夏景明 肖冬榮

(南京信息工程大學(xué)電子與信息工程學(xué)院 南京 210044)

0 引 言

隨著現(xiàn)代化技術(shù)的發(fā)展以及經(jīng)濟(jì)生活水平的提高,人們在追求物質(zhì)生活高質(zhì)量的同時越來越關(guān)注周圍的生存環(huán)境和環(huán)境給人們的生產(chǎn)和生活造成的影響.這對氣象服務(wù)提出了更高的要求,為此,城市環(huán)境氣象預(yù)報技術(shù)作為一門新興的邊緣科學(xué)在全國各地蓬勃的發(fā)展.晨練氣象指數(shù)預(yù)報是城市環(huán)境氣象預(yù)報的一種,當(dāng)前的晨練氣象指數(shù)預(yù)報主要由氣象部門對第2天晨練時段的天空狀況、風(fēng)、地面狀況、空氣清潔度、溫度變化等氣象條件的預(yù)測指標(biāo)進(jìn)行綜合判定,給出相應(yīng)取值,并通過電視、網(wǎng)絡(luò)、廣播等公眾媒體向社會發(fā)布.

這種預(yù)報模式存在以下問題：(1)晨練主要時間集中在第2天清晨3 h內(nèi),當(dāng)前的氣象預(yù)報模式是24 h預(yù)報,在復(fù)雜氣象條件下對第2天清晨的天氣預(yù)報往往不夠準(zhǔn)確和精確.(2)空氣質(zhì)量是決定晨練是否適宜的重要指標(biāo),但當(dāng)前在城市主要晨練地點(diǎn)的空氣質(zhì)量實時監(jiān)測裝置非常缺乏.(3)大中城市和中心城市的城市規(guī)模龐大,城市中各晨練點(diǎn)空氣質(zhì)量和地形植被差別很大,以一個單一指數(shù)來表征一個城市的晨練適宜程度是不準(zhǔn)確的.譬如,陰天時樹林中CO2含量很高不宜晨練,但對于在市民廣場晨練則影響較小.

本系統(tǒng)利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對晨練點(diǎn)氣象和空氣質(zhì)量進(jìn)行精細(xì)數(shù)據(jù)采集,然后通過GPRS網(wǎng)絡(luò)實時的將評估信息傳遞到各社區(qū)的告示平臺,提出了一種全新的點(diǎn)對點(diǎn)的晨練指數(shù)預(yù)報模式.

1 晨練指數(shù)預(yù)報系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)主要由無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、SINK節(jié)點(diǎn)、傳輸網(wǎng)絡(luò)和終端評估顯示平臺4個部分構(gòu)成,系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)見圖1.

圖1 晨練指數(shù)實時播報系統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

考慮到對于一個城市的規(guī)模氣象因素分布比較平均,為節(jié)約成本各晨練點(diǎn)的氣象要素可以直接采集晨練點(diǎn)附近自動氣象站的數(shù)據(jù).在城市各晨練點(diǎn)(市民廣場、城市森林公園、周邊山地)密集部署大量的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),主要負(fù)責(zé)采集該晨練點(diǎn)空氣質(zhì)量數(shù)據(jù),傳感器節(jié)點(diǎn)采集到空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)后采用多跳的方式將數(shù)據(jù)傳遞給SINK節(jié)點(diǎn),SINK節(jié)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的匯聚節(jié)點(diǎn),應(yīng)具有一定的數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)計算融合能力,此外SINK節(jié)點(diǎn)也是連接傳感器網(wǎng)絡(luò)和終端用戶的設(shè)備,在本系統(tǒng)中采用GPRS無線傳輸手段將各晨練點(diǎn)匯聚節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳遞給終端分析和評估平臺,平臺對上傳數(shù)據(jù)分析后再通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將某社區(qū)3 km以內(nèi)的所有晨練點(diǎn)晨練指數(shù)信息發(fā)給該社區(qū)并通過LCD液晶顯示屏向社區(qū)居民播報,沒有社區(qū)播報系統(tǒng)的地區(qū)可以通過個人手機(jī)定制信息.

為加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的魯棒性和可靠性以及避免網(wǎng)絡(luò)遭到人為的破壞,本系統(tǒng)以SINK節(jié)點(diǎn)為中心在各晨練點(diǎn)周圍將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)布設(shè)為樹形,傳輸協(xié)議采用ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議[1-3].

