进一步的说明，但本发明并不局限于所列的实施例。

参见图1-2所示，一种地面气象观测综合集成处理系统，包括集成处理器，所述集成处理器包括有:

高性能的嵌入式处理器CPU，以及与所述嵌入式处理器CPU相连接的程序存储器、数据存储器、时钟模块、看门狗模块；

所述嵌入式处理器CPU通过外部总线连接zigbee接收器、门状态检测口、串行通信接口、光纤接口、RJ45接口、USB接口、SD卡接口和供电接口；所述串行通信接口包括RS232接口、RS485接口、RS422接口；

所述程序存储器中内置嵌入式多任务实时操作系统、建立在嵌入式多任务实时操作系统基础上以实现集成处理器硬件接口与外围设备数据交换和状态监控的低层驱动程序，以及用于通过自动识别符合标准的数字传感器以完成数据的采集，并对采集的数据进行处理、存储、传输、瞬时气象值质控、同类要素的内部一致性检查及单要素综合质量控制、设备管理、状态监控功能的应用软件，所述应用软件具有通信命令功能，能够与上位机和数字传感器进行通信。

需要说明的是，本发明中，所述集成处理器系统可以通过解读传感器序列号的方法实现达到数字传感器能够即插即用的目标，每一个数字传感器具有唯一的序列号标识，该序列号标识由18位数字和字母组成。序列号标识组成可以按“厂家名称缩写-传感器标识-生产年份-生产批次-生产编号”进行标识，这样便于系统的识别处理，参见图3所示，其中，厂家名称缩写、传感器标识、生产年份、生产编号分别包括4个数字或字母，生产批次包括2个数字或字母。

其中的一个RS232接口连接GPS校时模块，另一个RS232接口可选地连接GPRS通信模块或北斗通信模块，所述USB接口可选地连接一个外存储器或WIFI通讯模块，所述SD卡接口连接另一个外存储器，所述供电接口连接供电单元。

所述硬件接口的有线RS232接口、RS485接口可软件设置，所述硬件接口的无线Zigbee接收器和WIFI通讯模块的功能选择可软件设置。

参见图2所示，为了实现数据的有效处理，本发明中，所述应用软件包括：

主控模块，用于控制完成系统的自检以及初始化工作；

数据采集处理监控模块，用于通过解读传感器唯一序列号的方法实现自动识别符合标准的数字传感器以使数字传感器即插即用、接收自动识别的数字传感器的气象观测数据；采用预设的质量控制方法，控制对气象观测数据进行设备级质量控制以及完成瞬时气象值质控、同类要素的内部一致性检查及单要素综合质量控制以获得准确气象探测数据；控制存储气象观测要素、状态要素信息及日志；控制监控气象观测数据、传感器状态及处理器自身状态以及管理系统日志；控制根据GPS定时对系统进行校时；控制对接收的气象观测数据的导出量以及统计量进行计算处理并上传到上位机；

通信传输模块，用于控制与外围移动设备通过串口、WIFI或USB方式进行数据交互。

所述瞬时气象值的判断条件包括：预设的气候学下限值与气候学上限值、存疑变化速率与错误变化速率，以及在过去的一个测量周期内应有的最小变化速率；

其中，当瞬时气象值在预设的气候学下限值与气候学上限值的界限值范围内时标识为正确，否则标识为错误；若当前瞬时气象值与前一个值的差大于预设的存疑变化速率，则当前瞬时气象值标识为存疑；若大于预设的的错误变化速率，则标识为错误；若在过去的一个测量周期内，瞬时气象值的当前最小应变化速率小于预设的最小应该变化速率，则当前分钟数据标记为存疑。

