基于無線傳感器網絡的晨練指數實時播報系統＊

夏景明 肖冬榮

(南京信息工程大學電子與信息工程學院 南京 210044)

0 引 言

隨著現代化技術的發展以及經濟生活水平的提高,人們在追求物質生活高質量的同時越來越關注周圍的生存環境和環境給人們的生產和生活造成的影響.這對氣象服務提出了更高的要求,為此,城市環境氣象預報技術作為一門新興的邊緣科學在全國各地蓬勃的發展.晨練氣象指數預報是城市環境氣象預報的一種,當前的晨練氣象指數預報主要由氣象部門對第2天晨練時段的天空狀況、風、地面狀況、空氣清潔度、溫度變化等氣象條件的預測指標進行綜合判定,給出相應取值,并通過電視、網絡、廣播等公眾媒體向社會發布.

這種預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,當前的氣象預報模式是24 h預報,在復雜氣象條件下對第2天清晨的天氣預報往往不夠準確和精確.(2)空氣質量是決定晨練是否適宜的重要指標,但當前在城市主要晨練地點的空氣質量實時監測裝置非常缺乏.(3)大中城市和中心城市的城市規模龐大,城市中各晨練點空氣質量和地形植被差別很大,以一個單一指數來表征一個城市的晨練適宜程度是不準確的.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.

本系統利用無線傳感器網絡對晨練點氣象和空氣質量進行精細數據采集,然后通過GPRS網絡實時的將評估信息傳遞到各社區的告示平臺,提出了一種全新的點對點的晨練指數預報模式.

1 晨練指數預報系統的體系結構

本系統主要由無線傳感器網絡節點、SINK節點、傳輸網絡和終端評估顯示平臺4個部分構成,系統總體結構見圖1.

圖1 晨練指數實時播報系統系統結構

考慮到對于一個城市的規模氣象因素分布比較平均,為節約成本各晨練點的氣象要素可以直接采集晨練點附近自動氣象站的數據.在城市各晨練點(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絡節點,主要負責采集該晨練點空氣質量數據,傳感器節點采集到空氣質量數據后采用多跳的方式將數據傳遞給SINK節點,SINK節點是網絡內的匯聚節點,應具有一定的數據存儲和數據計算融合能力,此外SINK節點也是連接傳感器網絡和終端用戶的設備,在本系統中采用GPRS無線傳輸手段將各晨練點匯聚節點的數據傳遞給終端分析和評估平臺,平臺對上傳數據分析后再通過GPRS網絡將某社區3 km以內的所有晨練點晨練指數信息發給該社區并通過LCD液晶顯示屏向社區居民播報,沒有社區播報系統的地區可以通過個人手機定制信息.

為加強網絡的魯棒性和可靠性以及避免網絡遭到人為的破壞,本系統以SINK節點為中心在各晨練點周圍將網絡節點布設為樹形,傳輸協議采用ZigBee網絡傳輸協議[1-3].

2 硬件節點及模塊設計

2.1 傳感器節點模塊設計

傳感器節點是無線傳感器網絡的基本單元,節點的穩定運行是網絡可靠的基本保證.傳感器節點模塊由大氣主要污染物傳感器、數據采集和處理、無線收發和電源4大部分組成,傳感器節點的硬件結構見圖2.

圖2 傳感器節點功能結構圖

本系統選用DSM501灰塵傳感器和英國城市技術公司的電化學氣體傳感器,該傳感器利用電導率來探測氣體濃度,精度高、價格低,在空氣中可以連續使用3年以上,其產品系列能夠對晨練中的主要污染物O3,SO2,CO2,NOx等污染氣體進行濃度測量,數據經AD轉換器轉換為數字信號后傳遞給數據處理單元.晨練點無線傳感器網絡中節點的能量采用電池供電,數據處理單元采用德州儀器公司超低功耗 16位單片機MSP430F149,該單片機擁有8路12位ADC,60K的FLASH和2KRAM,能在-40～+85℃的室外環境下正常工作且超低功耗,該單片機同時具有一種工作模式和5種睡眠模式,通過應用程序能關閉MSP430中未使用的模塊并能根據需要切換工作模式和睡眠模式.系統只需在早晨4點至8點之間開啟,其余時段均處于休眠狀態.傳感器信號經運算放大器放大口通過A/D轉換器轉換為數字量,MSP430內置的溫度傳感器檢測環境溫度,可根據需要對所測空氣數量數據進行溫度修正.

