基于物聯(lián)網(wǎng)的氣象信息采集系統(tǒng)設(shè)計

蔡麗俊,劉婷玉,朱志剛,張 衡

基于物聯(lián)網(wǎng)的氣象信息采集系統(tǒng)設(shè)計

蔡麗俊1,劉婷玉2,朱志剛3,張 衡1

(1.上海第二工業(yè)大學(xué)電子與電氣工程學(xué)院,上海201209;2.上海海事大學(xué)高等技術(shù)學(xué)院,上海200136; 3.上海第二工業(yè)大學(xué)城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院,上海201209)

針對局部區(qū)域內(nèi)多點氣象信息采集的需求而設(shè)計了一套信息采集系統(tǒng)。系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)完成局部區(qū)域內(nèi)多點氣象數(shù)據(jù)采集,并將數(shù)據(jù)發(fā)給基站;通過基站傳輸,各節(jié)點數(shù)據(jù)將分類實時顯示在主監(jiān)控機(jī)的監(jiān)控軟件上并被歸類存儲;此外,主監(jiān)控軟件可利用機(jī)房中的Internet網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)實時傳輸給遠(yuǎn)程客戶端;系統(tǒng)另外還帶有全球移動通信系統(tǒng)(GSM)移動報警功能,客戶可用手機(jī)接收因氣象數(shù)據(jù)超閾值而帶來的報警信息。該系統(tǒng)可以應(yīng)用于遠(yuǎn)程或室內(nèi)的局部多點氣象信息采集監(jiān)控領(lǐng)域。

物聯(lián)網(wǎng);氣象信息;全球移動通信系統(tǒng)(GSM)模塊;遠(yuǎn)程監(jiān)控

0 引言

目前,在我國遠(yuǎn)程或室內(nèi)的局部多點氣象信息監(jiān)控領(lǐng)域,采用的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)主要分為有線傳輸和無線傳輸兩種。前者較好地實現(xiàn)了氣象數(shù)據(jù)的采集,但其不利于系統(tǒng)的拓展;而后者正好解決了該問題,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)靈活多變且能夠適應(yīng)多種環(huán)境。本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計了遠(yuǎn)程或室內(nèi)的多點氣象信息采集監(jiān)控系統(tǒng)[1-2],研究了各節(jié)點與基站間的無線傳輸算法,并且結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)與全球移動網(wǎng)傳輸技術(shù),實現(xiàn)了多網(wǎng)合作傳輸?shù)墓δ?從而實現(xiàn)了氣象動態(tài)信息遠(yuǎn)程傳輸?shù)墓δ堋１鞠到y(tǒng)已經(jīng)在實驗?zāi)Ｐ蜕贤瓿闪烁鱾€功能的測試。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

物聯(lián)網(wǎng)氣象信息采集系統(tǒng)主要由4部分組成(見圖1):主、從監(jiān)控PC機(jī),無線數(shù)據(jù)采集節(jié)點,無線通信基站,全球移動通信系統(tǒng)(GSM)移動通信模塊[3-4]。其中,無線數(shù)據(jù)采集節(jié)點首先將多種氣象數(shù)據(jù)及控制信息封裝成特殊的數(shù)據(jù)包,然后按照特定網(wǎng)絡(luò)算法把數(shù)據(jù)包傳輸給通信基站;基站將數(shù)據(jù)包加工、堆棧排序后,再上傳至主監(jiān)控PC機(jī);主監(jiān)控機(jī)將數(shù)據(jù)分類、匯總、存儲并顯示,如果其中存在超閾值的數(shù)據(jù),主監(jiān)控機(jī)將通過GSM移動通信模塊發(fā)射警報數(shù)據(jù)給特定手機(jī)移動用戶;遠(yuǎn)程客戶可以利用從監(jiān)控機(jī)通過Internet網(wǎng)絡(luò)向主監(jiān)控機(jī)發(fā)出數(shù)據(jù)請求,主監(jiān)控機(jī)在接到請求后與從監(jiān)控機(jī)建立網(wǎng)絡(luò)連接,并將各個基站發(fā)來的動態(tài)數(shù)據(jù)包發(fā)送給從監(jiān)控機(jī);從監(jiān)控機(jī)再對數(shù)據(jù)包解碼,從而實現(xiàn)氣象數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能[5-6]。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of hardware