具体的，本发明中所述瞬时气象值质控主要是根据预定的判断条件来判断瞬时气象值是否满足该条件，以判断该瞬时气象值是否正确。

下面，具体说明瞬时气象值的质控具体的方法：

(1)“正确”瞬时气象值数据的基本条件

正确”瞬时气象值数据应满足以下条件：

1)不能超出规定的界限；

2)相邻两个值的变化速率应在允许范围内；

3)在一个测量周期(一般为60分钟)内应有一个最小的变化速率。

(2)“正确”瞬时气象值判断条件

一个“正确”的瞬时气象值应满足条件，可如表1所示。

表1

(3)瞬时气象值“极限范围”检查

1)瞬时气象值，应在可接受的界限(下限、上限)范围内，表中所列界限为气候学界限值。

2)未超出界限值的，标识“正确”，超出的，则标识“错误”。

(4)瞬时气象值的“变化速率”检查

1)检查瞬时气象值的变化速率、不符合实际的尖峰信号或跳变值，以及由传感器故障引起的测量死区。

2)瞬时气象值的“最大允许变化速率”

当前瞬时气象值与前一个值的差大于表1中“存疑变化速率”，则当前瞬时气象值标识为“存疑”。若大于表1中的“错误变化速率”，则标识为“错误”。

说明的是，在极端天气条件下，瞬时气象值可能会发生异常变化，正确的数据有可能被标上“存疑”。所以“存疑”数据应传输至上位机，作进一步验证。

3)瞬时气象值的“过去60分钟内最小应该变化速率”，

在过去的60分钟内，瞬时气象值的“最小应该变化速率”，小于最小应该变化速率，则当前分钟数据应标记“存疑”。

下面，具体说明本发明中所述同类要素内部一致性检查质控方法。

集成处理器需要对预定时间段的数据，如小时数据进行同类要素内部一致性检测，内部一致性检查结果为正确(编码为0)、可疑(编码为1)。

同类要素内部一致性检查采用数据内部一致性检查算法进行，见表2的数据内部一致性检查算法列表：

表2

表2中，所有下标为n代表正点气象要素值，下标为h代表最高气象值，下标为l代表最低气象值；F10为10分钟风速，F02为2分钟风速，Fmost极大风速，Fmax为最大风速；f₃(X_n)代表相应要素的质控码。

本发明中，所述单要素的综合质量控制主要是采用如下方法：

通过对配置的多支传感器所测得的数据两两比较，根据两两的偏差值以及预设的偏差值的允许偏差范围，按预设结果取值方法确定所测得的数据的结果取值；

如果所有偏差值均在允许偏差范围之内，取多支传感器的中间值作为结果取值；

如果所有偏差值有1个不在允许范围之内，取多支传感器的中间值作为结果；

如果仅有1个偏差值在允许范围之内，取形成该偏差值的两支传感器的平均值作为结果取值，该两支传感器的最高与最低值计算是，先计算形成该偏差值的两支传感器的每分钟平均值，再从每分钟平均值序列中挑取；

如果所有偏差值都不在允许偏差范围之内，结果标识为缺测。

下面以配置3支传感器为例说明，当同时配置3支传感器时，需对3支传感器所测得的数据相互比较，根据两两偏差确定取值。

第一步：两两计算偏差。

D12＝|T1-T2|

D23＝|T2–T3|

D31＝|T3–T1|

其中，T1，T2，T3为3支传感器的即瞬时值，D12，D23，D31分别为两两之间的差值，若某一个传感器出现缺失，相关的差值Dij按缺失处理。

第二步：定义两两偏差允许范围。

根据最大允许误差确定偏差允许范围Tol(i,j)。

1)如果Dij≤Tol(i,j)，Dij在允许范围之内；

2)如果Dij＞Tol(i,j)，Dij在允许范围之外；

3)Dij缺失时，按在允许范围之外处理。

第三步：计算结果。

1)如果Dij均在允许范围之内，取T1，T2，T3的中间值作为结果。

2)如果Dij有2个在允许范围之内，取T1，T2，T3的中间值作为结果。

3)如果仅有1个Dij在允许范围之内，取形成该Dij的两支传感器的平均值作为结果，最高与最低值计算方法：先计算形成该Dij的两支传感器的每分钟平均值，再从每分钟平均值序列中挑取。

4)如果所有Dij都不在允许范围之内，结果标识为缺测。

进一步的，本发明中，所述应用软件还包括有实现本地和远程应用软件升级功能的应用软件升级模块，用于通过基于IP的被动升级模式与中心服务器通过有线或无线方式连接实现对系统的应用软件在本地或远程统一进行升级更新。

