無線傳感器網絡在加密氣象觀測中的試用研究

尹常紅+王義琴+胡雅超+顏國跑

摘要：無線傳感器網絡在武漢市氣象局開展加密觀測試用研究。在對比觀測中發現無線傳感器節點采集的氣溫總體比氣象觀測標準溫度偏高；在晴天太陽輻射相對較大的情況下，隨著太陽輻射量的增加，誤差加大。然而，基于無線傳感器網絡的加密氣象觀測系統能夠提高氣象觀測的時空密度，能夠降低數據采集和傳輸的復雜性，在城市防災減災和大型社會活動的氣象保障服務中，具有一定的服務優勢。

關鍵詞：無線傳感器；加密觀測；溫度；太陽輻射；氣象服務

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）02-0013-02

Research on Wireless Sensor Networks in Intensive Weather Observation

YIN Chang-hong， WANG Yi-qin， HU Ya-chao， YAN Guo-pao

（Wuhan Meteorological Bureau， Wuhan 430048， China）

Abstract： Trial study conducted intensive observations of wireless sensor networks in Wuhan Meteorological Bureau. In the comparative observation， it is found that the temperature collected by the wireless sensor nodes is generally higher than the standard temperature of meteorological observation. When the solar radiation is relatively large on a sunny day， the error increases as the solar radiation increases. However， the meteorological observation system Based on wireless sensor network can improve the space-time density of meteorological observation and reduce the complexity of data collection and transmission. It has certain service advantages in meteorological support services of urban disaster prevention and mitigation and large-scale social activities.

Key words： wireless sensor； intensive weather observation； temperature； solar radiation； meteorological support service

1 概述

1.1 無線傳感器網絡

無線傳感器網絡是由大量靜止或移動的傳感器以自組織和多跳的方式構成的無線網絡，以協作感知、采集、處理和傳輸網絡覆蓋地理區域內被感知對象的信息，并最終把這些信息發送給網絡的所有者。

無線傳感器網絡具有眾多類型的傳感器，可探測包括地震、電磁、噪聲、光強度、壓力、土壤成分、移動物體的大小、速度和方向等周邊環境中多種多樣的現象。無線傳感器網絡技術可應用于氣象、軍事、航空、救災、環境、工業、商業等領域。

1.2 氣象領域應用

無線傳感器網絡在國內氣象部門尚未正式業務應用，只有一些氣象類高校在開展相關研究。隨著武漢氣象事業的不斷發展和經濟社會對氣象服務需求的不斷增強，探索現代氣象觀測新技術，為城市發展和社會活動保障提供專業氣象服務愈加重要。武漢市氣象局基于無線傳感器網絡開展了加密氣象觀測系統的試用研究。

2 基于無線傳感器網絡的加密觀測系統設計

根據研究試用需要，2013年在武漢觀象臺部署了基于無線傳感器網絡的加密氣象觀測系統，實現氣象數據的高時空密度下的精確采集，穩定傳輸與快速存儲，同時開發可視化展示與管理軟件平臺，對數據進行分析處理，研究基于無線傳感器網絡的氣象加密觀測系統開展相關專業氣象服務的可能。

2.1 硬件系統

實地部署加密氣象觀測無線傳感器節點13個，實現單匯聚節點網絡架構，高空間密度監測模式下，各類氣象要素監測數據的采樣周期小于5分鐘/次。

系統的架構如圖1所示。它是無線傳感器網絡在氣象觀測上的應用，所以它具有無線傳感器網絡的結構和特征。它包含傳感器節點（sensor node）、匯聚節點（sink node）和管理節點。傳感器節點所采集的數據沿著其他傳感器節點逐跳傳輸到匯聚節點，最后用戶通過管理節點收集采集到的數據，同時用戶能通過管理節點進行無線傳感器網絡配置管理。

氣象觀測傳感器節點采用2.4GHz ISM頻段通信，實現有效通信距離1km以上，滿足氣象傳感應用對數據進行遠距離傳輸的特殊需求。處理器擬通過I2C總線連接A/D轉換器，實現對傳感器模擬信號的數字采樣；通過UART/RS232/I2C總線連接外部數字傳感器，實現對傳感器數字信號的接收；通過SPI總線連接數據存儲單元，實現采樣數據的本地存儲。

所有傳感器節點均裝備微型溫濕度傳感器，能夠提供基本的氣象要素觀測，滿足一般場合的氣象服務需求。該節點可以根據加密觀測需要，裝配氣象專業傳感器，觀測要素包括溫度、濕度、風速、風向、氣壓、降水量等。endprint

