基于云計算的自動氣象監(jiān)測網(wǎng)絡系統(tǒng)

1、收稿日期 :2011-10-25; 修回日期 :2011-12-20。作者簡介 :陳琳 (1986 , 女 , 湖北武漢人 , 碩士研究生 , 主要研究方向 :自動控制系統(tǒng) ; 齊文新 (1968 , 男 , 福建福州人 , 講師 , 博士 , 主 要研究方向 :嵌入式系統(tǒng) 、 數(shù)據(jù)采集 、 移動無線數(shù)據(jù)通信 、 計算機網(wǎng)絡通信 ; 齊宇 (1984 , 男 , 湖北武漢人 , 工程師 , 碩士 , 主要研究方向 :氣象 監(jiān)測 、 云計算 。文章編號 :10019081(2012 05141503doi :103724/SPJ1087201201415基于云計算的自動氣象監(jiān)測網(wǎng)絡系統(tǒng)陳琳 1*

2、, 齊文新 1, 齊宇2(1華中科技大學 圖像識別與人工智能研究所 , 武漢 430074; 2武漢新普惠科技有限公司 , 武漢 430074(*通信作者電子郵箱 forever_chenlin126com摘 要 :針對目前自動氣象監(jiān)測系統(tǒng)在建設(shè)和運行中出現(xiàn)的硬件成本高和信息孤島等問題 , 提出了基于微軟的Windows Azure 云計算平臺的自動氣象監(jiān)測網(wǎng)絡系統(tǒng) 。 系統(tǒng)采用通用分組無線服務 (GPRS 組網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)自動氣象站的接入 ,運用微軟的 Blob 、 Table 存儲和 SQL Azure 數(shù)據(jù)庫進行海量數(shù)據(jù)存儲 , 結(jié)合 ASPNET 及 Flash 技術(shù)在 Windows A

3、zure 平臺上開發(fā)和部署 Web 的門戶網(wǎng)站 , 為用戶提供統(tǒng)一訪問平臺 。 結(jié)果表明該系統(tǒng)的實現(xiàn)較好地解決了問題 , 對 各種范圍內(nèi)自動氣象監(jiān)測網(wǎng)絡系統(tǒng)的開發(fā)具有建設(shè)性意義 。關(guān)鍵詞 :自動氣象監(jiān)測網(wǎng)絡系統(tǒng) ; 云計算 ; 云存儲 ; 信息孤島 中圖分類號 :TP31152文獻標志碼 :AAtmospheric monitoring network system based on cloud computingCHEN Lin 1*，QI Wen-xin 1，QI Yu 2(1Institute of Pattern Recognition and Artificial Intellige

4、nce，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan Hubei 430074，China ;2Wuhan Xinpuhui Technology Corporation Limited，Wuhan Hubei 430074，ChinaAbstract:In order to solve the problems of high hardware cost and information isolated island in the constructing and operating of atmospheric monitoring

5、 network system，this paper proposed an atmospheric monitoring network system based on Microsoft's Windows Azure cloud computing platformThis system provided access for automatic weather stations by General Packet Radio Service (GPRS network technology，adopted Microsoft's Blob，Table storage a

6、nd SQL Azure database to store massive data，developed and established Web portal on Windows Azure platform with ASPNET and Flash technology，realized a unified access platform for usersThe results demonstrate that this system can effectively solve the problem and create constructive value for establi

7、shing atmospheric monitoring network system in various rangesKey words:atmospheric monitoring network system; cloud computing; cloud storage; information isolated island0引言近年來 , 全球氣候異?，F(xiàn)象越來越顯著 , 氣象災害引起的 經(jīng)濟損失日益嚴重 , 隨著公眾氣象意識的提高 , 對氣象信息監(jiān) 測 、 氣象發(fā)布提出了更多更高的要求1。 目前 , 自動氣象監(jiān)測系統(tǒng)的研制方面已經(jīng)取得了很大的發(fā)展 , 其中最具代表性的是自動氣象站

8、 2, 各種已投放建設(shè)的自動氣象站分布在全 國各地 ,組建的自動氣象監(jiān)測系統(tǒng)極大提高了局部性天氣系 統(tǒng)的預報預警能力及監(jiān)測能力 , 為地面氣象觀測發(fā)揮了積極 作用 。 除了國家專門的各級氣象臺 , 自動氣象站監(jiān)測系統(tǒng)在 大型廠礦 、 大專院校 、 科研單位 、 民航 、 海洋 、 農(nóng)業(yè) 、 林業(yè) 、 水利 、 電力 、 石油和地質(zhì)等非氣象部門也得到了廣泛應用 。 但自動氣象監(jiān)測系統(tǒng)在各應用部門發(fā)展良莠不齊 , 各部 門花重金購服務器和軟件等 , 有自己的信息管理中心 , 從數(shù)據(jù) 庫到服務器及業(yè)務管理系統(tǒng)都各不相同 。 這不僅造成了中小 型單位資金投入的巨大負擔 , 還使得不同單位之間相互溝通