具体实现上，本发明中，所述应用软件升级模块为升级向客户端，与系统管理中心设置的服务器过有线或无线方式相连接通过询问反馈的方式进行升级。

本发明中，所述应用软件还可以实现由用户通过无线web访问方式在移动智能设备上查看各种数据信息以及对嵌入式处理器进行配置的功能。

参见图3-4所示，具体的，升级时，采用基于IP升级模式，每个集成处理器上运行一个升级客户端，在系统管理中心设置一个服务器20(连接操作控制设备30)，与集成处理器上的客户端连接，可以实现对多个集成处理器，如第一集成处理器10-1，第二集成处理器10-2，第三集成处理器10-3，第四集成处理器10-4，第五集成处理器10-5进行统一升级，需要升级时首先询问当前版本，如果当前版本是最新版本则不需要升级，否则发送升级命令通知客户端准备下载升级程序，进行升级，并反馈升级状态信息。

其中，本发明中，所述地面气象观测综合集成处理系统的集成处理器，可通过所述zigbee接收器实现自级网而连接多个传感器。

本发明中，所述集成系统可以采用两种外围接口方式：一种是4个端口，另一种是16个端口，其中4个端口地面气象观测综合集成装置，可采用ZigBee无线传输方式，具有自组网能力，能够同时接入255个传感器；另一种的16个端口地面气象观测综合集成装置采用有线传输方式，能够同时接入16个传感器。

需要说明的是，本发明中，嵌入式处理器通过无线方式可实现在移动智能设备上查看各种数据信息以及对嵌入式处理器进行配置；由于本发明系统设有多个接口，通过外部总线连接嵌入式处理器，因而使得硬件接口具有可灵活配置功能，另外通过软件配置识别功能，可实现对符合标准的所连接的设备能即插即用。

另外，本发明系统接口丰富，有线、无线可选择使用，如有线接口RS232、4RS85、RS2342，无线接口如Zigbee和WIFI，方便选择使用或同时使用，从而使得系统根据实际需要选择或配置。

以上分析，可以看出，本集成系统能够在设备级实现数据处理、存储、无线和\或有线传输和数据质量控制等功能，该系统能够自动识别传感器，即插即用，达到高效集成功能，结构简单、加工方便、自适应、易维护、可扩展，达到了高可靠、高稳定、低功耗、智能化的设计要求，解决了多传感器接入、数据相互质量控制及数据传输存在的问题以及现有一个地面气象观测站需要一套中心站软件及综合质量控制需要在中心站软件中完成等技术问题。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种地面气象观测综合集成处理系统，其特征在于，包括集成处理器，所述集成处理器包括有:

嵌入式处理器CPU以及与所述嵌入式处理器CPU相连接的程序存储器、数据存储器、时钟模块、看门狗模块；所述嵌入式处理器CPU通过外部总线连接zigbee接收器、门状态检测口、串行通信接口、光纤接口、RJ45接口、USB接口、SD卡接口和供电接口；所述串行通信接口包括RS232接口、RS485接口、RS422接口；所述程序存储器中内置嵌入式多任务实时操作系统、建立在嵌入式多任务实时操作系统基础上以实现集成处理器硬件接口与外围设备数据交换和状态监控的低层驱动程序以及用于完成数据处理、存储、传输、瞬时气象值质控、同类要素的内部一致性检查及单要素综合质量控制、设备管理、状态监控功能的应用软件，所述应用软件具有通信命令功能，能够与上位机和数字传感器进行通信。

2.根据权利要求1所述地面气象观测综合集成处理系统，其特征在于，一个RS232接口连接GPS校时模块，另一个RS232接口可选地连接GPRS通信模块或北斗通信模块，所述USB接口可选地连接一个外存储器或wifi通讯模块，所述SD卡接口连接另一个外存储器，所述供电接口连接供电单元。

