無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在加密氣象觀測(cè)中的試用研究

尹常紅+王義琴+胡雅超+顏國(guó)跑

摘要：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在武漢市氣象局開(kāi)展加密觀測(cè)試用研究。在對(duì)比觀測(cè)中發(fā)現(xiàn)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)采集的氣溫總體比氣象觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)溫度偏高；在晴天太陽(yáng)輻射相對(duì)較大的情況下，隨著太陽(yáng)輻射量的增加，誤差加大。然而，基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的加密氣象觀測(cè)系統(tǒng)能夠提高氣象觀測(cè)的時(shí)空密度，能夠降低數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)膹?fù)雜性，在城市防災(zāi)減災(zāi)和大型社會(huì)活動(dòng)的氣象保障服務(wù)中，具有一定的服務(wù)優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：無(wú)線傳感器；加密觀測(cè)；溫度；太陽(yáng)輻射；氣象服務(wù)

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）02-0013-02

Research on Wireless Sensor Networks in Intensive Weather Observation

YIN Chang-hong， WANG Yi-qin， HU Ya-chao， YAN Guo-pao

（Wuhan Meteorological Bureau， Wuhan 430048， China）

Abstract： Trial study conducted intensive observations of wireless sensor networks in Wuhan Meteorological Bureau. In the comparative observation， it is found that the temperature collected by the wireless sensor nodes is generally higher than the standard temperature of meteorological observation. When the solar radiation is relatively large on a sunny day， the error increases as the solar radiation increases. However， the meteorological observation system Based on wireless sensor network can improve the space-time density of meteorological observation and reduce the complexity of data collection and transmission. It has certain service advantages in meteorological support services of urban disaster prevention and mitigation and large-scale social activities.

Key words： wireless sensor； intensive weather observation； temperature； solar radiation； meteorological support service

1 概述

1.1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量靜止或移動(dòng)的傳感器以自組織和多跳的方式構(gòu)成的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，以協(xié)作感知、采集、處理和傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋地理區(qū)域內(nèi)被感知對(duì)象的信息，并最終把這些信息發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)的所有者。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有眾多類型的傳感器，可探測(cè)包括地震、電磁、噪聲、光強(qiáng)度、壓力、土壤成分、移動(dòng)物體的大小、速度和方向等周邊環(huán)境中多種多樣的現(xiàn)象。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可應(yīng)用于氣象、軍事、航空、救災(zāi)、環(huán)境、工業(yè)、商業(yè)等領(lǐng)域。

1.2 氣象領(lǐng)域應(yīng)用

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在國(guó)內(nèi)氣象部門(mén)尚未正式業(yè)務(wù)應(yīng)用，只有一些氣象類高校在開(kāi)展相關(guān)研究。隨著武漢氣象事業(yè)的不斷發(fā)展和經(jīng)濟(jì)社會(huì)對(duì)氣象服務(wù)需求的不斷增強(qiáng)，探索現(xiàn)代氣象觀測(cè)新技術(shù)，為城市發(fā)展和社會(huì)活動(dòng)保障提供專業(yè)氣象服務(wù)愈加重要。武漢市氣象局基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)開(kāi)展了加密氣象觀測(cè)系統(tǒng)的試用研究。

2 基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的加密觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)研究試用需要，2013年在武漢觀象臺(tái)部署了基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的加密氣象觀測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)氣象數(shù)據(jù)的高時(shí)空密度下的精確采集，穩(wěn)定傳輸與快速存儲(chǔ)，同時(shí)開(kāi)發(fā)可視化展示與管理軟件平臺(tái)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，研究基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的氣象加密觀測(cè)系統(tǒng)開(kāi)展相關(guān)專業(yè)氣象服務(wù)的可能。

2.1 硬件系統(tǒng)

實(shí)地部署加密氣象觀測(cè)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)13個(gè)，實(shí)現(xiàn)單匯聚節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，高空間密度監(jiān)測(cè)模式下，各類氣象要素監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采樣周期小于5分鐘/次。

