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有关无线传感网气象监测系统的研究
摘要：传统的气象监测系统在气象监测节点组网连接的成本、功耗，监测节点的管理，以及气象数据的发布、共享等方面都有一些缺点和不足。针对这种情况，设计了一个无线传感网气象监测系统。所设计的无线传感网气象监测系统达到设计的要求，系统支持多个气象监测节点，系统可以通过ZigBee、GPRS网络通信，可以方便地管理气象监测节点、获取与处理气象数据。
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气候影响人类方方面面的生产生活[1]。特别是近些年来，更多温室气体排放到空气中，极端天气变得更频繁。灾害天气给人们带来了不同程度的损失，甚至迫使某些地区的居民离开家园[2,3]。因此，人类需要采取有效地手段监测气象，在灾害天气面前采取预防措施。传统的气象监测系统在气象监测节点组网连接的成本、功耗，监测节点的管理和气象数据的发布、共享等方面都有一些缺点和不足[4,5,6]。
针对这种情况，基于部署灵活的ZigBee无线传输网络和拥有较长通讯距离的GPRS通信技术，本文提出了基于无线传感网的气象监测系统。
1、系统概述
ZigBee在低功耗、短距离和低速率的无线传输中具有较大优势，相关产品种类也越来越丰富、技术也更加成熟[7,8,9]。另外，GPRS可以传输的距离较长，有手机信号的地方，就可以使用GPRS传输，GPRS也十分适合小数据量的传输，数据传输成本也较低[10]。因而本系统结合这两种无线传输技术设计了无线传感网气象监测系统。图1是无线传感网气象监测系统架构示意图，主要包括3部分：1）气象监测上位机软件，2）无线传输网关、ZigBee路由器，3）气象监测节点。气象监测上位机软件是整个系统的控制核心部分，也具有数据存储、显示功能；无线传输网关和ZigBee路由器等部分负责维持整个无线传输网络，转发数据；气象监测节点部署在野外，拥有多种气象传感器，负责采集气象数据，受到上位机控制。
图1系统架构示意图
2、系统各部分设计
2.1气象监测节点设计
2.1.1气象监测节点硬件设计
气象监测节点由STM32F103ZET单片机、ZigBee终端设备、存储芯片、气象采集传感器等几部分组成，如图2所示。节点分别使用了采集风速风向、温度、湿度和气压等气象要素的多种传感器。节点由普通铅蓄电池和太阳能电池板混合供电。主控芯片STM32的USART2和ZigBee终端设备的UART直接连接，串口通信使用的波特率为115200，数据位是8位，停止位1位，没有使用校验位。气象监测节点通过自身内部的ZigBee终端设备模块接入ZigBee无线通信网络。
图2气象监测节点硬件结构示意图
为了加快开发速度，直接使用成熟的ZigBee模块，本文选择的ZigBee模块是厦门四信的产品，型号是F8913D，该ZigBee模块是一种基于IEEE802.15.4/ZigBee技术的嵌入式无线数据传输模块，采用符合2.4GHzIEEE802.15.4标准射频收发器的ZigBee网络为用户提供无线传输功能[11]，可以通过厂商提供的配置软件，将ZigBee模块配置成ZigBee终端设备、路由设备和协调器设备。该型号ZigBee模块组成的ZigBee网络节点容量大，可达65000个节点，支持多种拓扑结构的网络，例如Mesh传输网络，点对多点传输网络等，有多种数据发送的方式，可以通过配置目标地址定向发送数据，也可以广播发送数据，支持AT、API和透传3种数据发送模式。透传模式下，在ZigBee终端设备加入网络后，可以通过串口将数据传输给ZigBee模块，该数据将通过ZigBee网络传输到指定目标地址的设备上；ZigBee终端通过无线通信接收到的数据由串口输出。气象监测节点中的ZigBee模块就配置成ZigBee终端设备、透传模式，可以接收任何节点发来的数据，而通过ZigBee网络向协调器发送数据。
2.1.2气象监测节点程序设计
气象监测节点上电以后，进行外设、硬件模块的初始化，根据程序中的标志变量，判断是否需要采集气象数据、是否需要上传气象数据，然后监听串口数据，如果有数据经过ZigBee终端传入STM32，则程序对数据进行解析，并执行相关命令。传输的数据包含帧头、节点号、命令、数据长度、数据域和校验域。需要注意的是，上电以后，气象监测节点中的ZigBee终端设备自动运行，加入ZigBee网络，无需STM32管理。气象监测节点的程序流程图如图3所示。通过程序流程图可以看到节点并不是一直在采集气象数据，也不是一直向上位机软件上传气象数据，这些任务的执行是可控的，目的是减少能耗。
图3气象监测节点程序流程图
2.2无线传输网关设计
无线传输网关主要由ZigBee协调器、STM32F103ZET和GPRS模块组成。
ZigBee协调器用的也是F8913D，通过专用的配置软件将F8913D配置成ZigBee协调器。协调器工作在API模式下，在API模式下，所有数据都包含在特定的帧中，可以在这种特定帧中指定数据发送的目标地址，这样数据就通过最优路由路径传输至指定的ZigBee终端设备，相较于广播发送，可以减轻ZigBee网络的负担，减少数据冲突。
GPRS模块选用的是USR-GPRS232-7S2型号的无线模块[12]。该模块支持GSM/GPRS网络；支持短信透传、网络透传、HTTPD模式；两个网络可以同时在线连接，支持TCP和UDP两种网络通信协议。本项目中的GPRS模块工作在TCP透传模式中，通过专用的配置软件对其进行简单配置就可使用。使用GPRS模块时，用到了“心跳包”机制[13]，“心跳包”就是在GPRS模块和服务器连接过程中，为了让连接更可靠，每隔一小段时间，GPRS模块向服务器发送一小帧数据来保持连接的一种机制。“心跳包”机制的两个作用分别是维持比较稳定的连接和在GPRS模块异常下线时使得模块重新和服务器建立连接。
