云计算与海上气象网络系统设计分析

摘要:随着海洋开发及航运业的发展，对海上气象的观测成为任务执行前必不可少的步骤。一个时效性、准确性高的气象传感网络不仅为航运业务提供准确的气候参考信息，也是研究海洋气候环境的重要方式之一。由于计算能力瓶颈，传统的气象传感网络性能已经越来越不适应现代海洋航运业对气象信息获取的时效性及精度要求。本文研究海上气象传感网络模型，结合云计算对传统的气象传感网络架构进行改进，最后对此气象传感网络进行仿真。

关键词：云计算平台；气象传感网络；分布式架构

引言

海上天气环境变幻莫测，船舶出航遇险往往与极端天气有关，船舶在执行任务前对气象的观测成为必不可少的步骤。海上气象传感网络是观察预测气候的重要设备，利用分布式传感器采集不同地理位置的温度、湿度、压力等气象数据，信息处理中心可以对未来天气进行预测。传统的气象传感网络基于单中心模式，随着数据采集量越来越大，处理中心的计算能力成为了气象传感网络中的性能瓶颈。云计算将不同地理位置的所有计算机存储资源进行有效组合及虚拟化划分，将程序并行化处理后合理分配至不同的计算资源[1]，极大地提高了计算及存储资源的利用率。本文首先对海上气象传感网络各模块进行分析，利用云计算架构设计分布式、并行化的气象传感网络结构，最后对此气象传感网络进行仿真及结果分析。

1基于云平台的气象传感网络架构

本文的气象传感网络云平台架构基于B/S架构，在海上观测范围内部署多个气象站，并利用传感器采集气象要素，通过无线网络传输至信息处理平台。整个平台按照逻辑分为物理层、数据传输层及应用层[2]，如图1所示。1）物理层利用温度、湿度、压力传感器采集不同位置的气象信息，随后对采集信息进行预处理，如模数转换、编码等处理。2）数据传输层数据传输层利用GPRS或无线传感网络将预处理后的信息传输至云处理平台。云处理平台是整个气象网络核心，完成海量气象数据的分析处理及存储，并对上层应用开放接口。3）应用层提供给终端客户的各类气象应用，如历史数据浏览、天气预测等。

2基于云平台无线气象传感网络实现

基于云平台的气象传感网络分为GPRS无线传输模块、气象数据云存储模块及上层应用模块，下面进行详细描述。2.1GPRS无线传输模块GPRS无线传输模块实现了各类气象数据（温度、湿度、风速、压力）的采集，并通过GPRS无线网络传输至云存储平台。GPRS无线传输模块与海上气象观测站无缝对接，具有统一的IP规划、路由通信协议及APN名[3]，如图2所示。在气象观测站内部接入GPRSDTU实现了观测站与GPRS无线对接，每个GPRSDTU分配唯一的SIM卡，在初始化时，GPRSDTU通过SIM向移动网络进行注册，此时每个气象观测站在移动网络分配唯一的ID，建立了与移动网的连接，可以与移动网通过Socket方式进行数据传输。GPRS无线传输模块最终将采集到的气象数据通过Internet将气象观测资料传输至云平台，并提供给上层应用访问接口。Internet网络由WCDMA、GGSN、SGSN组成，数据传输协议为TCP/IP，并通过路由器寻找云端地址。2.2云存储及数据库设计云存储模块接收GPRS无线传输模块发送的气象观测资料，并对信息进行分析、处理及存储，提供上层应用接口，其存储示意图如图3所示。云存储平台根据气象资料属性不同提供了BlobStorage、TableStorage两种存储方式[4]。BlobStorage存储方式主要存储气象观测资料中的图像及Flash文件，对处理后的历史气象数据图表、曲线、实时图像图片及天气预测图片等进行保存，并提供接口以供应用层进行展示，Flash文件主要有movieswf和mycurve.swf两种格式，分别用来展示动态的气象动画及统计动画。BlobStorage存储通过WindowAzure下的WindowAzureSDK及VisualStudio实现，最终对应用层开放StorageAccount及访问地址实现了对存储图片及Flash的获取。TableStorage存储则通过实现了普通数据的保存[5]。在用户进行数据获取时利用唯一的Session进行事务跟踪，如用户登录、密码设置、数据查询更新等操作。气象观测数据利用BlobStorage和TableStorage两种存储方式，通过SQLAzure来进行数据的查询、关联、更新及修改。在此设计了用户帐号表、密码管理表、气象数据表3个表格，表1为气象数据表。表格的创建过程如下：1）创建SQLAzure帐号，并按照是否付费进行分类管理，若为付费帐号，则需要向WindowAzure平台进行服务订阅，并具体服务付费。2）对每一种服务在SQLAzure的服务端创建相应的实例，并建立对相应付费帐号之间的授权，具体帐号登录后分配WindowLiveID，并进入WindowAzure门户进行相应操作。3）在BlobStorage和TableStorage两种存储系统中创建户帐号表、密码管理表、气象数据表3个数据表格。具体通过3种平台文件菜单中的Create按钮进行操作。4）数据库创建完毕后，其原始大小为0，接下来需要对数据库进行管理，如插值、更新、修改及删除等操作，本文通过微软的SQLServerManagementStu-dio数据库管理软件对SQLAzure进行界面化的操作管理。利用管理软件中的T-SQL脚本建立表格的新建、插入、更新等操作，可通过创建存储过程实现对一个事务的完整操作。通过创建好的数据表可通过Win-dowAzure门户进行查询及管理。

3结语

本文对海上气象传感网络进行了详细的功能划分，通过GPRS无线传输模块实现了观测数据的自动采集的高效传输，利用WindowAzure云平台对气象观测资料进行了有效存储，并通过SQLAzure实现了对上层应用的接口。通过本文基于云平台的气象传感网络设计，与传统的单中心气象平台相比，其数据采集传输性能提升了25%，同时通过WindowAzure云平大大提高了应用进程的访问效率。

作者：李宪伟 单位：山东职业学院铁道信号与信息工程系