自動觀測網絡實時獲取野外數據

文/張璞 周慶國 劉同山

自動觀測網絡實時獲取野外數據

文/張璞 周慶國 劉同山

自動觀測網絡，由野外臺站和示范區觀測儀器的組網以及野外臺站和駐地之間的無線網絡（采用Zigbee技術標準和定向增益天線）構成，能夠克服極端惡劣的氣候和環境，將第一手野外數據和視頻資料實時傳輸到遠程生活基地。

隨著現代技術的發展，無線通訊技術在很多領域得到了廣泛的應用。與有線設備相比，它具有成本低、攜帶方便、無需布線的優勢，特別適用于手持設備的通信、電池供電設備、遙控、遙測、小型無線網絡、工業數據采集系統、信號采集、水文氣象監控、數據圖像傳輸系統的應用。在短距離的無線控制、監測、數據傳輸領域，通用的技術有Bluetooth、Wi-Fi等。它們各有優勢，但同時也存在著局限性。

在一些科研工作中需要大量的實時數據，這些數據必須在野外采集，而數據采集站往往分布在氣候條件惡劣、交通不便、人跡罕至的高山、沙漠、戈壁、冰原等處。大多數站環境艱苦，高海拔、多山、高寒或者干旱是這些站的普遍特征，而且電力、電信、移動信號在觀測區域內無法保障，難以駐扎觀測人員，所以建立自動觀測網絡能夠提供很多便利。

野外自動觀測網絡的構成

本項目以某一野外研究站作為研究對象。

實驗臺站通訊環境現狀為：

1.當前生活基地及觀測點均無通訊信號。

2.衛星信號（GPS）可用。

3.多個觀測點近期手機信號無望。

4.生活基地附近的中國移動和電信正在建設光纜，近期可實現生活基地的互聯網接入。

本項目包含野外數據采集和實時監控。所涉及的數據包括日照輻射、凈輻射、氣壓、氣溫與濕度、土壤體積含水量、土壤溫度、CO2濃度、雨雪量計、日照等等；還有一些監控視頻。原來，這些觀測數據的采集、傳輸都采用人工方式，即先由人工在當地用筆記本電腦將數據讀出，然后帶回基地整理分析，這種做法不僅人力成本高，而且收集回來的數據通常會有三個月甚至半年以上的時間滯后，更無法實現數據實時采集、實時管理、系統實時監測，儀器設備的遠程操作等。

為了方便觀測數據的實時傳遞及數據的顯示、共享與分析，本項目構建了一個覆蓋所有野外臺站的自動觀測網絡。通過對野外臺站、示范區觀測儀器的組網以及野外臺站與遠程基地的網絡連接，實現基于網絡的臺站儀器的實時數據采集、數據傳輸和數據分類整合，并提供野外主要觀測儀器運行狀態的網上監控。

圖1 環境信息的采集與傳輸系統

觀測站工作流程

在自動觀測網絡的搭建設計時，如果采用有線網絡，那么站點地處偏遠且地形復雜，線路的架設難度較大，有一定的危險性，維護也很麻煩，并且資金花費高昂。因此，我們選擇無線網絡傳輸。在實際操作過程中，我們選擇幾個安全地點架起無線網絡，這樣操作的代價小，可維護性高，并且安全。

考慮到地區地域與人口分布、交通、信息傳遞等諸多方面的條件限制，環境信息的采集與傳輸系統可以參照圖1設計。

在數據采集的范圍內部署多個采集點，每個采集點由傳感器模塊、無線傳輸模塊、增益定向天線、電源組成。環境數據由各節點的傳感器采集，所有信息送到無線數據傳輸模塊，經過高增益定向天線發送至匯聚節點。

采集自野外的環境數據信息經匯聚節點轉發至傳感器網絡中繼器，經中繼器傳輸，最終抵達以太網數據轉發終端，在這個終端可以進行數據篩選，篩選后的數據進入以太網，并最終傳送到數據庫服務器，存儲在該服務器上。該服務器就可提供針對用戶的多種數據服務。

