基于物联网的气象信息采集系统设计

蔡丽俊,刘婷玉,朱志刚,张 衡

基于物联网的气象信息采集系统设计

蔡丽俊1,刘婷玉2,朱志刚3,张 衡1

(1.上海第二工业大学电子与电气工程学院,上海201209;2.上海海事大学高等技术学院,上海200136; 3.上海第二工业大学城市建设与环境工程学院,上海201209)

针对局部区域内多点气象信息采集的需求而设计了一套信息采集系统。系统利用物联网技术完成局部区域内多点气象数据采集,并将数据发给基站;通过基站传输,各节点数据将分类实时显示在主监控机的监控软件上并被归类存储;此外,主监控软件可利用机房中的Internet网络将数据实时传输给远程客户端;系统另外还带有全球移动通信系统(GSM)移动报警功能,客户可用手机接收因气象数据超阈值而带来的报警信息。该系统可以应用于远程或室内的局部多点气象信息采集监控领域。

物联网;气象信息;全球移动通信系统(GSM)模块;远程监控

0 引言

目前,在我国远程或室内的局部多点气象信息监控领域,采用的数据传输技术主要分为有线传输和无线传输两种。前者较好地实现了气象数据的采集,但其不利于系统的拓展;而后者正好解决了该问题,系统结构灵活多变且能够适应多种环境。本文基于物联网技术设计了远程或室内的多点气象信息采集监控系统[1-2],研究了各节点与基站间的无线传输算法,并且结合互联网与全球移动网传输技术,实现了多网合作传输的功能,从而实现了气象动态信息远程传输的功能。本系统已经在实验模型上完成了各个功能的测试。

1 系统总体设计

物联网气象信息采集系统主要由4部分组成(见图1):主、从监控PC机,无线数据采集节点,无线通信基站,全球移动通信系统(GSM)移动通信模块[3-4]。其中,无线数据采集节点首先将多种气象数据及控制信息封装成特殊的数据包,然后按照特定网络算法把数据包传输给通信基站;基站将数据包加工、堆栈排序后,再上传至主监控PC机;主监控机将数据分类、汇总、存储并显示,如果其中存在超阈值的数据,主监控机将通过GSM移动通信模块发射警报数据给特定手机移动用户;远程客户可以利用从监控机通过Internet网络向主监控机发出数据请求,主监控机在接到请求后与从监控机建立网络连接,并将各个基站发来的动态数据包发送给从监控机;从监控机再对数据包解码,从而实现气象数据的远程监控功能[5-6]。

图1 硬件结构Fig.1 Structure of hardware

1.1无线数据采集节点结构设计

无线采集节点主要由微控制器(MCU) STC89c52、无线收发RF905、电源、湿度传感、温度传感、气压传感和光照度传感等模块组成。STC89c52将各个模块的采集数据收集打包,并通过RF905发送出去。无线数据采集节点的硬件结构框图如图2所示。

图2 节点硬件结构Fig.2 Structure of the node hardware

1.2无线通信基站结构设计

无线通信基站主要由微处理器STC89c52、无线收发RF905、外围扩展SDRAM和USB串口等模块构成。STC89c52通过RF905接收多个节点发送来的数据,并将数据存储在SDRAM中,然后定时通过USB串口发送给主监控PC机。

2 系统软件设计

基站和节点中的软件设计主要基于移植嵌入式实时操作系统µC/OS-II展开。主、从机监控软件的设计主要基于Microsoft Visual Basic 6.0展开。µC/OS-II支持C语言编程,而Microsoft Visual Basic 6.0支持VB语言和可视化窗口编程。

2.1节点与基站软件设计

节点的主要任务是用来采集气象数据,并把数据传递给基站,基站再把数据传递给主监控PC机。考虑到多个节点与基站通信的要求,首先采用信道时分复用的算法来解决信道传输冲突的问题,在此基础上加入身份识别码(ID)识别和循环主动访问等算法来完成整个系统的信息传输。具体的软件设计思想是:首先给所有节点分配ID,各个节点将分得的ID写入到各自的程序中,基站也会将所有节点的ID存储起来;系统运行时基站主要依靠循环发射各节点的ID来命令各节点发送数据帧;基站在收到数据帧后进行ID与纠错校验,如果正确就记录数据并上传给主监控PC机,然后访问下一个节点,否则就再次发送该节点的ID直到完成数据接收。节点中的软件流程(见图3):节点的主程序会在收到基站的ID命令时触发数据发送任务的中断服务程序;在中断中MCU首先会判断接收的命令与自己的ID是否一致,如果一致则将存储在寄存器中的各个气象数据以及自身的ID与校验码打包封装成特定数据帧,并通过无线收发器发送出去,否则就清除中断并忽略接收到的命令,继续进入主程序的数据采集任务程序,从而更新寄存器中数据,如此循环并等待下一个中断的到来。这样既避免了各个节点数据传输的信道冲突,保持信道通畅,也保证了基站接收到数据的正确性和有效性。

图3 节点软件流程图Fig.3 Flow chart of node program

2.2主、从机监控软件设计

图4 主监控PC机软件流程图Fig.4 Flow chart of main monitoring PC program

在PC端软件设计时,考虑到PC的运行速度很快,而单片机的速度远不如PC,所以基站在检验数据合格之后,不再重新封装,而直接把原来的数字帧通过串口发送给主监控PC机。主监控PC机中的软件流程(见图4):软件发出节点采集命令之后,基站会将数据帧发送到之前打开的串口通信端口的寄存器中,软件可以定时读取数据帧,从中首先识别节点ID,然后取出各类数据分类存储到硬盘中,最后就将各类数据按照各自坐标比在软件界面上显示,从而形成一定时间段的数据变化曲线;收到的各类数据中如果存在超过预先设定的各类气象阈值的,软件将把此类数据通过GSM模块向手机用户发送警报信息;客户监控软件的主要监控结构与主监控软件的相同,只是客户端需要先向主监控端发送远程连接请求,连接成功后主监控端会在接到基站发来数据帧的同时发送同样一份数据帧给客户端;客户端中的数据处理流程基本与以上描述的主监控端一致。