2 硬件節(jié)點(diǎn)及模塊設(shè)計

2.1 傳感器節(jié)點(diǎn)模塊設(shè)計

傳感器節(jié)點(diǎn)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本單元,節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定運(yùn)行是網(wǎng)絡(luò)可靠的基本保證.傳感器節(jié)點(diǎn)模塊由大氣主要污染物傳感器、數(shù)據(jù)采集和處理、無線收發(fā)和電源4大部分組成,傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)見圖2.

圖2 傳感器節(jié)點(diǎn)功能結(jié)構(gòu)圖

本系統(tǒng)選用DSM501灰塵傳感器和英國城市技術(shù)公司的電化學(xué)氣體傳感器,該傳感器利用電導(dǎo)率來探測氣體濃度,精度高、價格低,在空氣中可以連續(xù)使用3年以上,其產(chǎn)品系列能夠?qū)Τ烤氈械闹饕廴疚颫3,SO2,CO2,NOx等污染氣體進(jìn)行濃度測量,數(shù)據(jù)經(jīng)AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后傳遞給數(shù)據(jù)處理單元.晨練點(diǎn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的能量采用電池供電,數(shù)據(jù)處理單元采用德州儀器公司超低功耗 16位單片機(jī)MSP430F149,該單片機(jī)擁有8路12位ADC,60K的FLASH和2KRAM,能在-40～+85℃的室外環(huán)境下正常工作且超低功耗,該單片機(jī)同時具有一種工作模式和5種睡眠模式,通過應(yīng)用程序能關(guān)閉MSP430中未使用的模塊并能根據(jù)需要切換工作模式和睡眠模式.系統(tǒng)只需在早晨4點(diǎn)至8點(diǎn)之間開啟,其余時段均處于休眠狀態(tài).傳感器信號經(jīng)運(yùn)算放大器放大口通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量,MSP430內(nèi)置的溫度傳感器檢測環(huán)境溫度,可根據(jù)需要對所測空氣數(shù)量數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度修正.

無線收發(fā)單元采用Chipcon公司的CC2430芯片實現(xiàn)近距離通信,CC2430包含一個高性能的2.4GHZ的射頻收發(fā)器并且已經(jīng)固化了Zigbee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧,簡化了系統(tǒng)開發(fā),只需外加少量外圍電路便可以構(gòu)成收發(fā)模塊.主控制器MSP430F149通過SPI接口(SI,SO,SCLK,CSn)控制CC2430的工作狀態(tài)并實現(xiàn)讀寫緩存數(shù)據(jù); FIFOP引腳和FIFO引腳設(shè)置發(fā)射和接收的緩存器;SFD引腳控制時鐘和定時器的輸入;CCA管腳控制清除通道估計.CC2430與MSP430的接口如圖3.

圖3 CC2430與MSP430F149連線圖

系統(tǒng)電源采用兩節(jié)五號電池雙路供電,使用升壓DC/DC芯片NCP1402分別輸出5 V和 3.3 V的工作電壓,其中5 V電壓為數(shù)據(jù)采集單元供電,3.3 V電壓供CC2430和MSP430F149使用.因數(shù)據(jù)采集單元和無線收發(fā)單元耗電量較大,使用模擬開關(guān)ISL43111控制各傳感器供電,當(dāng)無采集與收發(fā)任務(wù)時關(guān)閉傳感器電源并置收發(fā)裝置于睡眠狀態(tài).

2.2 SINK節(jié)點(diǎn)模塊設(shè)計

SINK節(jié)點(diǎn)是傳感器網(wǎng)絡(luò)與終端處理器之間的橋梁,需要有一定的數(shù)據(jù)處理能力并完成與傳感器網(wǎng)絡(luò)和終端的通信,SINK節(jié)點(diǎn)主要由嵌入式微處理器模塊、無線通信模塊和外擴(kuò)存儲器3部分組成,見圖4.

圖4 SINK節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)功能圖

SINK節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)無限傳感器網(wǎng)絡(luò)和GPRS網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)收發(fā)和處理[4-5],同時還負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的組建、節(jié)點(diǎn)的增刪等任務(wù),需要具備較強(qiáng)的處理能力.處理器芯片采用三星公司的S3C2410處理器.S3C2410基于ARM9的內(nèi)核,具有三通道的UART與GPRS及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信非常方便,支持WinCE操作系統(tǒng),可以對PPP撥號進(jìn)行配置.