1.1無線數(shù)據(jù)采集節(jié)點結(jié)構(gòu)設(shè)計

無線采集節(jié)點主要由微控制器(MCU) STC89c52、無線收發(fā)RF905、電源、濕度傳感、溫度傳感、氣壓傳感和光照度傳感等模塊組成。STC89c52將各個模塊的采集數(shù)據(jù)收集打包,并通過RF905發(fā)送出去。無線數(shù)據(jù)采集節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of the node hardware

1.2無線通信基站結(jié)構(gòu)設(shè)計

無線通信基站主要由微處理器STC89c52、無線收發(fā)RF905、外圍擴(kuò)展SDRAM和USB串口等模塊構(gòu)成。STC89c52通過RF905接收多個節(jié)點發(fā)送來的數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)存儲在SDRAM中,然后定時通過USB串口發(fā)送給主監(jiān)控PC機(jī)。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

基站和節(jié)點中的軟件設(shè)計主要基于移植嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-II展開。主、從機(jī)監(jiān)控軟件的設(shè)計主要基于Microsoft Visual Basic 6.0展開。μC/OS-II支持C語言編程,而Microsoft Visual Basic 6.0支持VB語言和可視化窗口編程。

2.1節(jié)點與基站軟件設(shè)計

節(jié)點的主要任務(wù)是用來采集氣象數(shù)據(jù),并把數(shù)據(jù)傳遞給基站,基站再把數(shù)據(jù)傳遞給主監(jiān)控PC機(jī)。考慮到多個節(jié)點與基站通信的要求,首先采用信道時分復(fù)用的算法來解決信道傳輸沖突的問題,在此基礎(chǔ)上加入身份識別碼(ID)識別和循環(huán)主動訪問等算法來完成整個系統(tǒng)的信息傳輸。具體的軟件設(shè)計思想是:首先給所有節(jié)點分配ID,各個節(jié)點將分得的ID寫入到各自的程序中,基站也會將所有節(jié)點的ID存儲起來;系統(tǒng)運(yùn)行時基站主要依靠循環(huán)發(fā)射各節(jié)點的ID來命令各節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)幀;基站在收到數(shù)據(jù)幀后進(jìn)行ID與糾錯校驗,如果正確就記錄數(shù)據(jù)并上傳給主監(jiān)控PC機(jī),然后訪問下一個節(jié)點,否則就再次發(fā)送該節(jié)點的ID直到完成數(shù)據(jù)接收。節(jié)點中的軟件流程(見圖3):節(jié)點的主程序會在收到基站的ID命令時觸發(fā)數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)的中斷服務(wù)程序;在中斷中MCU首先會判斷接收的命令與自己的ID是否一致,如果一致則將存儲在寄存器中的各個氣象數(shù)據(jù)以及自身的ID與校驗碼打包封裝成特定數(shù)據(jù)幀,并通過無線收發(fā)器發(fā)送出去,否則就清除中斷并忽略接收到的命令,繼續(xù)進(jìn)入主程序的數(shù)據(jù)采集任務(wù)程序,從而更新寄存器中數(shù)據(jù),如此循環(huán)并等待下一個中斷的到來。這樣既避免了各個節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸?shù)男诺罌_突,保持信道通暢,也保證了基站接收到數(shù)據(jù)的正確性和有效性。