3 测试效果

3.1监控效果

图5、6所示分别为主、从监控端的PC软件监控界面图。由图1中可知,本气象采集系统模型由2个节点、1个基站、1台主监控PC机和1台从监控PC机构成,因此在软件界面上设置了插页形式的两节点显示界面(见图5),且两个节点数据的显示格式基本一致,但显示与控制设置相互独立。在界面中央,湿度、气压与温度以曲线形式显示,并以不同的颜色区分,同时还显示采集的时间与对应的数值,而光照度因软件界面有限则以方框中数值形式呈现;在界面的下方,以方框中数值的形式显示动态实时采集的各类数据,并可对各类监控数据的上限进行手动设置,从而达到预警的功能;界面的右边有一些数据的传输端口设置按钮,这些端口用来接收基站上传的数据,另外还有一些数据采集的控制命令按钮;在界面的最右边是报警信息窗口,软件在后台会将“报警信息”以短信的形式发送到预先设定的手机上,并同时在该窗口中显示,在报警没有解除前,这个信息将不断地定时发送;右下角便是主监控机与GSM模块数据传输的端口设置按钮。

从监控端软件的数据监控界面与主监控端的基本一致(见图6(a)),并且同样具有阈值设置与GSM报警功能。此外还多了网络连接设置的插页(见图6(b)),只要在IP地址栏中输入主监控机的IP地址,点击连接就可以与主监控机取得连接,从而实现数据的远程传输与监控。

图5 主监控端软件测试界面Fig.5 Testing interface of main monitoring software

图6 客户监控端软件测试界面Fig.6 Testing interface of client monitoring software

3.2无线传输效果

本文在两种测试环境下进行了无线传输效率测试,统计传输了100次数据,接收次数越高,传输效率就越高。第一种环境中的每个房间长为15 m、钢筋混泥土墙壁厚为27 cm,测试该环境下室内无线传输穿透若干房间后的传输效率,结果如图7(a)所示。测试结果分为两组,一组是不带LNA/PA功率放大模式,其传输效率随着穿透房间个数的增加而迅速衰减;另一组则是带LNA/PA功率放大模式,其传输效率明显好于前者,但它以牺牲能耗为代价。第二种环境是200 m长的室外空旷地带,该环境下的测试结果如图7(b)所示。测试结果同样分为不带LNA/PA功率放大模式与带LNA/PA功率放大模式两组,从图中可以看出,在100 m以内两组传输效率的差异并不明显,而100 m以外不带功率放大模式的效率衰减较为明显,带功率放大模式的效率则一直保持较高水平。对比两种环境下的测试结果可知,室外拥有较好的传输效果,且传输距离要远得多。

图7 无线传输效果Fig.7 Wireless transmission effect

4 总结

本文主要针对局部区域内多点采集信息的需求而设计了一套气象信息采集系统。该系统利用集成电路和无线通信技术,将多种气象信息采集融为一体,在气象信息采集的智能化与低成本化方面进行一定深度的研究。

本文主要解决的问题:(1)针对多点无线传输的信道冲突问题,设计了一种无线传输协议,并研究了在室内、外的无线传输效率,为无线网络布局提供了参考依据;(2)针对动态气象信息远程监控问题,通过研究局域网连接技术实现了数据在局域网中的传输;(3)针对一些如山区或者无网络的特殊环境,设计了GSM移动监控模块,在事故发生前或发生时第一时间通知用户,更有利于客户来处理突发事件。

本系统还存在着一些不足:(1)数据采集还不够全面,如风速等,因此在以后的工作中还可进行新型可靠的超声波风速风向的传感器模块的研究;(2)现在的网络传输只是局限在一个局域网中,整个广域网中的监控还需要花更多精力去研究;(3)局域网中多客户端的连接冲突还有待解决。

[1]唐慧强,庄安荣.一种气象数据采集传输系统的设计[J].电子技术应用,2011,37(3):82-85.

[2]BARI N,MANI G,BERKOVICH S.Internet of things as a methodological concept[C]//Computing for Geospatial Research and Application(COM.Geo),2013 Fourth International Conference on.San Jose,CA:IEEE,2013:48-55. [3]CHEN G,ZHANG Y M,WANG B.Radio transmission of tele-data based on GPRS[J].Journal of Noah University of China,2006,27(3):220-223.

[4]PAN Z R,XU M.Penstock level automatic measurement and transmission system based on short message service of GSM[J].Computer Engineering,2007,33(7):234-236.

[5]郭志伟,张云伟,李霜,等.基于GSM的农田气象信息远程监控系统设计[J].农业机械学报,2009,40(3): 161-166.

[6]程银宝,张孝军,吴军,等.基于物联网的能耗数据采集系统的研究[J].黑龙江大学工程学报,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

蔡丽俊(1986–),男,江苏镇江人,助理工程师,硕士,主要研究方向为物联网及信息采集系统。电子邮箱ljcai@sspu.edu.cn。

上海第二工业大学科学发展基金自然科学项目(Nos.A30XK121105,EGD14XQD01)、上海市科委基础研究项目(No.13NM1401300)、上海高校特聘教授(东方学者)岗位支持计划、上海第二工业大学校级重点学科(第四期)建设项目(No.XXKZD1302)资助