9、時 , 缺乏統(tǒng)一規(guī)劃下的用戶訪問接口 , 不能很好地做到任務統(tǒng)一調(diào)度 , 即信息缺乏共享 3, 存在信息孤島 。云計算是互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展帶來的一種新型計算和服務模式 , 它是通過分布式計算和虛擬化技術(shù)建設(shè)數(shù)據(jù)中心或超級計算 機 , 以租賃或免費方式向技術(shù)開發(fā)者或企業(yè)客戶提供數(shù)據(jù)存 儲 、 分析以及科學計算等服務4。 其中虛擬化技術(shù)實現(xiàn)了信息技術(shù) (Information Technology ,IT 資源的邏輯抽象和統(tǒng)一表 示 , 在大規(guī)?；ヂ?lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心 (Internet Data Center , IDC 管理 和解決方案交付方面發(fā)揮著巨大作用 , 可以實現(xiàn)跨系統(tǒng)的資源動態(tài)調(diào)度 , 將大量的計算

10、資源組成 IT 資源池并動態(tài)創(chuàng)建高 度虛擬化 IT 資源供用戶使用 , 具有專業(yè)性 、 經(jīng)濟性 、 靈活性 、 共享性和可靠性 。本文針對自動氣象監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)和運行過程中出現(xiàn)的各 種問題 , 引入了云計算技術(shù) , 設(shè)計和實現(xiàn)基于云計算平臺的自 動氣象監(jiān)測網(wǎng)絡系統(tǒng) , 以達到減少各部門硬件投入成本 , 實現(xiàn) 全網(wǎng)信息共享的目的 。1系統(tǒng)總體設(shè)計本文結(jié)合微軟云計算平臺設(shè)計了圖 1所示的自動氣象監(jiān)測網(wǎng)絡系統(tǒng) 。該自動氣象監(jiān)測網(wǎng)絡系統(tǒng)的工作原理為 :用已接入系統(tǒng)的自動氣象監(jiān)測站點氣象要素傳感器對氣象情況進行實時采集 , 采 集到的海量數(shù)據(jù)可以通過通信鏈路傳送至數(shù)據(jù)中心 微軟云 計算平臺進行分析處理 ,

11、 再通過適當?shù)木W(wǎng)絡傳送至各個應用客戶 終端 , 為公眾和企業(yè)決策部門提供及時準確的信息 。整個自動氣象監(jiān)測網(wǎng)絡系統(tǒng)自下而上分為感知層 、 網(wǎng)絡 層和應用層 , 具體分析如下 。感知層由各行業(yè)和單位的自動氣象站構(gòu)成 。 各自動站Journal of Computer Applications計算機應用 ，2012，32(5 :14151417ISSN 1001-9081CODEN JYIIDU 2012-05-01http:/wwwjocacn的溫度傳感器 、 雨量傳感器 、 風速風向等各種氣象要素傳感器 將采集到的各類信號轉(zhuǎn)化為電信號 , 再通過數(shù)據(jù)采集模塊后轉(zhuǎn)化為數(shù)字 符號 ,利用 傳 輸

12、模 塊 GPRS DTU (Data Terminal Unit , DTU 將各種信息數(shù)據(jù)同步傳送到云計算平臺中 , 即完成了對氣象數(shù)據(jù)的“ 感知 ” 功能 。 網(wǎng)絡層 由承載網(wǎng)絡和支撐系統(tǒng)組成 。 用戶可以通過 GPRS 網(wǎng)絡提供的無線通信網(wǎng)絡 承載網(wǎng)絡將自動氣象站 接入到云計算平臺 。 云計算平臺作為支撐系統(tǒng) , 是整個系統(tǒng)的核心 。 本文應用微軟的 Windows Azure 云服務平臺 5完成對感知層采集到的海量氣象數(shù)據(jù)的存儲 、分析和處理等工作 。 采用云計算平臺 , 各種經(jīng)過處理的中間或最終氣象資料數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲在在第三方云服務商提供的存儲資源上 ,由云提供 商負責運行和維護 。應

