处理气象数据的模组及数据处理方法与流程

1.本公开涉及气象观测技术领域，具体涉及一种处理气象数据的模组及数据处理方法。


背景技术：

2.中国气象局现有业务化自动观测站7万个，这些站点通过气象传感器对包括温度、湿度、气压、风、降水等大气状态进行实时观测、这些观测数据通过通讯设备传输到业务软件平台。气象数据对实时性、可靠性、位置准确性的要求都特别高，目前气象数据的传输通常是购买通用的数据传输模块、gps定位模块和数据处理模块构成，每个模块设备都包含了电源、通讯接口、处理器(cpu)等电路单元。多个模块之间通过线缆供电和通讯，增加了整套设备复杂性，存在运行不稳定的隐患。由于设备模块多，功耗增大，增加太阳能供电环境的电池和太阳能板的容量。多设备集成不仅让整套设备成本增高，还不利于小型化和可维护性。


技术实现要素：

3.为了解决相关技术中的问题，本公开实施例提供一种处理气象数据的模组及数据处理方法。
4.第一方面，本公开实施例中提供了一种处理气象数据的模组。
5.具体地，所述处理气象数据的芯片模组包括：
6.数据通信接口、cat1基带模块、cat1射频模块、cat1天线、北斗模块、存储模块和处理器；
7.所述数据通信接口通过总线与所述处理器电性连接，用于接收传感器传输的气象观测要素；
8.所述处理器分别与所述cat1基带模块、北斗模块、存储模块电性连接；
9.所述cat1基带模块与所述cat1射频模块电性连接，所述cat1射频模块与所述cat1天线电性连接；
10.所述北斗模块用于接收北斗定位系统的定位数据；
11.所述处理器运行软件，用于执行以下步骤：
12.执行对所述气象观测要素的运算和/或对所述定位数据的运算，得到预定格式输出的气象数据；
13.在网络信号断开时，在所述存储模块缓存所述气象数据；
14.在网络信号恢复时，经由所述cat1基带模块，所述cat1射频模块和所述cat1天线，将缓存的所述气象数据发送至服务器。
15.可选地，所述数据通信接口配置为rs232串口和rj45网口。
16.可选地，所述北斗模块配置为双频定位模块，定位精度小于1米。
17.可选地，还包括：
18.时钟模块，提供实时时钟，用于通讯过程中的时间校准；以及
19.电源接口，用于所述模组的供电。
20.可选地，所述软件包括：解析插件库、质控模块、数据融合模块以及通信协议模块；和/或
21.所述软件为嵌入式软件。
22.可选地，所述执行对所述气象观测要素的运算和/或对所述定位数据的运算，得到预定格式输出的气象数据，包括：
23.从所述解析插件库中选择与所述气象观测要素的输出格式相适配的插件解析所述气象观测要素，将解析后的至少两种所述气象观测要素经所述数据融合模块融合后得到第一融合数据，所述通信协议模块将所述第一融合数据转换为预定格式的数据帧；其中，所述解析插件库中的插件可扩展；和/或
24.解析所述定位数据得到解析后定位数据，所述通信协议模块将所述解析后定位数据转换为预定格式的数据帧；和/或
25.从解析插件库中选择与所述气象观测要素的输出格式相适配的插件解析所述气象观测要素，以及解析所述定位数据；将解析后的至少一种所述气象观测要素、所述定位数据经所述数据融合模块融合后得到第二融合数据，所述通信协议模块将所述第二融合数据转换为预定格式的数据帧。
26.可选地，还包括：
27.所述质控模块对解析后的所述气象观测要素经进行质量控制判断，并在所述数据帧中添加质量控制标识。
28.可选地，所述通信协议模块采用地面气象数据对象字典、服务器指定私有协议、nmea0183-4.1协议中的至少一种，得到预定格式的数据帧。
29.可选地，所述经由所述cat1基带模块，所述cat1射频模块和cat1天线将缓存的所述气象数据发送至服务器之前，包括：
30.采用tcp或者ftp方式建立所述模组与服务器的通讯连接。
31.第二方面，本公开实施例中提供了一种利用第一方面所述的芯片模组的数据处理方法。
32.具体地，所述数据处理方法包括：
33.接收气象观测要素以及定位数据；
34.将所述气象观测要素和/或定位数据处理为预定格式输出的气象数据；
35.在网络信号断开时，缓存所述气象数据；
36.在网络信号恢复时，将所述气象数据发送至服务器。
