基于无线传感器网络的晨练指数实时播报系统＊

夏景明 肖冬荣

(南京信息工程大学电子与信息工程学院 南京 210044)

0 引 言

随着现代化技术的发展以及经济生活水平的提高,人们在追求物质生活高质量的同时越来越关注周围的生存环境和环境给人们的生产和生活造成的影响.这对气象服务提出了更高的要求,为此,城市环境气象预报技术作为一门新兴的边缘科学在全国各地蓬勃的发展.晨练气象指数预报是城市环境气象预报的一种,当前的晨练气象指数预报主要由气象部门对第2天晨练时段的天空状况、风、地面状况、空气清洁度、温度变化等气象条件的预测指标进行综合判定,给出相应取值,并通过电视、网络、广播等公众媒体向社会发布.

这种预报模式存在以下问题：(1)晨练主要时间集中在第2天清晨3 h内,当前的气象预报模式是24 h预报,在复杂气象条件下对第2天清晨的天气预报往往不够准确和精确.(2)空气质量是决定晨练是否适宜的重要指标,但当前在城市主要晨练地点的空气质量实时监测装置非常缺乏.(3)大中城市和中心城市的城市规模庞大,城市中各晨练点空气质量和地形植被差别很大,以一个单一指数来表征一个城市的晨练适宜程度是不准确的.譬如,阴天时树林中CO2含量很高不宜晨练,但对于在市民广场晨练则影响较小.

本系统利用无线传感器网络对晨练点气象和空气质量进行精细数据采集,然后通过GPRS网络实时的将评估信息传递到各社区的告示平台,提出了一种全新的点对点的晨练指数预报模式.

1 晨练指数预报系统的体系结构

本系统主要由无线传感器网络节点、SINK节点、传输网络和终端评估显示平台4个部分构成,系统总体结构见图1.

图1 晨练指数实时播报系统系统结构

考虑到对于一个城市的规模气象因素分布比较平均,为节约成本各晨练点的气象要素可以直接采集晨练点附近自动气象站的数据.在城市各晨练点(市民广场、城市森林公园、周边山地)密集部署大量的无线传感器网络节点,主要负责采集该晨练点空气质量数据,传感器节点采集到空气质量数据后采用多跳的方式将数据传递给SINK节点,SINK节点是网络内的汇聚节点,应具有一定的数据存储和数据计算融合能力,此外SINK节点也是连接传感器网络和终端用户的设备,在本系统中采用GPRS无线传输手段将各晨练点汇聚节点的数据传递给终端分析和评估平台,平台对上传数据分析后再通过GPRS网络将某社区3 km以内的所有晨练点晨练指数信息发给该社区并通过LCD液晶显示屏向社区居民播报,没有社区播报系统的地区可以通过个人手机定制信息.

为加强网络的鲁棒性和可靠性以及避免网络遭到人为的破坏,本系统以SINK节点为中心在各晨练点周围将网络节点布设为树形,传输协议采用ZigBee网络传输协议[1-3].

2 硬件节点及模块设计

2.1 传感器节点模块设计

传感器节点是无线传感器网络的基本单元,节点的稳定运行是网络可靠的基本保证.传感器节点模块由大气主要污染物传感器、数据采集和处理、无线收发和电源4大部分组成,传感器节点的硬件结构见图2.

图2 传感器节点功能结构图

本系统选用DSM501灰尘传感器和英国城市技术公司的电化学气体传感器,该传感器利用电导率来探测气体浓度,精度高、价格低,在空气中可以连续使用3年以上,其产品系列能够对晨练中的主要污染物O3,SO2,CO2,NOx等污染气体进行浓度测量,数据经AD转换器转换为数字信号后传递给数据处理单元.晨练点无线传感器网络中节点的能量采用电池供电,数据处理单元采用德州仪器公司超低功耗 16位单片机MSP430F149,该单片机拥有8路12位ADC,60K的FLASH和2KRAM,能在-40～+85℃的室外环境下正常工作且超低功耗,该单片机同时具有一种工作模式和5种睡眠模式,通过应用程序能关闭MSP430中未使用的模块并能根据需要切换工作模式和睡眠模式.系统只需在早晨4点至8点之间开启,其余时段均处于休眠状态.传感器信号经运算放大器放大口通过A/D转换器转换为数字量,MSP430内置的温度传感器检测环境温度,可根据需要对所测空气数量数据进行温度修正.