系統(tǒng)的架構(gòu)如圖1所示。它是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在氣象觀測(cè)上的應(yīng)用，所以它具有無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和特征。它包含傳感器節(jié)點(diǎn)（sensor node）、匯聚節(jié)點(diǎn)（sink node）和管理節(jié)點(diǎn)。傳感器節(jié)點(diǎn)所采集的數(shù)據(jù)沿著其他傳感器節(jié)點(diǎn)逐跳傳輸?shù)絽R聚節(jié)點(diǎn)，最后用戶通過(guò)管理節(jié)點(diǎn)收集采集到的數(shù)據(jù)，同時(shí)用戶能通過(guò)管理節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)配置管理。

氣象觀測(cè)傳感器節(jié)點(diǎn)采用2.4GHz ISM頻段通信，實(shí)現(xiàn)有效通信距離1km以上，滿足氣象傳感應(yīng)用對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸?shù)奶厥庑枨?。處理器擬通過(guò)I2C總線連接A/D轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器模擬信號(hào)的數(shù)字采樣；通過(guò)UART/RS232/I2C總線連接外部數(shù)字傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器數(shù)字信號(hào)的接收；通過(guò)SPI總線連接數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元，實(shí)現(xiàn)采樣數(shù)據(jù)的本地存儲(chǔ)。

所有傳感器節(jié)點(diǎn)均裝備微型溫濕度傳感器，能夠提供基本的氣象要素觀測(cè)，滿足一般場(chǎng)合的氣象服務(wù)需求。該節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)加密觀測(cè)需要，裝配氣象專業(yè)傳感器，觀測(cè)要素包括溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、氣壓、降水量等。endprint

2.2 軟件開(kāi)發(fā)

根據(jù)需要開(kāi)發(fā)了基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的加密氣象觀測(cè)系統(tǒng)軟件，主要模塊包括：無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)程序、數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)、基站端顯示與管理平臺(tái)、傳感器網(wǎng)絡(luò)氣象服務(wù)平臺(tái)四部分。

1） 無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)程序：包括驅(qū)動(dòng)、協(xié)議及嵌入式軟件系統(tǒng)等，基于TinyOS開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)氣象要素?cái)?shù)據(jù)的采集，處理與傳輸。

2） 數(shù)據(jù)處理與控制程序：實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用控制和對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的解碼處理。

3） 基站端顯示與管理平臺(tái)：基于.NET技術(shù)，實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的可視化網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湔故?、?shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)分析、事件預(yù)警、節(jié)點(diǎn)控制、數(shù)據(jù)發(fā)布管理等功能。

4） 傳感器網(wǎng)絡(luò)氣象服務(wù)平臺(tái)：基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)WEB服務(wù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)基于百度地圖的實(shí)時(shí)氣象信息顯示、氣象數(shù)據(jù)分析、個(gè)性化氣象服務(wù)等功能。

2.3 試驗(yàn)研究結(jié)果

無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)能夠自組織網(wǎng)絡(luò)，圖2顯示了在武漢觀象臺(tái)布置的傳感器節(jié)點(diǎn)的拓?fù)鋱D，這些傳感器節(jié)點(diǎn)分布在觀測(cè)場(chǎng)、農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)田、業(yè)務(wù)樓以及大院外的馬路邊。通過(guò)試用發(fā)現(xiàn)，這些節(jié)點(diǎn)能自動(dòng)組網(wǎng)，完成觀測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)空加密采集和無(wú)線傳輸，在一般遮擋環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)了最遠(yuǎn)大約1km的節(jié)點(diǎn)有效連接。如87號(hào)節(jié)點(diǎn)，布置在馬路邊的電線桿上，距離中心站超過(guò)900米，且有一些樹(shù)葉遮擋，但是在試用研究中，該站數(shù)據(jù)通信十分穩(wěn)定。