37.本公开实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
38.本公开实施例提供的处理气象数据的模组，包括：数据通信接口、cat1基带模块、cat1射频模块、cat1天线、北斗模块、存储模块和处理器；所述数据通信接口通过总线与所述处理器电性连接，用于接收传感器传输的气象观测要素；所述处理器分别与所述cat1基带、北斗模块、存储模块电性连接；所述cat1基带模块与所述cat1射频模块电性连接，所述cat1射频模块与所述cat1天线电性连接；所述北斗模块用于接收北斗定位系统的定位数据；所述处理器运行软件，用于执行以下步骤：执行对所述气象观测要素的运算和/或对所
述定位数据的运算，得到预定格式输出的气象数据；在网络信号断开时，在所述存储模块缓存所述气象数据；在网络信号恢复时，经由所述cat1基带模块，所述cat1射频模块和所述cat1天线，将缓存的所述气象数据发送至服务器。该技术方案将数据通信接口、cat1基带模块、cat1射频模块、cat1天线、北斗模块、存储模块、处理器这些硬件模块配合软件例如嵌入式软件构成高度集成、一体化的通讯、定位二合一的系统，把原有气象数据传输系统里的通用数据传输设备、通用定位设备及系统集成处理板三类设备整合成一个模组，实现了设备小型化、功耗更低，更容易维护。
39.应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。
附图说明
40.结合附图，通过以下非限制性实施方式的详细描述，本公开的其它特征、目的和优点将变得更加明显。在附图中：
41.图1示出根据本公开实施例的处理气象数据的模组的结构示意图；
42.图2示出根据本公开实施例的得到预定格式输出的气象数据的流程图；
43.图3示出根据本公开实施例的利用模组的数据处理方法的流程图。
具体实施方式
44.下文中，将参考附图详细描述本公开的示例性实施例，以使本领域技术人员可容易地实现它们。此外，为了清楚起见，在附图中省略了与描述示例性实施例无关的部分。
45.在本公开中，应理解，诸如“包括”或“具有”等的术语旨在指示本说明书中所公开的特征、数字、步骤、行为、部件、部分或其组合的存在，并且不欲排除一个或多个其他特征、数字、步骤、行为、部件、部分或其组合存在或被添加的可能性。
46.另外还需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本公开。
47.目前气象数据的传输通常是购买通用的数据传输模块、gps定位模块和数据处理模块构成，每个模块设备都包含了电源、通讯接口、处理器(cpu)等电路单元。多个模块之间通过线缆供电和通讯，增加了整套设备复杂性，存在运行不稳定的隐患。由于设备模块多，功耗增大，增加太阳能供电环境的电池和太阳能板的容量。多设备集成不仅让整套设备成本增高，还不利于小型化和可维护性。
48.考虑到上述缺陷，本公开实施例提供的处理气象数据的芯片模组，将数据通信接口、cat1基带模块、cat1射频模块、cat1天线、北斗模块、存储模块、处理器这些硬件模块配合软件例如嵌入式软件构成高度集成、一体化的通讯、定位二合一的系统，把原有气象数据传输系统里的通用数据传输设备、通用定位设备及系统集成处理板三类设备整合成一个模组，实现了设备小型化、功耗更低，更容易维护。
49.下面通过具体实施例详细介绍本公开实施例的细节。
50.图1示出根据本公开实施例的处理气象数据的模组的结构示意图。如图1所示，所述处理气象数据的模组10包括：数据通信接口11、处理器12、cat1基带模块13、cat1射频模块14、cat1天线15、北斗模块16和存储模块17；
51.所述数据通信接口11通过总线18与所述处理器12电性连接，用于接收传感器传输的气象观测要素；
52.所述处理器12分别与所述cat1基带模块13、北斗模块16、存储模块17电性连接；
53.所述cat1基带模块13与所述cat1射频模块14电性连接，所述cat1射频模块14与所述cat1天线15电性连接；
54.所述北斗模块16用于接收北斗定位系统的定位数据；
55.所述处理器12运行软件，例如嵌入式软件，用于执行以下步骤：