無線通信模塊包含2個部分,SINK節(jié)點(diǎn)與傳感器網(wǎng)絡(luò)之間的通信依然采用CC2430,SINK節(jié)點(diǎn)與評估和發(fā)布終端系統(tǒng)采用GPRS無線通信模式,采用西門子公司的MC55三頻GPRS通信模塊,MC55內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議,可以輕松的與Internet相連實現(xiàn)SINK節(jié)點(diǎn)與終端的通信.該模塊集成短消息、語音通信、無線上網(wǎng)和數(shù)據(jù)傳遞等功能,提供串口,可以和S3C2410的串口直接相連,其通信功能通過調(diào)用AT命令實現(xiàn).Wince內(nèi)嵌完整的 TCP/IP棧,GPRS初始化階段只需要使用AT命令建立信道、設(shè)置波特率并指定上層協(xié)議開通GPRS鏈路就可以采用PPP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)鏈路層的連接和數(shù)據(jù)的傳輸.建立GPRS數(shù)據(jù)鏈路層以后就可以完成socket通信,考慮到晨練系統(tǒng)對實時性比較高的要求,本系統(tǒng)在IP層之上選擇UDP協(xié)議.為了實現(xiàn)對各SINK節(jié)點(diǎn)的遠(yuǎn)程控制在終端平臺還編寫了用于收發(fā)基于UDP協(xié)議的IP數(shù)據(jù)包的通信軟件.

CC2430使用 2.4G頻段,最高傳輸速率250 kbit/s,而 MC55的最高傳輸速率僅為171.2 kbit/s,在實時數(shù)據(jù)傳輸時需要建立存儲緩沖區(qū)由系統(tǒng)統(tǒng)一管理數(shù)據(jù),本系統(tǒng)在SINK節(jié)點(diǎn)外接128 M高速數(shù)據(jù)存儲器作為系統(tǒng)的外擴(kuò)內(nèi)存.

2.3 終端和社區(qū)顯示模塊

終端由高性能計算機(jī)、GPRS接受發(fā)送模塊、路由器、數(shù)據(jù)接收管理分析評估系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫等軟硬件組成.終端計算機(jī)每隔半小時通過GPRS模塊接收各SINK節(jié)點(diǎn)的IP包空氣質(zhì)量數(shù)據(jù).

社區(qū)顯示模塊可根據(jù)各社區(qū)的現(xiàn)有硬件條件分別設(shè)計,普通居民可按需自行定制所需晨練點(diǎn)的晨練短信息,終端計算機(jī)通過GPRS模塊向定制用戶發(fā)布并按月收取一定費(fèi)用,對于擁有社區(qū)LCD電視告示板的小區(qū),本系統(tǒng)設(shè)計了基于S3C2410和VGA液晶電視顯示平臺.S3C2410自帶LCD掃描式接口,利用高性能視頻D/A轉(zhuǎn)換芯片 ADV7120可轉(zhuǎn)換為 VGA接口. ADV7102在單芯片上集成3各獨(dú)立8位高速D/ A轉(zhuǎn)換器分別處理紅、綠、藍(lán)三色數(shù)據(jù),轉(zhuǎn)換電路中3組8位數(shù)據(jù)輸入端對應(yīng)接受RGB視頻數(shù)據(jù),采用標(biāo)準(zhǔn)TT L電平,視頻控制信號線包括復(fù)合同步信號SYNC、消隱信號BLANK、白電平參考信號REFWHITE和像素時鐘信號CLOCK,外接1.23 V D/A參考電壓和輸出滿意調(diào)節(jié),在輸出端模擬RGB信號采用高阻電流源方式輸出.同步參考電流輸出信號Isync在綠視頻信號中編碼同步信息,連接電路圖如圖5.考慮到S3C2410的負(fù)擔(dān),設(shè)置顯示器工作在16位色彩模式下顯示60HZ的640X480的分辨率圖像,顯示屏信息、時序控制和數(shù)據(jù)格式由寄存器LCDCON1到LCDCON5控制.

圖5 ADV7102驅(qū)動VGA接口電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 傳感器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計

傳感器節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集與發(fā)送、轉(zhuǎn)發(fā)其他節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)并與SINK節(jié)點(diǎn)通信.軟件設(shè)計中除了考慮功能的實現(xiàn)還需要考慮節(jié)能.傳感器每隔30 min采集一次環(huán)境數(shù)據(jù),采集完成后關(guān)閉傳感器電源并初始化CC2430,先發(fā)送本節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)再檢測是否有轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù),完成后節(jié)點(diǎn)進(jìn)入睡眠狀態(tài)等待下一輪采集.編程采用模塊化方式包括數(shù)據(jù)采集子程序、無線收發(fā)子程序和時鐘控制子程序.流程圖如圖6.