選擇無線網長距離傳輸數據

基于星型網絡拓撲結構，用氣象傳感器、數據采集器將多路傳感器信息轉為RS232接口的數字信息輸出，再通過CR系列數據采集器將一定時間的采集數據存儲，用無線網絡把CR1000采集的多路傳感器信息用無線數據傳輸設備傳到生活基地，最后傳到服務器。

采用無線數據傳輸標準ZigBee

把多路傳感器信息用無線數據傳輸設備傳到生活基地采用符合IEEE802.15.4標準的ZigBee無線傳輸系列產品。ZigBee適用于那些不需要實時傳輸或連續更新的場合。傳輸距離范圍一般介于0.01～0.1公里之間，在增加RF發射功率后，亦可增加到1～3公里，采用高增益天線傳輸的距離可達10～30公里，采用中繼方式，可實現更遠距離傳輸。站點主要采集緩變的數據，信息傳輸速率低。ZigBee無線接入技術完全可以滿足傳輸速率要求，各氣象站傳輸距離不超過10公里。

構建野外視頻監控系統

野外視頻圖像是極具價值的資料，根據要求需要對該地域進行遠距離監控。根據要求和踏勘結果將監控點選在位置適中視野良好的站點，將信號傳到生活基地和信息中心。監控距離最遠達5公里，需要選用長焦距高清晰度的攝像機、性能良好的云臺。

兩種數據傳輸方式

將所有數據通過無線方式傳到移動或互聯網接口，實現數據到信息中心的遠距離傳輸。從野外試驗研究站所處地理位置看，距離最近的接入點相距20多公里，高山阻擋，傳網絡信號需在高山上建中繼站。因為有圖像信號，數據量較大，需要用互聯網信號傳輸，如果接入寬帶網絡。從發射到接收需要兩個中繼站，共4套設備。如果只傳輸傳感器數據信號，則有可能通過移動網絡傳輸，系統相對簡單一點。兩種方式的傳輸如圖2所示。

圖2 無線網絡信號傳輸方案

本方案使用ZigBee協議，并且根據野外試驗研究站實際地理情況，在ZigBee的使用上進行擴展，在傳輸過程中添加了高增益天線，使得這個本來短距離、低功耗的協議增強到可以進行中距離傳輸，若使用定向增益天線，最遠距離可達十幾公里，若添加幾個中繼站，傳輸距離可以更遠，基本滿足了項目網絡覆蓋的需求。

(作者單位為蘭州大學網絡計算研究所)

ZigBee協議

為了彌補Bluetooth、Wi-Fi等技術的不足，ZigBee聯盟于2004年12月推出了基于IEEE802.15.4的ZigBee協議。

ZigBee協議是一組基于IEEE批準通過的802.15.4無線表中研制開發的，有關組網、安全和應用軟件方面的技術標準。IEEE僅處理低級MAC層和物理層協議，ZigBee聯盟對其網絡層協議和API進行了標準化。完全協議用于一次可直接連接到一個設備的基本節點的4K字節或者作為Hub或路由器的協調器的32K字節。每個協調器可以連接多達255個節點，而幾個協調器則可形成一個網絡，對路由傳輸的數目沒有限制。Zigbee聯盟還開發了安全層，以保證這種便攜設備不會意外泄露其標識，而且這種利用網絡的遠距離傳輸不會被其他節點獲得。它具有低復雜度、低功耗、低數據傳輸率、高可靠性、低時延、網絡容量大、高保密性、低成本等優勢，但它受傳輸距離短的限制，所以主要用于近距離無線傳輸，主要應用領域包括工業、家庭自動化、遙測遙控、汽車自動化、農業自動化和醫療護理等。

若使用高增益定向天線則可以大幅拉長數據傳輸距離，有效地實現ZigBee網絡在方圓10到20公里范圍內的覆蓋。