13、用層 用戶可以通過 Windows Azure 發(fā)布的唯一訪問接口對氣象信息進行訪問 ,用戶終端使用各自權(quán)限實現(xiàn)氣象 瀏覽 、歷史氣象查詢 、 數(shù)據(jù)處理和系統(tǒng)設(shè)置等功能 , 為各行各 業(yè)提供實時有效的氣象監(jiān)測信息 , 供企業(yè)單位進行生產(chǎn)和決 策等應用 。從系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖可以看到該系統(tǒng)分為三個層次實現(xiàn) 了不同的功能模塊 。 以微軟云計算平臺構(gòu)建軟件中心 , 其虛 擬技術(shù)和分布式技術(shù)為系統(tǒng)提供了極大的伸縮性和負載平衡 ,為系統(tǒng)的開放式結(jié)構(gòu)提供了基礎(chǔ) 6。 用戶自動氣象站可 以方便地接入系統(tǒng) ,不用擔心系統(tǒng)資源負載問題 , 而且通過云 計算平臺為所有用戶提供一個標準統(tǒng)一的 Web 網(wǎng)站界面 , 使

14、 用戶間可以方便地進行溝通和氣象信息共享。 圖 1基于云計算的氣象監(jiān)測網(wǎng)絡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2關(guān)鍵技術(shù)研究及實現(xiàn)21自動氣象站網(wǎng)的組建本文以無線遙測自動氣象站為研究對象 , 將感知數(shù)據(jù)先后經(jīng)過網(wǎng)關(guān)和網(wǎng)橋發(fā)送到接入網(wǎng)絡 ,通過接入網(wǎng)絡 , 把中間或 最終處理結(jié)果傳送到 “ 云端 ”。 因此自動氣象站的網(wǎng)絡組建 成了感知層實現(xiàn)的關(guān)鍵 。用戶的自動氣象站可能分布在全國各地 , 地理環(huán)境各不相 同 , 包括條件及其惡劣和艱苦的無人區(qū) 。 為了使各種用戶的自 動氣象站都能合理地接入系統(tǒng) , 組網(wǎng)技術(shù)是關(guān)鍵 , 也是決定感 知層中氣象數(shù)據(jù)資料是否能有效 、 快速傳播的根本保證 。 通用分組無線業(yè)務 (General

15、 Packet Radio Service , GPRS , 是在現(xiàn)有 的全球移動通信系統(tǒng) (Global System for Mobile communication ,GSM 上發(fā)展出來的一種新的分組數(shù)據(jù)承載業(yè)務 , 特別適合于 間斷的 、 突發(fā)性的或頻繁的 、 少量的數(shù)據(jù)傳輸 。 根據(jù)自動氣象 站資料數(shù)據(jù)量較小 , 資料傳輸次數(shù)密度大 , 資料傳輸突發(fā)性高 等特點 ,GPRS 是當前適合氣象站網(wǎng)絡組建的可靠技術(shù) 7。 本自動氣象監(jiān)測網(wǎng)絡系統(tǒng)組網(wǎng)根據(jù) GPRS 網(wǎng)絡提供的通信連接方式和現(xiàn)有自動氣象站系統(tǒng)通信情況 , 設(shè)計了具有統(tǒng)一的接入點名稱 (Access Point Name ,AP

16、N 、 統(tǒng)一的 IP 地址規(guī) 劃 、 統(tǒng)一的數(shù)據(jù)傳輸規(guī)范協(xié)議和數(shù)據(jù)傳輸格式的自動氣象站 網(wǎng) 8。 在該自動氣象站組建的網(wǎng)絡系統(tǒng)中 , 自動氣象站負責氣象數(shù)據(jù) (如 :風向 、風速 、 雨量 、 溫度 、 濕度 、 氣壓等 的采集 , 并提供對外連接的 RS232接口 , DTU 負責連接 GPRS 網(wǎng)絡 , 接收發(fā)送自動氣象站資料 , 在自動氣象站與通信處理中心的數(shù) 據(jù)交互中起著橋梁的作用 。 GPRS 網(wǎng)絡負責氣象數(shù)據(jù)的無線 傳輸 , 并 通 過 GPRS 網(wǎng) 關(guān) 支 持 節(jié) 點 (Gateway GPRS Support Node , GGSN 實現(xiàn)自動氣象站資料采集中心的專線接入 。GP

