嵌入式自动气象站智能维修终端的开发及应用

谭晗凌，邹庆彪，黄飞龙，周嘉健

（广东省气象探测数据中心，广东广州 510080）

根据广东省气象局站点信息管理系统的统计资料显示，目前广东省的自动气象站已经超过3 000个，其中包括大量野外运行的站点，如海岛站、石油平台等。布设大量的站点有利于提升气象数据的分辨率，但气象观测设备的稳定可靠运行离不开维护人员的日常维护工作，大量站点增加了日常维护和故障出现的次数，极大地加重了维护保障人员的工作负担。除此之外，目前维护保障人员对自动气象站进行巡检维护时普遍采用笔记本电脑加串口调试线的传统模式，该模式应用于野外等复杂环境时有着诸多的缺点：（1）笔记本电脑及相关调试设备不易携带；（2）不同的设备调试软件、指令各不相同，维护人员需要全部掌握，学习成本高昂；（3）风向、风速和雨量等距离采集器较远的设备进行调试时需要多人协同操作，在人手不足的情况下尤为困难［1］。这些缺点为开展野外巡检保障工作增加了难度，也增加了保障人员的工作负担。如何有效地减轻保障人员的工作负担，提高巡检人员的工作效率，是目前亟待解决的问题。

本研究针对上述存在的问题，设计开发了一套基于嵌入式WebSocket技术的自动气象站智能维修终端。该终端具有体积小、续航久、功能全、简单易用等优点，能完成DTU一键配置、串口通讯调试、数据采集、采集器固件升级、传感器数据模拟等功能，有效地减轻了保障人员的工作负担，极大地提高了维护效率。目前该终端已成功应用于广东省自动气象站维护维修工作中。

1 智能维修终端架构设计

1.1 终端架构

为满足体积小、续航久、功能全、简单易用的特点，该终端采用Esp32的嵌入式平台进行开发。通过对Esp32的开发，使其能够提供Web服务和WebSocket通讯服务。为了满足跨平台的要求，免去App的安装要求，客户端采用基于Htm l5技术来编写并保存在SD卡中。维护保障人员首先通过WiFi连接Esp32，然后通过手机浏览器访问客户端，完成与终端的交互［2-5］，终端的架构如图1所示。设计基于嵌入式WEB和无线通信技术的自动站智能维护终端，将从很大程度上解决传统自动站维护模式带来的诸多问题。

图1 智能维修终端架构示意图

1.2 硬件设计

1）硬件架构。

智能维修终端的硬件框架主要包含MCU控制器单元Esp32、TTL转RS232数据通信单元、电源管理模块、PWM和DAC信号发生模块、SD卡模块等（图2）。其中MCU模块用于提供WEB服务和WebSocket服务；SD卡模块用于存放App客户端和用于升级的采集器固件等；电源模块用于提供稳定的电源和给锂电池充电；PWM 和DAC信号控制单元可产生模拟电压，用于快速辨别故障［6］。

图2 智能维修终端的硬件框架示意图

2）电源管理模块。

考虑到户外维修的实际情况，智能维修终端需要兼顾体积和续航。为满足一天5 h的维护时长，电池采用聚合物锂电池。电源管理芯片采用IP5306，该模块集成了升压转换、电量指示等功能。只需要简单的外围电路就能够提供最大2.4 A的输出电流，同时效率高达96%以上。电源电路如图3所示，其中4颗LED灯用来显示电量，电容用来防止电源的杂波干扰。

图3 电源电路图

3）数据通信模块。

由于MCU输出的是TTL电平，因此需要TTL转RS232模块进行电平转换才能与采集器的串口进行正常通信。串口通信模块采用SP3232芯片进行电平转换，该芯片由SIPEX公司生产，具有低功耗、高速率以及只需要少量电容的优点。具体外围电路原理接线如图4所示，其中C2—C4为规格大小仅0.1μF的电荷泵电容，用以产生RS232电平，两个LED灯用来指示收发数据［7］。