3.根据权利要求2所述地面气象观测综合集成处理系统，其特征在于，所述RS232接口、RS485接口和RS422接口可软件设置，所述Zigbee接收器和WIFI通讯模块的功能选择可软件设置。

4.根据权利要求1所述地面气象观测综合集成处理系统，其特征在于，所述应用软件包括：

主控模块，用于控制完成系统的自检以及初始化工作；

数据采集处理监控模块，用于通过解读传感器唯一序列号的方法实现自动识别符合标准的数字传感器以使数字传感器即插即用、接收自动识别的数字传感器的气象观测数据；采用预设的质量控制方法，控制对气象观测数据进行设备级质量控制以及完成瞬时气象值质控、同类要素的内部一致性检查及单要素综合质量控制以获得准确气象探测数据；控制存储气象观测要素、状态要素信息及日志；控制监控气象观测数据、传感器状态及处理器自身状态以及管理系统日志；控制根据GPS定时对系统进行校时；控制对接收的气象观测数据的导出量以及统计量进行计算处理并上传到上位机；

通信传输模块，用于控制与外围移动设备通过串口、WIFI或USB方式进行数据交互。

5.根据权利要求4所述地面气象观测综合集成处理系统，其特征在于，所述数字传感器的序列号包括有18位数字和字母，该序列号的顺序排列依次是厂家名称缩写、传感器标识、生产年份、生产批次、生产编号；其中，厂家名称缩写、传感器标识、生产年份、生产编号分别包括4个数字或字母，生产批次包括2个数字或字母。

6.根据权利要求4所述地面气象观测综合集成处理系统，其特征在于，

所述瞬时气象值的判断条件包括预设的气候学下限值与气候学上限值、存疑变化速率与错误变化速率以及在过去一个测量周期内应有的最小变化速率；其中，存疑变化速率对应的数据要上传到上位机验证；

其中，若当前瞬时气象值在预设的气候学下限值与气候学上限值的界限值范围内时标识为正确，否则标识为错误；

若当前瞬时气象值与前一个值的差大于预设的存疑变化速率，则当前瞬时气象值标识为存疑；若大于预设的错误变化速率，则标识为错误；

若在过去的一个测量周期内，瞬时气象值的当前最小应变化速率小于预设的最小应该变化速率，则当前分钟数据标记为存疑；

所述同类要素的内部一致性检查是通过预设的算法及对应的质控码对预设时间段内数据进行同类要素内部一致性检测，内部一致性检查结果分为正确与可疑两种；

所述单要素综合质控是通过对配置的多支传感器所测得的数据两两比较，根据两两的偏差值以及预设的偏差值的允许偏差范围，按预设结果取值方法确定所测得的数据的结果取值；

如果所有偏差值均在允许偏差范围之内，取多支传感器的中间值作为结果取值；如果所有偏差值有1个不在允许范围之内，取多支传感器的中间值作为结果；如果仅有1个偏差值在允许范围之内，取形成该偏差值的两支传感器的平均值作为结果取值，该两支传感器的最高与最低值计算是，先计算形成该偏差值的两支传感器的每分钟平均值，再从每分钟平均值序列中挑取；

如果所有偏差值都不在允许偏差范围之内，结果标识为缺测。

7.根据权利要求1所述地面气象观测综合集成处理系统，其特征在于，所述应用软件还包括有应用软件升级模块，用于通过基于IP的被动升级模式与中心服务器通过有线或无线方式连接实现对系统的应用软件在本地或远程统一进行升级更新。

8.根据权利要求7所述地面气象观测综合集成处理系统，其特征在于，所述应用软件升级模块为升级客户端，与系统管理中心设置的服务器通过有线或无线方式相连接通过询问反馈的方式进行升级。

9.根据权利要求8所述地面气象观测综合集成处理系统，其特征在于，所述应用软件可实现由用户通过无线web访问方式在移动智能设备上查看各种数据信息以及对嵌入式处理器进行配置的功能。

10.根据权利要求1-9任一项所述地面气象观测综合集成处理系统，其特征在于，所述集成处理器可通过所述zigbee接收器实现自组网而连接多个传感器。