17、RS DTU 工作時均有一張 SIM 卡 , 利用 SIM 卡的唯一 性 , 對 SIM 卡號碼進行鑒別授權(quán) , 對 SIM 卡號和 APN 進行綁定 ,實現(xiàn)系統(tǒng)的網(wǎng)絡安全 。 GPRS-DTU 將各區(qū)域站的基本信 息和該站的整點資料打成 IP 數(shù)據(jù)包 , 通過 GPRS 基站接入無線 GPRS 網(wǎng)絡 ,然后由移動服務商通信設(shè)備轉(zhuǎn)接到 Internet , 最后通過各種網(wǎng)關(guān) (或路由器 到達云計算平臺 。 云計算平臺中部署 GPRS DTU 接收軟件 ,從 Internet 接收到 IP 數(shù)據(jù)包 后 , 該接收軟件將氣象數(shù)據(jù)的 IP 數(shù)據(jù)包還原成氣象數(shù)據(jù)格 式 , 實現(xiàn)各自動氣象站資料通過 G

18、PRS 網(wǎng)絡和 Internet 到云計 算平臺中 SQL Azure 數(shù)據(jù)庫的準時和同步傳輸 。采用以上網(wǎng)絡組建 , 能有效提高自動氣象站的采集效率 , 實現(xiàn)全網(wǎng)資料的同步采集 , 提高對自動氣象站網(wǎng)的監(jiān)控能力 和維護能力 。 22云存儲各單位自動站感知到的數(shù)據(jù)通過 GPRS 網(wǎng)絡傳輸?shù)酵ㄐ?處理器后再存儲到微軟云計算平臺 。 利用云計算提供的統(tǒng)一 數(shù)據(jù)存儲平臺 , 進行數(shù)據(jù)管理與維護 。微軟的 Windows Azure 平臺提供了多種數(shù)據(jù)存儲方式 ,主要有 Windows Azure 存儲和 SQL Azure 9。 本系統(tǒng)兼顧使 用了兩種存儲方式 , 如圖 2所示。圖 2系統(tǒng)云存儲方式

19、和內(nèi)容示意圖Windows Azure 存 儲 提 供 了 Blobs 和 Tables 。 Blobs Storage 類似文件桌面系統(tǒng) , 用于存儲大尺寸二進制和文本文 件 ; Tables Storage 為云端的表格結(jié)構(gòu) , 是由多個屬性組成的可 查詢的結(jié)構(gòu)化實體 。 本文主要使用了 Blobs Storage 來存儲了 云應用程序中的所有圖像文件以及 Flash 文件 , 將它們存放 于 Blob 中利用 Windows Azure 內(nèi)容傳輸網(wǎng)絡 (Content Delivery Network , CDN 使得數(shù)據(jù)緩存能夠接近于最終用戶 。 由于云 端不能保存本地緩存 , 系統(tǒng)使

20、用 Tables Storage 來解決本地的 Session 狀態(tài)的緩存問題 。本系統(tǒng)主要使用了 SQL Azure 來進行數(shù)據(jù)庫管理 。 它是構(gòu)建在 Windows Azure 云操作系統(tǒng)之上 ,由微軟 SQL Server 2008為主運行云計算的關(guān)系數(shù)據(jù)庫服務 。 各種氣象信息資料 (包括風 、壓 、 濕 、 溫度和降水 具有簡單和相互關(guān)聯(lián)等特 點10, 因此很容易使用云中的關(guān)系數(shù)據(jù)庫和工具 (例如表 、 視圖和存儲過程 提高開發(fā)效率 。 系統(tǒng)中氣象要素傳感器將每 分鐘采集實時氣象數(shù)據(jù)暫存在采集器 , 各種氣象數(shù)據(jù)以一小 時為間隔 , 自動傳輸?shù)奖O(jiān)測中心 。 根據(jù)需求對這些資料進行 分

21、析處理 , 建立了包括氣象站信息 、 整點氣象信息 、 分鐘氣象 信息和人員管理信息等數(shù)據(jù)庫 。 通過使用本地的 SSMS (SQL Server 2008R2Management Studio 可以方便管理 SQL Azure 中的氣象信息數(shù) 據(jù) 庫 。 此 外 還 使 用 了 微 軟 最 新 開 發(fā) 的 Data Sync Services 和 Sync Framework 等同步工具來保證氣象信息 數(shù)據(jù)能及時傳送到云端進行處理 。使用第三方平臺作為數(shù)據(jù)存儲中心 。 一方面消除了客戶 自己購買和管理數(shù)據(jù)庫服務器的成本和資源投入 ; 另一方面 , 將氣象數(shù)據(jù)和相關(guān)文件存儲到微軟的 Windo