56.执行对所述气象观测要素的运算和/或对所述定位数据的运算，得到预定格式输出的气象数据；
57.在网络信号断开时，在所述存储模块17缓存所述气象数据；
58.在网络信号恢复时，经由所述cat1基带模块13，所述cat1射频模块14和所述cat1天线15，将缓存的所述气象数据发送至服务器。
59.模组10可以采用多种方案实现。例如，处理器12、ca1基带模块13、cat1射频模块14、北斗模块16、存储模块17可以分别用一个芯片实现。或者，cat1基带模块13和cat1射频模块14可以整合在一个芯片中实现，处理器12和存储模块17可以整合在一个芯片中实现，本公开对此不做限定。
60.根据本公开的实施例，模组10可以作为传感器的配件焊接在传感器板上，以便于传感器厂商采集气象观测要素后，利用内置的嵌入式软件直接进行专业的气象数据质量控制、数据融合及地面气象数据对象字典协议上传的工作。可以更快速的接入到国家级的数据接收系统，简化了数据处理的复杂度，提高了使用效率，降低了传感器生产商进行专业气象业务推广的门槛。当然，模组10也可以配置在气象观测站的设备中，接收传感器传输的气象观测数据后进行数据处理，本公开对此不做限制。
61.根据本公开的实施例，气象观测要素例如气温、气压、地面风、降水、辐射、日照、能见度、蒸发、电线结冰、天气现象、地面温度(含草温)、土壤温度、土壤水分、雪深、雪压、冻土、地面状态等。
62.根据本公开的实施例，所述数据通信接口11配置为rs232串口和rj45网口。其中，rs232串口用于参数配置及串口设备的数据交换，如带有rs232接口的气温、湿度、风、雨量等气象传感器；rj45网口用于web界面的参数配置及网口设备的数据交换，如集成处理器、摄像头、云高仪、激光雷达等。气象传感器以及网口设备也统称为观测设备。
63.根据本公开的实施例，cat1基带模块13、cat1射频模块14用于cat1信号的调整及发射、接收。cat1和cat4都是4g通讯网络lte的终端类别，cat4指的是较高配置的4g lte终端，cat1是低配版的4g终端，cat1和cat4对比如下：
[0064][0065]
利用cat1网络传输气象数据降低了设备功耗、在保证数据传输稳定性的基础上还降低了流量费用，节省了成本。
[0066]
根据本公开的实施例，所述北斗模块16配置为双频定位模块，定位精度小于1米。
北斗模块16通过北斗天线接收北斗定位系统的定位信息和校时信息。
[0067]
根据本公开的实施例，存储模块17在cat1网络信号弱的情况下，存储气象数据，cat1网络信号恢复后，主动上传或者被动补传气象数据。
[0068]
根据本公开的实施例，模组10还包括：时钟模块，提供实时时钟，用于通讯过程中的时间校准。以及电源接口，可接入dc 9v-15v，1a的直流电源，用于模组各个模块的供电。
[0069]
根据本公开的实施例，所述软件包括：解析插件库、质控模块、数据融合模块以及通信协议模块。该软件可以是嵌入式软件，内置于模组10中。
[0070]
其中，解析插件库：同一观测要素的不同型号的气象传感器输出的数据格式不同，数据变量存在差别，但是根据地面观测规范的要求，基础的数据变量是一样的。例如风传感器，基础的数据变量包含如下要素：10米高瞬时风向(1s采样)、10米高一分钟平均风向、1分钟风向分钟标准差、10米高二分钟平均风向、10米高十分钟平均风向、10米高分钟内极大风速(瞬时风速)对应风向、10米高瞬时风速(3s平均)、10米高分钟内极大风速、10米高一分钟平均风速、10米高一分钟风速分钟标准差、10米高二分钟平均风速、10米高十分钟平均风速。其它气象传感器、网口设备也都有按照地面观测规范必须输出的要素变量。针对观测设备的数据输出格式编写解析插件，从数据里分解处这些必要的要素变量，存储在缓存中，因为基础要素变量的通用性，只需把不同数据格式的共性变量提出来存贮在统一的缓存文件里，而不用针对每个数据格式编写不同的要素变量缓存文件。对于插件库已有的传感器，可以根据观测设备的数据输出格式自行查找适用的插件解析后存入气象要素变量表。对于新的观测设备，用户可以针对性的开发解析插件，导入到插件库。
[0071]