由于网络延迟、不稳定等原因，GPRS模块接收到的数据可能是要传输给ZigBee协调器的多帧数据，也可能不到一帧数据，因而需要在GPRS模块和ZigBee协调器之间添加STM32单片机进行数据的处理。STM32单片机起到沟通GPRS模块和ZigBee协调器的作用。GPRS模块串口和STM32的串口UART1相连，ZigBee协调器的串口和STM32的串口UART2相连。当STM32的UART1接收到GPRS模块的数据后，程序会自动判断是否满足一帧数据，不满足一帧数据，则等待满足一帧数据后，再通过串口UART2发送给ZigBee协调器，若收到多帧数据，程序则将多帧数据分割，依次发给ZigBee协调器。同样地，当STM32的UART2接收到ZigBee协调器的数据后，也会做类似处理，处理后的数据会被发送给GPRS模块，然后数据又被转发给上位机。
2.3上位机软件设计
2.3.1上位机软件整体功能设计
结合系统要求，对上位机软件要实现的功能进行详细的分析，确定软件需要实现哪些功能，并合理地划分功能模块，然后进行详细的设计。上位机软件主要由通信配置模块、节点管理模块、数据上传模块和统计分析模块等几个模块组成，上位机整体功能结构图如图4所示。上位机软件是整个系统控制的核心，能通过Internet网、ZigBee网络，向气象监测节点下达命令、获取气象数据。
为了使软件开发更加高效、便利，选取Access数据库存储数据，使用VisualStudio2012作为开发工具。C#语言使用广泛，高效简洁，安全实用，方便灵活[14,15]，因此选择C#语言作为上位机软件开发的编程语言。
图4上位机整体功能结构图
2.3.2上位机软件界面设计
上位机软件的主窗体是人机交互非常重要的部分，合理的设计能给用户带来较好的体验。多文档界面和单文档界面是主窗体使用的两种重要形式，由于上位机软件功能比较复杂，因而使用多文档界面，即把主窗体的IsMdiContainer属性设置为true，用户可以方便地切换子窗体，进而使用上位机软件提供的不同功能。各个子窗体在中间区域Panel中呈现，该区域是一个非常重要的区域。点击菜单栏上面的选项，可以切换不同的子窗体，切换子窗口的核心代码如下。
2.3.3上位机软件通信设计
上位机软件和GPRS模块的网络通信使用Socket套接字实现，它们分别对应Socket通信中的服务器端和客户端[16]。多个GPRS模块可以和同一个上位机进行连接。Socket通信的主要过程是建立套接口、监听、连接以及数据传输。
通过定义一个ServerSocket类来实现上位机软件和GPRS模块的网络通信，类中用于启动监听的函数是StartListen（…），ClientReadCallback（…）函数用于接收、处理数据，SendData（…）函数用于发送数据。
3、实验结果与输出
在野外不同的地点放置两个无线传输网关A、B，在无线传输网关A的周围分别放置编号为1和2的气象监测节点，在无线传输网关B的周围分别放置编号为7和128的气象监测节点，气象监测节点和无线传输网关之间有一定距离。打开上位机软件，进行网络参数的配置后，上位机软件开始监听网络连接，约3秒后，无线传输网关里的GPRS模块就和上位机连接上了。上位机软件能够对节点进行远程控制，也可以获得节点采集的气象数据。图5为上位机获取实时气象数据的运行界面，编号为1的气象监测节点上传的实时气象数据就以数字和图形的方式显示出来。可以通过改变节点编号，查看其他节点上传的气象数据，十分方便。
图5上位机获取实时气象数据的运行界面
上位机软件接收到气象监测节点的气象数据后，后台程序会自动将气象数据存储到Access数据库中的数据表中。当我们想调用存储在数据库中的气象数据时，可以通过气象数据列表查询的界面查询满足特定条件的气象数据，之后可以将相关气象数据导出，图6为在一定条件下气象数据列表查询结果的部分截图，满足条件的数据就显示到列表中，查询结果包括了节点1、节点2、节点7和节点128的气象数据。
图6气象数据列表查询结果的部分截图
4、结束语
本文结合ZigBee和GPRS通信技术，提出了基于无线传感网的气象监测系统，并对系统中的气象监测节点、无线传输网关和上位机软件做了比较详细的介绍。经过测试，该无线传感网气象监测系统中，节点可以组成网络，系统能够方便、高效地管理多个气象监测节点，有效地获取、处理气象数据，系统稳定可靠，该方案具有较高的使用价值和很强的可操作性。
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期刊名称：大气科学
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主管单位：中国科学院
主办单位：中国科学院大气物理研究所,中国气象学会
出版地方：北京
专业分类：科学
国际刊号： 1006-9895
国内刊号：11-1768/O4
邮发代号：2-823
创刊时间：1976年
发行周期：双月刊
期刊开本：16开
见刊时间：一年半以上
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2020-06-02
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