無線收發單元采用Chipcon公司的CC2430芯片實現近距離通信,CC2430包含一個高性能的2.4GHZ的射頻收發器并且已經固化了Zigbee網絡協議棧,簡化了系統開發,只需外加少量外圍電路便可以構成收發模塊.主控制器MSP430F149通過SPI接口(SI,SO,SCLK,CSn)控制CC2430的工作狀態并實現讀寫緩存數據; FIFOP引腳和FIFO引腳設置發射和接收的緩存器;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

系統電源采用兩節五號電池雙路供電,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電壓為數據采集單元供電,3.3 V電壓供CC2430和MSP430F149使用.因數據采集單元和無線收發單元耗電量較大,使用模擬開關ISL43111控制各傳感器供電,當無采集與收發任務時關閉傳感器電源并置收發裝置于睡眠狀態.

2.2 SINK節點模塊設計

SINK節點是傳感器網絡與終端處理器之間的橋梁,需要有一定的數據處理能力并完成與傳感器網絡和終端的通信,SINK節點主要由嵌入式微處理器模塊、無線通信模塊和外擴存儲器3部分組成,見圖4.

圖4 SINK節點結構功能圖

SINK節點負責無限傳感器網絡和GPRS網絡的數據收發和處理[4-5],同時還負責網絡的組建、節點的增刪等任務,需要具備較強的處理能力.處理器芯片采用三星公司的S3C2410處理器.S3C2410基于ARM9的內核,具有三通道的UART與GPRS及無線傳感器網絡通信非常方便,支持WinCE操作系統,可以對PPP撥號進行配置.

無線通信模塊包含2個部分,SINK節點與傳感器網絡之間的通信依然采用CC2430,SINK節點與評估和發布終端系統采用GPRS無線通信模式,采用西門子公司的MC55三頻GPRS通信模塊,MC55內嵌TCP/IP協議,可以輕松的與Internet相連實現SINK節點與終端的通信.該模塊集成短消息、語音通信、無線上網和數據傳遞等功能,提供串口,可以和S3C2410的串口直接相連,其通信功能通過調用AT命令實現.Wince內嵌完整的 TCP/IP棧,GPRS初始化階段只需要使用AT命令建立信道、設置波特率并指定上層協議開通GPRS鏈路就可以采用PPP協議進行數據鏈路層的連接和數據的傳輸.建立GPRS數據鏈路層以后就可以完成socket通信,考慮到晨練系統對實時性比較高的要求,本系統在IP層之上選擇UDP協議.為了實現對各SINK節點的遠程控制在終端平臺還編寫了用于收發基于UDP協議的IP數據包的通信軟件.

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,在實時數據傳輸時需要建立存儲緩沖區由系統統一管理數據,本系統在SINK節點外接128 M高速數據存儲器作為系統的外擴內存.

2.3 終端和社區顯示模塊

終端由高性能計算機、GPRS接受發送模塊、路由器、數據接收管理分析評估系統、數據庫等軟硬件組成.終端計算機每隔半小時通過GPRS模塊接收各SINK節點的IP包空氣質量數據.

社區顯示模塊可根據各社區的現有硬件條件分別設計,普通居民可按需自行定制所需晨練點的晨練短信息,終端計算機通過GPRS模塊向定制用戶發布并按月收取一定費用,對于擁有社區LCD電視告示板的小區,本系統設計了基于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轉換芯片 ADV7120可轉換為 VGA接口. ADV7102在單芯片上集成3各獨立8位高速D/ A轉換器分別處理紅、綠、藍三色數據,轉換電路中3組8位數據輸入端對應接受RGB視頻數據,采用標準TT L電平,視頻控制信號線包括復合同步信號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節,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的負擔,設置顯示器工作在16位色彩模式下顯示60HZ的640X480的分辨率圖像,顯示屏信息、時序控制和數據格式由寄存器LCDCON1到LCDCON5控制.