质控模块：针对各个观测要素配置相应的质量控制算法，例如气温质控算法、气压质控算法等，相应的算法可参照现有技术，在此不予赘述。主要分为单要素质控和多要素质控；单要素质控针对单个的观测设备，可以根据变量的采样值、瞬时值、变化速率、内部一致性等方面对数据进行质量控制，可设为正确、存疑、错误等状态；多要素质控可根据要素间关系，进行关联的质量控制。如：雨量传感器有雨量数据输出，湿度传感器输出湿度值必然高，否则其中一个传感器存在问题；质控后生成如下表的质量控制编码表：
[0072][0073]
[0074]
其中，若有数据质量控制判断为错误时，在设备终端数据输出时，其值仍给出，相应质量控制标识为“2”，但错误的数据不能参加后续相关计算或统计。对于瞬时气象值，若属采集器或通信原因引起数据缺测，在设备终端数据输出时直接给出缺测，相应质量控制标识为“8”。
[0075]
数据融合模块：配置有数据融合算法，相应的算法可参照现有技术，在此不予赘述。根据接入观测设备的多少可选择观测要素单要素输出、定位数据单独输出，观测要素多要素融合输出，及观测要素、定位数据的融合输出。
[0076]
通信协议模块：按照地面气象数据对象字典，也可以根据上传服务器要求的私有协议，定位数据可以融合到地面气象数据对象字典里，也可以单独以nmea0183-4.1版格式上传。其中，气象观测要素的输出格式：a)地面气象数据对象字典。b)利用二次开发环境、定制开发私有协议。c)融合定位数据的地面气象数据字典。定位数据输出格式：a)标准nmea0183的4.1版本。b)利用二次开发环境，定制开发私有协议。
[0077]
其中，私有协议格式示例如下：
[0078]
此协议可连接智慧观测云服务器，协议包含了温度、湿度、气压、风、雨量六个要素的多个变量及状态。
[0079]
协议格式例子：
[0080]
a1234,20210913143300,0261,045,0133,0152,323,323,323,323,323,000,000,000,000,000,10069,10139,000,036,120,031；
[0081]
其中，a1234为台站号、20210913143300为时间、0261为空气温度、045为空气湿度、0133为露点温度、0152为水汽压、323为10米高瞬时风向、323为10米高1分钟平均风向、323为10米高2分钟平均风向、323为10米高10分钟平均风向、323为10米高分钟内极大风速对应风向、000为10米高瞬时风速、000为10米高分钟内极大风速、000为10米高1分钟平均风速、000为10米高2分钟平均风速、000为10米高10分钟平均风速、10069为气压、10139为海平面气压、000为翻斗分钟降水、036为集成处理器板温、120为集成处理器板压、031为4g信号强度。
[0082]
根据本公开的实施例，所述cat1天线将所述气象数据发送至服务器之前，包括：
[0083]
采用tcp或者ftp方式建立所述芯片模组与服务器的通讯连接。
[0084]
其中，tcp方式：与服务器建立tcp连接，以数据流的方式上传气象数据，服务端入数据库或形成数据文件；
[0085]
ftp方式：与服务器建立ftp连接，以数据文件的方式上传数据文件，服务端直接存文件或解析气象数据入数据库。
[0086]
根据本公开的实施例，请参照图2，所述执行对所述气象观测要素的运算和/或对所述定位数据的运算，得到预定格式输出的气象数据，包括：
[0087]
从所述解析插件库中选择与所述气象观测要素的输出格式相适配的插件解析所述气象观测要素，将解析后的至少两种所述气象观测要素经所述数据融合模块融合后得到第一融合数据，所述通信协议模块将所述第一融合数据转换为预定格式的数据帧；其中，所述解析插件库中的插件可扩展；和/或
[0088]
解析所述定位数据得到解析后定位数据，所述通信协议模块将所述解析后定位数据转换为预定格式的数据帧；和/或
[0089]
从解析插件库中选择与所述气象观测要素的输出格式相适配的插件解析所述气象观测要素，以及解析所述定位数据；将解析后的至少一种所述气象观测要素、所述定位数据经所述数据融合模块融合后得到第二融合数据，所述通信协议模块将所述第二融合数据转换为预定格式的数据帧。
[0090]