22、ws Azure 云平臺 后 , 在云端將由微軟專業(yè)人員其對存儲系統(tǒng)計算機集群進行 數(shù)據(jù)多副本容錯 、 計算節(jié)點同構(gòu)可互換等措施來保障服務 , 無 需用戶管理員進行維護 , 其專業(yè)性和高可靠性使系統(tǒng)更加穩(wěn) 定和健壯 。23云應用程序開發(fā)和發(fā)布本系統(tǒng)的應用層旨在為用戶提供統(tǒng)一 、 友好 、 交互式的 Web 界面 , 使用戶只通過終端瀏覽器就可以實現(xiàn)對氣象監(jiān)測 信息的瀏覽 、 查詢和修改等 。 系統(tǒng)軟件開發(fā)使用微軟 VS2010配合微軟公司提供的云應用程序開發(fā)包 Windows Azure SDK 來進行云應用的開發(fā) 、 調(diào)試 、 部署 、 管理 , 并通過 ASPNET 組 件高效開發(fā)云應用程

23、序 。 該系統(tǒng)的開發(fā)語言是 C #, 它能支持面向?qū)ο缶幊?, 具有較好的程序結(jié)構(gòu)和強大的庫類支持 11。云應用程序開發(fā)流程如圖 3所示。 圖 3云應用程序開發(fā)流程首先使用了 VS2010和 IIS 在本地開發(fā) ASPNETWeb 應用程序 。 ASPNET 是目前比較流行的動態(tài)網(wǎng)頁技術(shù) , 支持程序 代碼與前端用戶界面的分離 , 執(zhí)行效率高 。 本系統(tǒng)使用 ASPNET 提供的各種標準控件 、 Web 服務器控件等基本控件 , 并利用 Flash 技術(shù) 12開發(fā)系統(tǒng)所需要各種自定義用戶控件一起創(chuàng)建用戶界面 ,包括實時氣象瀏覽 、 歷史氣象查詢 、 氣象資料 統(tǒng)計和系統(tǒng)管理等 。 前端用戶界面

24、主要通過后臺邏輯代碼實現(xiàn)各種功 能 ,后 端 程 序 主 要 利 用 ADONET 技 術(shù) 連 接 SQL Azure 數(shù)據(jù)庫 、 配置數(shù)據(jù)源 sqlDataSource 操作氣象信息表實現(xiàn)查詢和修改等 。 此外系統(tǒng)還實現(xiàn)了權(quán)限管理 ,使得在系統(tǒng)管 理頁面中 ,不同角色對應不同的管理功能 。 該技術(shù)開發(fā)主要 采用 ASPNET35提供的功能樹 (TreeView 控件和 iframe 浮 動框架相結(jié)合 。 將功能樹各節(jié)點的 NavigateUrl 屬性綁定至相應的子功能頁面 ,同時將該子功能頁面嵌入到 iframe 框架 , 再通過后臺代碼邏輯操作功能樹 , 使其不屬于某些角色權(quán)限 的節(jié)點自動

25、隱藏 。本地 Web 網(wǎng)站構(gòu)建好后 , 使用 VS2010提供的“ ASPNET Web 角色 ” 云模板將本地 ASPNET 應用程序遷移到云端 。 云服務項目中的 Web 角色實際上是運行于 IIS 上的 Web 應 用程序并能通過 HTTP 或 HTTPS 終節(jié)點訪問 。 云中的每個角色實例都分別對應于一個虛擬機 (Virtual Machine ,VM 實 例 ,本系統(tǒng)將 Web Role 設(shè)置為 3個實例 , 以便支持負載平衡 , 解決大量并發(fā)性訪問帶來的一系列安全行問題 。遷移完畢后 , 在 VS2010中生成可發(fā)布成在云端運行的 “ Web 角色 ” 包 , 為了縮小 “ Web 角色 ” 包的大小 , 還將系統(tǒng)菜單圖標文件 、CSS 文件 、 Flash 用戶控件和 Session 狀態(tài)數(shù)據(jù)從 它們的內(nèi)容文件夾中取出 ,放入 Windows Azure Blob 和 Table 存儲空間 。 最后通過 Windows Azure 開發(fā)者門戶上傳部署該 “ Web 角色 ” 包后得到唯一域名的自動氣象站 Web 網(wǎng)站 。 24應用實現(xiàn)本文基于微軟云計算平臺設(shè)計了自動氣象監(jiān)測網(wǎng)絡系 統(tǒng) , 實際投入運行后的結(jié)果如圖 4所示。 圖 4自動氣象監(jiān)測網(wǎng)絡系統(tǒng)運行界面3結(jié)語該開放性智能系統(tǒng)的投入使用減輕了氣