无线收发单元采用Chipcon公司的CC2430芯片实现近距离通信,CC2430包含一个高性能的2.4GHZ的射频收发器并且已经固化了Zigbee网络协议栈,简化了系统开发,只需外加少量外围电路便可以构成收发模块.主控制器MSP430F149通过SPI接口(SI,SO,SCLK,CSn)控制CC2430的工作状态并实现读写缓存数据; FIFOP引脚和FIFO引脚设置发射和接收的缓存器;SFD引脚控制时钟和定时器的输入;CCA管脚控制清除通道估计.CC2430与MSP430的接口如图3.

图3 CC2430与MSP430F149连线图

系统电源采用两节五号电池双路供电,使用升压DC/DC芯片NCP1402分别输出5 V和 3.3 V的工作电压,其中5 V电压为数据采集单元供电,3.3 V电压供CC2430和MSP430F149使用.因数据采集单元和无线收发单元耗电量较大,使用模拟开关ISL43111控制各传感器供电,当无采集与收发任务时关闭传感器电源并置收发装置于睡眠状态.

2.2 SINK节点模块设计

SINK节点是传感器网络与终端处理器之间的桥梁,需要有一定的数据处理能力并完成与传感器网络和终端的通信,SINK节点主要由嵌入式微处理器模块、无线通信模块和外扩存储器3部分组成,见图4.

图4 SINK节点结构功能图

SINK节点负责无限传感器网络和GPRS网络的数据收发和处理[4-5],同时还负责网络的组建、节点的增删等任务,需要具备较强的处理能力.处理器芯片采用三星公司的S3C2410处理器.S3C2410基于ARM9的内核,具有三通道的UART与GPRS及无线传感器网络通信非常方便,支持WinCE操作系统,可以对PPP拨号进行配置.

无线通信模块包含2个部分,SINK节点与传感器网络之间的通信依然采用CC2430,SINK节点与评估和发布终端系统采用GPRS无线通信模式,采用西门子公司的MC55三频GPRS通信模块,MC55内嵌TCP/IP协议,可以轻松的与Internet相连实现SINK节点与终端的通信.该模块集成短消息、语音通信、无线上网和数据传递等功能,提供串口,可以和S3C2410的串口直接相连,其通信功能通过调用AT命令实现.Wince内嵌完整的 TCP/IP栈,GPRS初始化阶段只需要使用AT命令建立信道、设置波特率并指定上层协议开通GPRS链路就可以采用PPP协议进行数据链路层的连接和数据的传输.建立GPRS数据链路层以后就可以完成socket通信,考虑到晨练系统对实时性比较高的要求,本系统在IP层之上选择UDP协议.为了实现对各SINK节点的远程控制在终端平台还编写了用于收发基于UDP协议的IP数据包的通信软件.

CC2430使用 2.4G频段,最高传输速率250 kbit/s,而 MC55的最高传输速率仅为171.2 kbit/s,在实时数据传输时需要建立存储缓冲区由系统统一管理数据,本系统在SINK节点外接128 M高速数据存储器作为系统的外扩内存.

2.3 终端和社区显示模块

终端由高性能计算机、GPRS接受发送模块、路由器、数据接收管理分析评估系统、数据库等软硬件组成.终端计算机每隔半小时通过GPRS模块接收各SINK节点的IP包空气质量数据.

社区显示模块可根据各社区的现有硬件条件分别设计,普通居民可按需自行定制所需晨练点的晨练短信息,终端计算机通过GPRS模块向定制用户发布并按月收取一定费用,对于拥有社区LCD电视告示板的小区,本系统设计了基于S3C2410和VGA液晶电视显示平台.S3C2410自带LCD扫描式接口,利用高性能视频D/A转换芯片 ADV7120可转换为 VGA接口. ADV7102在单芯片上集成3各独立8位高速D/ A转换器分别处理红、绿、蓝三色数据,转换电路中3组8位数据输入端对应接受RGB视频数据,采用标准TT L电平,视频控制信号线包括复合同步信号SYNC、消隐信号BLANK、白电平参考信号REFWHITE和像素时钟信号CLOCK,外接1.23 V D/A参考电压和输出满意调节,在输出端模拟RGB信号采用高阻电流源方式输出.同步参考电流输出信号Isync在绿视频信号中编码同步信息,连接电路图如图5.考虑到S3C2410的负担,设置显示器工作在16位色彩模式下显示60HZ的640X480的分辨率图像,显示屏信息、时序控制和数据格式由寄存器LCDCON1到LCDCON5控制.