在本公开方式中，模组输出的预定格式的数据帧可以是定位数据、至少两个气象观测要素或者是定位数据与至少一个气象观测要素的融合数据。以一个气象观测要素为例，一个完整数据帧分为5部分信息段，0段：起始标识、1段：数据包头、2段：数据主体、3段：校验码、4段：结束标识。其中0、1、3和4段数据定长；2段数据不定长，数据主体包含观测要素信息、观测数据质量控制信息和状态要素信息三部分。在数据融合时，可以将各个气象观测要素的数据帧、或者气象观测要素、定位数据的数据帧组合得到一个数据帧，作为预定格式的数据帧。
[0091]
根据本公开的实施例，还包括：
[0092]
所述质控模块对解析后的所述气象观测要素进行质量控制判断，并在所述数据帧中添加质量控制标识。
[0093]
在本公开方式中，可以在2段数据主体的观测数据质量控制信息部分添加质量控制标识。
[0094]
根据本公开的实施例，所述通信协议模块采用地面气象数据对象字典、服务器指定私有协议、nmea0183-4.1协议中的至少一种，得到预定格式的数据帧。
[0095]
本公开实施例的处理气象数据的模组至少具有以下优点：
[0096]
1)将数据通信接口、cat1基带模块、cat1射频模块、cat1天线、北斗模块、存储模块、处理器这些硬件模块配合软件例如嵌入式软件构成高度集成、一体化的通讯、定位二合一的芯片模组，把原有气象数据传输系统里的通用数据传输设备、通用定位设备及系统集成处理板三类设备整合成一个模组，实现了设备小型化、功耗更低，更容易维护。
[0097]
2)模组可以作为传感器的配件焊接在传感器板上，以便于传感器厂商采集气象观测要素后，利用内置的嵌入式软件直接进行专业的气象数据质量控制、数据融合及地面气象数据对象字典协议上传的工作。可以更快速的接入到国家级的数据接收系统，简化了数据处理的复杂度，提高了使用效率，降低了传感器生产商进行专业气象业务推广的门槛。
[0098]
3)模组针对气象数据的特点选择了北斗模块的定位精度和cat1通讯带宽，在保证冗余的情况下，最大程度的减小了浪费，提高了效益。
[0099]
如图3所示，本公开实施例还提供一种利用上述模组的数据处理方法，包括步骤s310-s340。
[0100]
在步骤s310中，接收气象观测要素以及定位数据；
[0101]
在步骤s320中，将所述气象观测要素和/或定位数据处理为预定格式输出的气象数据；
[0102]
在步骤s330中，在网络信号断开时，缓存所述气象数据；
[0103]
在步骤s340中，在网络信号恢复时，将所述气象数据发送至服务器。
[0104]
本公开实施例的具体技术细节可以参照图1、图2所示的实施例部分，在此不予赘述。
[0105]
根据本公开的实施例，所述步骤s320将所述气象观测要素和/或定位数据处理为
预定格式输出的气象数据，包括：
[0106]
从所述解析插件库中选择与所述气象观测要素的输出格式相适配的插件解析所述气象观测要素，将解析后的至少两种所述气象观测要素经所述数据融合模块融合后得到解析后定位数据，所述通信协议模块将所述第一融合数据转换为预定格式的数据帧；其中，所述解析插件库中的插件可扩展；和/或
[0107]
解析所述定位数据得到解析后定位数据，所述通信协议模块将所述解析后定位数据转换为预定格式的数据帧；和/或
[0108]
从解析插件库中选择与所述气象观测要素的输出格式相适配的插件解析所述气象观测要素，以及解析所述定位数据；将解析后的至少一种所述气象观测要素、所述定位数据经所述数据融合模块融合后得到第二融合数据，所述通信协议模块将所述第二融合数据转换为预定格式的数据帧。
[0109]
根据本公开的实施例，还包括：
[0110]
所述质控模块对解析后的所述气象观测要素进行质量控制判断，并在所述数据帧中添加质量控制标识。
[0111]
以上描述仅为本公开的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本公开中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本公开中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。