图4 数据通信模块原理示意图

1.3 嵌入式软件设计

1）嵌入式Web服务。

嵌入式Web技术核心是如何有效利用嵌入式系统有限资源运行TCP／IP，使系统具有网络通信功能，并在此基础上开发特定功能Web应用。整套系统包含实现TCP／IP协议应用层的HTTP服务和WebSocket服务两部分。由于嵌入式设备的资源与处理能力有限，为了尽可能地提高Web服务性能，采取了Gzip压缩和服务器缓存技术以加快服务器的响应时间。当客户端访问服务器中的静态文件时，服务器便将网页内容压缩后传输给客户端，一般对纯文本内容可压缩到原大小的40%。同时采用Last-Modified来优化性能，客户端如果缓存过文件，下次再向服务器请求时将附带客户端已缓存的时间参数，服务器接收请求后将对时间参数进行比较，如果时间参数不一致则将发送新的文件给客户端，否则客户端将使用本地缓存文件，从而有效地减小不必要的服务器硬件开销。

2）采集器固件升级功能。

广东省的采集器固件升级严格遵循YModem协议，采用标准RS232进行通讯。YModem协议要求每一份传输帧由帧头、序号、数据包、校验码等组成，并在结尾处加入CRC校验，以提升数据传输质量，每份包最大可包含1 024个字节。

一次完整固件升级平均耗时在3 min左右。如果升级过程采用WebSocket实时通讯方案，用户会有长达几分钟的时间无法进行其他操作，影响用户体验。为了提升用户使用感受，终端在收到升级命令后，将会自行进入升级模式，从SD卡中读取所需固件给采集器升级，数据传输过程中不需要手机控制，升级流程如图5所示升级结束后指示灯停止闪烁［8］。

图5 固件升级流程示意图

3）传感器信号模拟功能。

根据周嘉健等［9］对自动站故障情况的分析，湿度、蒸发等电压模拟量输出范围都在0～3 V以内，因此用Esp32的DAC模块即可实现。当采集要素出现故障时，通过终端的脉冲宽度调制模块和数模转换器模块，产生标准信号输入给采集器，用来快速定位故障来自采集器还是传感器。其中，高级模式可以按需求设置模拟信号的周期、占空比，以及分辨率［10］。风速传感器是脉冲频率信号，因此可以用PWM信号来模拟风速传感器，风速与频率的关系为v＝0.32＋0.049f，因此通过改变PWM的周期即可模拟不同的风速。

2 智能维修终端实际应用

2.1 智能维修终端实物

3D打印技术的兴起使得开发者仅凭借3D图纸就能制造出各种不规则形状的零件，相较于传统的生产方式，3D打印技术也大幅缩短了研制周期。维修终端外壳采用3D打印技术选择SLA光敏树脂材料，尺寸为10 cm×20 cm×20 cm，配有一个RS232串口接头、USB充电口、SD卡槽，采用按钮开关。

2.2 故障排查实例

维护人员发现采集器的风速值偏大，首先将维修终端替换至采集器接线板的风速口，再通过手机连接到智能维修终端，选择输出5.2 m／s的天津风速。此时发现采集器采样的值为10 m／s，因此很有可能是将传感器型号错选成了长春风，在参数设置界面发现确实如此，传感器类型改回天津风后，风速采样恢复正常。而这类问题在低风速情况下，传感器类型设置不同风速采样值的差别并不明显。现场如果风速不大，保障人员经常会错误的认为没有故障。而有了维修终端后，就能快速地定位问题。

为减轻自动气象站维护保障人员在海岛、高山等野外复杂工作环境的工作负担，本研究针对自动气象站实际维护工作中的难点，开发了基于嵌入式平台的智能维修终端，实现了DTU参数设置、采集器固件升级、传感器模拟等实用功能。用户可以针对实际工作需要对终端进行二次开发，优化软件界面及支持更多功能模块等。经地市级台站保障人员试用，终端运行稳定、操作简单、体积小巧、续航时间长，具有较强的实用性，解决了高山、海岛等恶劣环境维护时遇到的困难，有效地提高了维护保障人员的工作效率。