图5 ADV7102驱动VGA接口电路图

3 系统软件设计

3.1 传感器节点软件设计

传感器节点主要负责数据采集与发送、转发其他节点数据并与SINK节点通信.软件设计中除了考虑功能的实现还需要考虑节能.传感器每隔30 min采集一次环境数据,采集完成后关闭传感器电源并初始化CC2430,先发送本节点数据再检测是否有转发数据,完成后节点进入睡眠状态等待下一轮采集.编程采用模块化方式包括数据采集子程序、无线收发子程序和时钟控制子程序.流程图如图6.

图6 传感器节点应用程序流程图

3.2 SINK节点软件设计

各晨练点SINK节点通过CC2430接收数据并通过GPRS转发到终端.通过GPRS进行数据传输需要经过Internet,因而对传输数据的封装必须符合TCP/IP协议,需要传输的数据依次进行UDP协议头封装、IP协议头封装和PPP协议封装,封装后的MC55数据格式如下.

PPP协议头 IP协议头 UDP协议头 数据 校验码

软件采用自底向上思想逐步实现各函数功能,各函数均采用模块化设计方法,最终由WINCE系统统一管理.PPP软件包工作于WINCE操作系统,控制MC55接入网络,程序结构图见图7.

图7 GPRS拨号程序结构图

3.3 终端和社区显示系统软件设计[6]

终端的核心程序实际上是管理信息系统,数据库使用SQL,用户界面使用VC++编写.该数据库负责将从SINK节点接收的数据存储,根据各种污染物的浓度计算出空气清洁度指标(ww),同时通过GPRS或互联网接收当地自动气象站实时气象数据资料,接受的数据包括天空状况(tk)、地面状况(dm)、平均风力(v)、气温变化情况(bt),数据可由终端分析评估系统整合分级并根据式(1)计算各晨练点晨练指数待发布.

系统每隔半小时根据各社区所在地将全市最主要晨练点及社区所在地3 km以内所有晨练点的最新晨练指数信息通过计算机外接GPRS网络发送到相应社区,社区显示系统基于EVC和WINCE的开发,通过VGA液晶电视将各晨练点的指数显示发布,社区居民可根据指数及时决定是否进行晨练及晨练地点.

4 结束语

随着城市规模的扩大,功能化气象精细实时播报是未来天气预报和播报的一种全新模式,本文提出的基于无线传感器网络大城市晨练指数实时播报系统设计方案突破了传统的气象预报方法,实现了晨练指数的实时播报.系统已在南京市部分晨练点和社区进行了测试,系统具有工作稳定、维护简单、耗能少、气体浓度测量精度高、温度适用范围广、传输误码率低、播报及时等特点.通过变更传感器和部分软硬件,系统还可用于城市大气局部污染、交通条件等其他气象精细播报.

[1]李雅卿,李腊元,汪春妍.无线传感器网络多路径路由算法的研究[J].武汉理工大学学报：交通科学与工程版,2009,33(1)：369-371.

[2]Moninger W R,Mamrosh R D,Pauley P M.Automated meteorological reports from commercial aircraft [J].Bulletin of AMS,2003,84(2)：203-216.

[3]仲元昌,唐宝平,谭春禄.用于大气环境监测的无线智能传感器阵列研究[J].通信学报,2008(6)：137-140.

[4]邓 菲,王 磊,尹慧琳.基于嵌入式系统与GPRS传输的大气污染气体综合监控系统[J].测控技术, 2006(25)：66-69.

[5]卜天然,吕立新,汪 伟.基于TinyOS无线传感器网络的农业环境监测系统设计[J].农业网络信息, 2009(2)：23-26.

[6]刘晓忠,哈立宇.晨练指数预报[J].赤峰学院学报, 2008(4)：60-62.