圖5 ADV7102驅動VGA接口電路圖

3 系統軟件設計

3.1 傳感器節點軟件設計

傳感器節點主要負責數據采集與發送、轉發其他節點數據并與SINK節點通信.軟件設計中除了考慮功能的實現還需要考慮節能.傳感器每隔30 min采集一次環境數據,采集完成后關閉傳感器電源并初始化CC2430,先發送本節點數據再檢測是否有轉發數據,完成后節點進入睡眠狀態等待下一輪采集.編程采用模塊化方式包括數據采集子程序、無線收發子程序和時鐘控制子程序.流程圖如圖6.

圖6 傳感器節點應用程序流程圖

3.2 SINK節點軟件設計

各晨練點SINK節點通過CC2430接收數據并通過GPRS轉發到終端.通過GPRS進行數據傳輸需要經過Internet,因而對傳輸數據的封裝必須符合TCP/IP協議,需要傳輸的數據依次進行UDP協議頭封裝、IP協議頭封裝和PPP協議封裝,封裝后的MC55數據格式如下.

PPP協議頭 IP協議頭 UDP協議頭 數據 校驗碼

軟件采用自底向上思想逐步實現各函數功能,各函數均采用模塊化設計方法,最終由WINCE系統統一管理.PPP軟件包工作于WINCE操作系統,控制MC55接入網絡,程序結構圖見圖7.

圖7 GPRS撥號程序結構圖

3.3 終端和社區顯示系統軟件設計[6]

終端的核心程序實際上是管理信息系統,數據庫使用SQL,用戶界面使用VC++編寫.該數據庫負責將從SINK節點接收的數據存儲,根據各種污染物的濃度計算出空氣清潔度指標(ww),同時通過GPRS或互聯網接收當地自動氣象站實時氣象數據資料,接受的數據包括天空狀況(tk)、地面狀況(dm)、平均風力(v)、氣溫變化情況(bt),數據可由終端分析評估系統整合分級并根據式(1)計算各晨練點晨練指數待發布.

系統每隔半小時根據各社區所在地將全市最主要晨練點及社區所在地3 km以內所有晨練點的最新晨練指數信息通過計算機外接GPRS網絡發送到相應社區,社區顯示系統基于EVC和WINCE的開發,通過VGA液晶電視將各晨練點的指數顯示發布,社區居民可根據指數及時決定是否進行晨練及晨練地點.

4 結束語

隨著城市規模的擴大,功能化氣象精細實時播報是未來天氣預報和播報的一種全新模式,本文提出的基于無線傳感器網絡大城市晨練指數實時播報系統設計方案突破了傳統的氣象預報方法,實現了晨練指數的實時播報.系統已在南京市部分晨練點和社區進行了測試,系統具有工作穩定、維護簡單、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.通過變更傳感器和部分軟硬件,系統還可用于城市大氣局部污染、交通條件等其他氣象精細播報.

[1]李雅卿,李臘元,汪春妍.無線傳感器網絡多路徑路由算法的研究[J].武漢理工大學學報：交通科學與工程版,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.用于大氣環境監測的無線智能傳感器陣列研究[J].通信學報,2008(6)：137-140.

[4]鄧 菲,王 磊,尹慧琳.基于嵌入式系統與GPRS傳輸的大氣污染氣體綜合監控系統[J].測控技術, 2006(25)：66-69.

[5]卜天然,呂立新,汪 偉.基于TinyOS無線傳感器網絡的農業環境監測系統設計[J].農業網絡信息, 2009(2)：23-26.

[6]劉曉忠,哈立宇.晨練指數預報[J].赤峰學院學報, 2008(4)：60-62.