2.2 軟件開發

根據需要開發了基于無線傳感器網絡的加密氣象觀測系統軟件，主要模塊包括：無線傳感器節點程序、數據處理與控制系統、基站端顯示與管理平臺、傳感器網絡氣象服務平臺四部分。

1） 無線傳感器節點程序：包括驅動、協議及嵌入式軟件系統等，基于TinyOS開發，實現氣象要素數據的采集，處理與傳輸。

2） 數據處理與控制程序：實現對無線傳感器網絡的應用控制和對監測數據的解碼處理。

3） 基站端顯示與管理平臺：基于.NET技術，實現無線傳感器網絡的可視化網絡拓撲展示、實時數據顯示、數據分析、事件預警、節點控制、數據發布管理等功能。

4） 傳感器網絡氣象服務平臺：基于無線傳感器網絡開發WEB服務平臺，實現基于百度地圖的實時氣象信息顯示、氣象數據分析、個性化氣象服務等功能。

2.3 試驗研究結果

無線傳感器節點能夠自組織網絡，圖2顯示了在武漢觀象臺布置的傳感器節點的拓撲圖，這些傳感器節點分布在觀測場、農業氣象試驗田、業務樓以及大院外的馬路邊。通過試用發現，這些節點能自動組網，完成觀測數據的時空加密采集和無線傳輸，在一般遮擋環境下，實現了最遠大約1km的節點有效連接。如87號節點，布置在馬路邊的電線桿上，距離中心站超過900米，且有一些樹葉遮擋，但是在試用研究中，該站數據通信十分穩定。

選取2014年3月9日—14日無線傳感器采集到的數據與武漢國家基本氣象站觀測到的數據進行分析對比，發現：無線傳感器節點采集的氣溫總體比觀測站數據偏高，在3月12日13日，兩者的數據的差異最小，分析當日天氣情況，12日和13日天氣現象是小雨，剩下的天數則偏差更多，可以發現，數據不同程度地要大于標準數據。以此推斷，沒有百葉箱等的防護是數據偏高的重要原因，特別是在有強烈陽光照射的天氣情況下，偏差會變成更大。見圖4。

地球大氣最根本、最主要的能量來源是太陽輻射。熱太陽輻射到達地面后，一部分被反射，一部分被地面吸收，使地面增熱；地面再通過輻射、傳導和對流把熱傳給空氣，這是近地面大氣熱量的主要來源。

為了分析太陽輻射對本文溫濕度傳感器的影響程度，對照武漢國家基本氣象站正點氣象輻射數據，使用每小時太陽總輻射輻照度數據進行數據分析。首先對采集的數據進行小波濾波，之后分析濾波后的數據與標準數據的差異。為了便于分析，本文使用濾波數據與標準數據的絕對誤差、當日每小時輻射量進行比較，效果如圖5所示。

從圖5中推斷，在晴朗的天氣，相對太陽輻射大的情況下，隨著每小時輻射量的增加，誤差開始增加；與此相對，在太陽輻射低，即雨天情況下，比如3月12日，誤差穩定相對較小。

節點自帶的溫室度傳感器采集到觀測數據，與氣象專業傳感器采集的觀測數據，在精度上有一定的誤差，暫不能作為氣象觀測數據使用，但是可以應用在一些數據要求不是太精確的場合，比如園藝博覽會、一般社會活動等。如果需要精確數據，可以裝配氣象專業傳感器進行要素觀測。

3 結束語

基于無線傳感器網絡的加密氣象觀測系統能夠提高氣象觀測的密度，能夠降低數據采集和傳輸的復雜性。無線傳感器網絡具有固定觀測儀器不可比擬的優點，它可以在一些極端情況下，比如發生大的自然災害、或者一些偏遠地區沒有無線通信信號覆蓋的情況下，可以不借助電信通信網絡，快捷組網，傳輸觀測資料；也可以在一些大型活動現場，在不方便布設傳統自動氣象站的地方，布設微型傳感器節點，提供現場氣象保障服務。基于無線傳感器網絡，在氣象應用中能夠為綜合氣象觀測、氣象應急減災和公共氣象服務提供基礎支撐，在大城市氣象服務中，特別是在城市防災減災和大型社會活動的氣象保障服務中，具有一定的服務優勢。

參考文獻：

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