圖3 節(jié)點軟件流程圖Fig.3 Flow chart of node program

2.2主、從機(jī)監(jiān)控軟件設(shè)計

圖4 主監(jiān)控PC機(jī)軟件流程圖Fig.4 Flow chart of main monitoring PC program

在PC端軟件設(shè)計時,考慮到PC的運(yùn)行速度很快,而單片機(jī)的速度遠(yuǎn)不如PC,所以基站在檢驗數(shù)據(jù)合格之后,不再重新封裝,而直接把原來的數(shù)字幀通過串口發(fā)送給主監(jiān)控PC機(jī)。主監(jiān)控PC機(jī)中的軟件流程(見圖4):軟件發(fā)出節(jié)點采集命令之后,基站會將數(shù)據(jù)幀發(fā)送到之前打開的串口通信端口的寄存器中,軟件可以定時讀取數(shù)據(jù)幀,從中首先識別節(jié)點ID,然后取出各類數(shù)據(jù)分類存儲到硬盤中,最后就將各類數(shù)據(jù)按照各自坐標(biāo)比在軟件界面上顯示,從而形成一定時間段的數(shù)據(jù)變化曲線;收到的各類數(shù)據(jù)中如果存在超過預(yù)先設(shè)定的各類氣象閾值的,軟件將把此類數(shù)據(jù)通過GSM模塊向手機(jī)用戶發(fā)送警報信息;客戶監(jiān)控軟件的主要監(jiān)控結(jié)構(gòu)與主監(jiān)控軟件的相同,只是客戶端需要先向主監(jiān)控端發(fā)送遠(yuǎn)程連接請求,連接成功后主監(jiān)控端會在接到基站發(fā)來數(shù)據(jù)幀的同時發(fā)送同樣一份數(shù)據(jù)幀給客戶端;客戶端中的數(shù)據(jù)處理流程基本與以上描述的主監(jiān)控端一致。

3 測試效果

3.1監(jiān)控效果

圖5、6所示分別為主、從監(jiān)控端的PC軟件監(jiān)控界面圖。由圖1中可知,本氣象采集系統(tǒng)模型由2個節(jié)點、1個基站、1臺主監(jiān)控PC機(jī)和1臺從監(jiān)控PC機(jī)構(gòu)成,因此在軟件界面上設(shè)置了插頁形式的兩節(jié)點顯示界面(見圖5),且兩個節(jié)點數(shù)據(jù)的顯示格式基本一致,但顯示與控制設(shè)置相互獨(dú)立。在界面中央,濕度、氣壓與溫度以曲線形式顯示,并以不同的顏色區(qū)分,同時還顯示采集的時間與對應(yīng)的數(shù)值,而光照度因軟件界面有限則以方框中數(shù)值形式呈現(xiàn);在界面的下方,以方框中數(shù)值的形式顯示動態(tài)實時采集的各類數(shù)據(jù),并可對各類監(jiān)控數(shù)據(jù)的上限進(jìn)行手動設(shè)置,從而達(dá)到預(yù)警的功能;界面的右邊有一些數(shù)據(jù)的傳輸端口設(shè)置按鈕,這些端口用來接收基站上傳的數(shù)據(jù),另外還有一些數(shù)據(jù)采集的控制命令按鈕;在界面的最右邊是報警信息窗口,軟件在后臺會將“報警信息”以短信的形式發(fā)送到預(yù)先設(shè)定的手機(jī)上,并同時在該窗口中顯示,在報警沒有解除前,這個信息將不斷地定時發(fā)送;右下角便是主監(jiān)控機(jī)與GSM模塊數(shù)據(jù)傳輸?shù)亩丝谠O(shè)置按鈕。

從監(jiān)控端軟件的數(shù)據(jù)監(jiān)控界面與主監(jiān)控端的基本一致(見圖6(a)),并且同樣具有閾值設(shè)置與GSM報警功能。此外還多了網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)置的插頁(見圖6(b)),只要在IP地址欄中輸入主監(jiān)控機(jī)的IP地址,點擊連接就可以與主監(jiān)控機(jī)取得連接,從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸與監(jiān)控。

圖5 主監(jiān)控端軟件測試界面Fig.5 Testing interface of main monitoring software

圖6 客戶監(jiān)控端軟件測試界面Fig.6 Testing interface of client monitoring software

3.2無線傳輸效果

本文在兩種測試環(huán)境下進(jìn)行了無線傳輸效率測試,統(tǒng)計傳輸了100次數(shù)據(jù),接收次數(shù)越高,傳輸效率就越高。第一種環(huán)境中的每個房間長為15 m、鋼筋混泥土墻壁厚為27 cm,測試該環(huán)境下室內(nèi)無線傳輸穿透若干房間后的傳輸效率,結(jié)果如圖7(a)所示。測試結(jié)果分為兩組,一組是不帶LNA/PA功率放大模式,其傳輸效率隨著穿透房間個數(shù)的增加而迅速衰減;另一組則是帶LNA/PA功率放大模式,其傳輸效率明顯好于前者,但它以犧牲能耗為代價。第二種環(huán)境是200 m長的室外空曠地帶,該環(huán)境下的測試結(jié)果如圖7(b)所示。測試結(jié)果同樣分為不帶LNA/PA功率放大模式與帶LNA/PA功率放大模式兩組,從圖中可以看出,在100 m以內(nèi)兩組傳輸效率的差異并不明顯,而100 m以外不帶功率放大模式的效率衰減較為明顯,帶功率放大模式的效率則一直保持較高水平。對比兩種環(huán)境下的測試結(jié)果可知,室外擁有較好的傳輸效果,且傳輸距離要遠(yuǎn)得多。