圖6 傳感器節(jié)點(diǎn)應(yīng)用程序流程圖

3.2 SINK節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計

各晨練點(diǎn)SINK節(jié)點(diǎn)通過CC2430接收數(shù)據(jù)并通過GPRS轉(zhuǎn)發(fā)到終端.通過GPRS進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸需要經(jīng)過Internet,因而對傳輸數(shù)據(jù)的封裝必須符合TCP/IP協(xié)議,需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)依次進(jìn)行UDP協(xié)議頭封裝、IP協(xié)議頭封裝和PPP協(xié)議封裝,封裝后的MC55數(shù)據(jù)格式如下.

PPP協(xié)議頭 IP協(xié)議頭 UDP協(xié)議頭 數(shù)據(jù) 校驗碼

軟件采用自底向上思想逐步實現(xiàn)各函數(shù)功能,各函數(shù)均采用模塊化設(shè)計方法,最終由WINCE系統(tǒng)統(tǒng)一管理.PPP軟件包工作于WINCE操作系統(tǒng),控制MC55接入網(wǎng)絡(luò),程序結(jié)構(gòu)圖見圖7.

圖7 GPRS撥號程序結(jié)構(gòu)圖

3.3 終端和社區(qū)顯示系統(tǒng)軟件設(shè)計[6]

終端的核心程序?qū)嶋H上是管理信息系統(tǒng),數(shù)據(jù)庫使用SQL,用戶界面使用VC++編寫.該數(shù)據(jù)庫負(fù)責(zé)將從SINK節(jié)點(diǎn)接收的數(shù)據(jù)存儲,根據(jù)各種污染物的濃度計算出空氣清潔度指標(biāo)(ww),同時通過GPRS或互聯(lián)網(wǎng)接收當(dāng)?shù)刈詣託庀笳緦崟r氣象數(shù)據(jù)資料,接受的數(shù)據(jù)包括天空狀況(tk)、地面狀況(dm)、平均風(fēng)力(v)、氣溫變化情況(bt),數(shù)據(jù)可由終端分析評估系統(tǒng)整合分級并根據(jù)式(1)計算各晨練點(diǎn)晨練指數(shù)待發(fā)布.

系統(tǒng)每隔半小時根據(jù)各社區(qū)所在地將全市最主要晨練點(diǎn)及社區(qū)所在地3 km以內(nèi)所有晨練點(diǎn)的最新晨練指數(shù)信息通過計算機(jī)外接GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到相應(yīng)社區(qū),社區(qū)顯示系統(tǒng)基于EVC和WINCE的開發(fā),通過VGA液晶電視將各晨練點(diǎn)的指數(shù)顯示發(fā)布,社區(qū)居民可根據(jù)指數(shù)及時決定是否進(jìn)行晨練及晨練地點(diǎn).

4 結(jié)束語

隨著城市規(guī)模的擴(kuò)大,功能化氣象精細(xì)實時播報是未來天氣預(yù)報和播報的一種全新模式,本文提出的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)大城市晨練指數(shù)實時播報系統(tǒng)設(shè)計方案突破了傳統(tǒng)的氣象預(yù)報方法,實現(xiàn)了晨練指數(shù)的實時播報.系統(tǒng)已在南京市部分晨練點(diǎn)和社區(qū)進(jìn)行了測試,系統(tǒng)具有工作穩(wěn)定、維護(hù)簡單、耗能少、氣體濃度測量精度高、溫度適用范圍廣、傳輸誤碼率低、播報及時等特點(diǎn).通過變更傳感器和部分軟硬件,系統(tǒng)還可用于城市大氣局部污染、交通條件等其他氣象精細(xì)播報.

[1]李雅卿,李臘元,汪春妍.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)多路徑路由算法的研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報：交通科學(xué)與工程版,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,唐寶平,譚春祿.用于大氣環(huán)境監(jiān)測的無線智能傳感器陣列研究[J].通信學(xué)報,2008(6)：137-140.

[4]鄧 菲,王 磊,尹慧琳.基于嵌入式系統(tǒng)與GPRS傳輸?shù)拇髿馕廴練怏w綜合監(jiān)控系統(tǒng)[J].測控技術(shù), 2006(25)：66-69.

[5]卜天然,呂立新,汪 偉.基于TinyOS無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息, 2009(2)：23-26.

[6]劉曉忠,哈立宇.晨練指數(shù)預(yù)報[J].赤峰學(xué)院學(xué)報, 2008(4)：60-62.