選取2014年3月9日—14日無(wú)線傳感器采集到的數(shù)據(jù)與武漢國(guó)家基本氣象站觀測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對(duì)比，發(fā)現(xiàn)：無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)采集的氣溫總體比觀測(cè)站數(shù)據(jù)偏高，在3月12日13日，兩者的數(shù)據(jù)的差異最小，分析當(dāng)日天氣情況，12日和13日天氣現(xiàn)象是小雨，剩下的天數(shù)則偏差更多，可以發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)不同程度地要大于標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)。以此推斷，沒(méi)有百葉箱等的防護(hù)是數(shù)據(jù)偏高的重要原因，特別是在有強(qiáng)烈陽(yáng)光照射的天氣情況下，偏差會(huì)變成更大。見(jiàn)圖4。

地球大氣最根本、最主要的能量來(lái)源是太陽(yáng)輻射。熱太陽(yáng)輻射到達(dá)地面后，一部分被反射，一部分被地面吸收，使地面增熱；地面再通過(guò)輻射、傳導(dǎo)和對(duì)流把熱傳給空氣，這是近地面大氣熱量的主要來(lái)源。

為了分析太陽(yáng)輻射對(duì)本文溫濕度傳感器的影響程度，對(duì)照武漢國(guó)家基本氣象站正點(diǎn)氣象輻射數(shù)據(jù)，使用每小時(shí)太陽(yáng)總輻射輻照度數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。首先對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行小波濾波，之后分析濾波后的數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)的差異。為了便于分析，本文使用濾波數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)的絕對(duì)誤差、當(dāng)日每小時(shí)輻射量進(jìn)行比較，效果如圖5所示。

從圖5中推斷，在晴朗的天氣，相對(duì)太陽(yáng)輻射大的情況下，隨著每小時(shí)輻射量的增加，誤差開(kāi)始增加；與此相對(duì)，在太陽(yáng)輻射低，即雨天情況下，比如3月12日，誤差穩(wěn)定相對(duì)較小。

節(jié)點(diǎn)自帶的溫室度傳感器采集到觀測(cè)數(shù)據(jù)，與氣象專業(yè)傳感器采集的觀測(cè)數(shù)據(jù)，在精度上有一定的誤差，暫不能作為氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)使用，但是可以應(yīng)用在一些數(shù)據(jù)要求不是太精確的場(chǎng)合，比如園藝博覽會(huì)、一般社會(huì)活動(dòng)等。如果需要精確數(shù)據(jù)，可以裝配氣象專業(yè)傳感器進(jìn)行要素觀測(cè)。

3 結(jié)束語(yǔ)

基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的加密氣象觀測(cè)系統(tǒng)能夠提高氣象觀測(cè)的密度，能夠降低數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)膹?fù)雜性。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有固定觀測(cè)儀器不可比擬的優(yōu)點(diǎn)，它可以在一些極端情況下，比如發(fā)生大的自然災(zāi)害、或者一些偏遠(yuǎn)地區(qū)沒(méi)有無(wú)線通信信號(hào)覆蓋的情況下，可以不借助電信通信網(wǎng)絡(luò)，快捷組網(wǎng)，傳輸觀測(cè)資料；也可以在一些大型活動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)，在不方便布設(shè)傳統(tǒng)自動(dòng)氣象站的地方，布設(shè)微型傳感器節(jié)點(diǎn)，提供現(xiàn)場(chǎng)氣象保障服務(wù)?；跓o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，在氣象應(yīng)用中能夠?yàn)榫C合氣象觀測(cè)、氣象應(yīng)急減災(zāi)和公共氣象服務(wù)提供基礎(chǔ)支撐，在大城市氣象服務(wù)中，特別是在城市防災(zāi)減災(zāi)和大型社會(huì)活動(dòng)的氣象保障服務(wù)中，具有一定的服務(wù)優(yōu)勢(shì)。

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