圖7 無線傳輸效果Fig.7 Wireless transmission effect

4 總結(jié)

本文主要針對局部區(qū)域內(nèi)多點采集信息的需求而設(shè)計了一套氣象信息采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用集成電路和無線通信技術(shù),將多種氣象信息采集融為一體,在氣象信息采集的智能化與低成本化方面進(jìn)行一定深度的研究。

本文主要解決的問題:(1)針對多點無線傳輸?shù)男诺罌_突問題,設(shè)計了一種無線傳輸協(xié)議,并研究了在室內(nèi)、外的無線傳輸效率,為無線網(wǎng)絡(luò)布局提供了參考依據(jù);(2)針對動態(tài)氣象信息遠(yuǎn)程監(jiān)控問題,通過研究局域網(wǎng)連接技術(shù)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)在局域網(wǎng)中的傳輸;(3)針對一些如山區(qū)或者無網(wǎng)絡(luò)的特殊環(huán)境,設(shè)計了GSM移動監(jiān)控模塊,在事故發(fā)生前或發(fā)生時第一時間通知用戶,更有利于客戶來處理突發(fā)事件。

本系統(tǒng)還存在著一些不足:(1)數(shù)據(jù)采集還不夠全面,如風(fēng)速等,因此在以后的工作中還可進(jìn)行新型可靠的超聲波風(fēng)速風(fēng)向的傳感器模塊的研究;(2)現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)傳輸只是局限在一個局域網(wǎng)中,整個廣域網(wǎng)中的監(jiān)控還需要花更多精力去研究;(3)局域網(wǎng)中多客戶端的連接沖突還有待解決。

[1]唐慧強(qiáng),莊安榮.一種氣象數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)的設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2011,37(3):82-85.

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[5]郭志偉,張云偉,李霜,等.基于GSM的農(nóng)田氣象信息遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報,2009,40(3): 161-166.

[6]程銀寶,張孝軍,吳軍,等.基于物聯(lián)網(wǎng)的能耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究[J].黑龍江大學(xué)工程學(xué)報,2012,3(3): 92-97.

Collection System of Meteorological Information Based on Internet of Things

CAI Li-jun1,LIU Ting-yu2,ZHU Zhi-gang3,ZHANG Heng1
(1.School of Electronic and Electrical Engineering,Shanghai Second Polytechnic University,Shanghai 201209, P.R.China;2.Higher Technical College,Shanghai Maritime University,Shanghai 200136,P.R.China; 3.School of Urban Development and Environmental Engineering,Shanghai Second Polytechnic University, Shanghai 201209,P.R.China)

A system is designed for the demand of gathering the local-area multi-point meteorological information.The system uses a technology of the internet of things to complete a local-area multi-point meteorological data-collection task,so that it can send the data to the base station.Due to the transmission of the base station,the data of each node is real-timely displayed on the main monitoring software in the main monitor and stored in classifed manner.In addition,the main monitoring software can transmit the real-time data to remote clients with the Internet network.The system also has another Global System for Mobile Communication(GSM)alarm function so that clients can receive the alarms due to meteorological data exceeding the threshold by the mobile phone.The system can be used in the areas of the remote or indoor local-area multi-point meteorological information monitoring or collection.

internet of things;meteorological information;Global System for Mobile Communication(GSM)module;remote monitoring

TN98

A

1001-4543(2014)04-0306-05

2014-03-27

蔡麗俊(1986–),男,江蘇鎮(zhèn)江人,助理工程師,碩士,主要研究方向為物聯(lián)網(wǎng)及信息采集系統(tǒng)。電子郵箱ljcai@sspu.edu.cn。

上海第二工業(yè)大學(xué)科學(xué)發(fā)展基金自然科學(xué)項目(Nos.A30XK121105,EGD14XQD01)、上海市科委基礎(chǔ)研究項目(No.13NM1401300)、上海高校特聘教授(東方學(xué)者)崗位支持計劃、上海第二工業(yè)大學(xué)校級重點學(xué)科(第四期)建設(shè)項目(No.XXKZD1302)資助