無線傳感網(wǎng)絡(luò)在草原氣象自動檢測系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　針對無線傳感網(wǎng)絡(luò)的草原氣象自動監(jiān)測系統(tǒng)硬件中的射頻模塊、系統(tǒng)感知模塊、能量模塊以及系統(tǒng)處理模塊進行設(shè)計與選型，并采用直接序列的擴頻技術(shù)，實現(xiàn)短距離的無線監(jiān)測;在節(jié)點初始位置中添加相應(yīng)的傳感器軟件，使代碼能夠有效整合到系統(tǒng)之中。經(jīng)過分析不同字節(jié)的意義，對數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議進行修改，并將寄存器數(shù)據(jù)值轉(zhuǎn)換為真實數(shù)據(jù)值，方便客戶查看。通過實驗驗證該系統(tǒng)的合理性，并得出實驗結(jié)論。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有監(jiān)測精確、速度快、時間短等優(yōu)勢，有利于牧區(qū)的生產(chǎn)。

　　關(guān)鍵詞： 無線傳感網(wǎng)絡(luò),草原氣象,自動監(jiān)測, ZigBee技術(shù)

　　近些年，隨著我國經(jīng)濟的迅速發(fā)展，畜牧業(yè)的進程不斷加快。為了提高利益，人們對自然環(huán)境資源的合理利用越來越重視。尤其草原在人類的生活中占據(jù)著重要地位，比如，保持水土、維持生態(tài)平衡等，但是更重要的是保護自然環(huán)境，隨時關(guān)注氣象變化情況，確保生物生存安全，維持草原的可持續(xù)發(fā)展。

　　針對傳統(tǒng)自動監(jiān)測系統(tǒng)存在監(jiān)測數(shù)據(jù)不準確、魯棒性差、速度慢等問題，無法達到草原氣象監(jiān)測的標準，降低了社會的經(jīng)濟效益，本文提出基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的草原氣象自動監(jiān)測系統(tǒng)。針對系統(tǒng)硬件中的射頻模塊、系統(tǒng)感知模塊、能量模塊以及系統(tǒng)處理模塊進行設(shè)計與選型，并采用直接序列的擴頻技術(shù)實現(xiàn)短距離的無線監(jiān)測。在節(jié)點初始位置中添加相應(yīng)的傳感器軟件，使代碼能夠有效整合到系統(tǒng)之中。經(jīng)過分析不同字節(jié)的意義，對數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議進行修改，并將寄存器數(shù)據(jù)值轉(zhuǎn)換為真實數(shù)據(jù)值，方便客戶查看。通過實驗驗證該系統(tǒng)的合理性，并得出實驗結(jié)論。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有監(jiān)測精確、速度快、時間短等優(yōu)勢，有利于牧區(qū)的生產(chǎn)。

　　1 自動監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　草原氣象自動監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計采用基于ZigBee技術(shù)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，該技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)越來越廣泛，其中主要有星型結(jié)構(gòu)與多級樹結(jié)構(gòu)，為了構(gòu)造良好的監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)充分考慮多級樹形的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點是物理范圍覆蓋面較廣，容納的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點較多，還可延長傳感器節(jié)點與各個協(xié)調(diào)器之間的通信距離，進而提高網(wǎng)絡(luò)的攜帶負載能力[1]。該系統(tǒng)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)樹狀結(jié)構(gòu)是由協(xié)調(diào)器、節(jié)點以及路由器組成的，不同路由器節(jié)點與終端節(jié)點都攜帶傳感器，而協(xié)調(diào)器需要通過串口與無線服務(wù)設(shè)備進行連接，并將收集的信息發(fā)送給無線服務(wù)設(shè)備，實現(xiàn)實時監(jiān)測的目的。為了降低整個網(wǎng)絡(luò)的消耗，需要延長網(wǎng)絡(luò)使用壽命，該系統(tǒng)使用定時喚醒模式，按照用戶的需求定時喚醒各個節(jié)點發(fā)送的信息，剩下的時間該系統(tǒng)處于休眠模式。

　　1.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計與選型

　　針對系統(tǒng)各個模塊硬件進行設(shè)計與選型，主要有無線服務(wù)硬件選擇和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)計與選型。無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)硬件主要包括射頻模塊、系統(tǒng)感知模塊、能量模塊及系統(tǒng)處理模塊，能量模塊選擇型號為CC2430，射頻模塊支持2.4 GHz的ZigBee協(xié)議，該芯片尺寸為6 mm×6 mm，集合了運算、加密、存儲以及無線接收的各種功能[2]，且接口方便、性能比較可靠。該芯片能解決傳統(tǒng)監(jiān)測功能消耗高、成本花費大等問題，用該芯片具有以下優(yōu)勢：

　　(1) CC2430芯片上系統(tǒng)功能模塊集成了CC2420RF型號的收發(fā)器，增強了型號為[8051]的微控制單元，大大提高了數(shù)據(jù)處理速度[3]。

　　(2) 與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)電流消耗較小。正常工作電流消耗功率小于25 mA，處于休眠時電流消耗為0.8 μA，待機時刻電流消耗[4]小于0.5 μA。

　　(3) 時延較短。該系統(tǒng)從休眠狀態(tài)到工作狀態(tài)僅需15 ms，將節(jié)點進行初始化并接入到網(wǎng)絡(luò)的時間僅僅為30 ms。

　　(4) 代碼較短。對該系統(tǒng)設(shè)計的8位微型控制進行測量與計算，整個系統(tǒng)功能的節(jié)點只有32 KB的代碼，而子功能節(jié)點至少為4 KB的代碼。

　　型號為CC2430的高頻率部分需要采用直接序列的擴頻技術(shù)，該項技術(shù)不僅能夠為軍事訓(xùn)練天氣監(jiān)測提供更加安全的保障，還能夠?qū)崿F(xiàn)短距離的無線監(jiān)測，并且提高無線監(jiān)測的可靠性[5]。

　　1.2 無線模塊軟件部分設(shè)計

　　1.2.1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建

　　基于ZigBee技術(shù)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)通信是一種應(yīng)用非常廣闊的技術(shù)，根據(jù)不同應(yīng)用領(lǐng)域，對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)要求也不同，在該系統(tǒng)中添加傳感器。傳感器節(jié)點資源是非常有限的，需要設(shè)計優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)來提高自動檢測效率，進而提升網(wǎng)絡(luò)的可靠性與動態(tài)性。

　　在節(jié)點初始位置中添加相應(yīng)的傳感器軟件，并在程序編譯的過程中，使用make工具進行編譯[6]。用戶需要對目錄中的文件做出修改，使得代碼能夠有效整合到系統(tǒng)之中。

　　不同節(jié)點需要先確定好隨機延時的時間，進入等待狀態(tài)，如果時間達到，節(jié)點就會發(fā)送入網(wǎng)請求，隨后監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)是否存在發(fā)送間隔包信號，即完成協(xié)調(diào)器自動監(jiān)測。由于選擇的數(shù)據(jù)具有隨機性，進而導(dǎo)致時間延長，發(fā)生碰撞，因此需要規(guī)定監(jiān)測的上限。如果節(jié)點沒有接收到間隔包[7]發(fā)送的信號，那么需要重復(fù)第一次申請，等待間隔包響應(yīng);如果重復(fù)的次數(shù)已經(jīng)達到了假設(shè)的上限，節(jié)點沒有接收到信號，那么該區(qū)域就不會存在網(wǎng)絡(luò);如果達到規(guī)定的上限，那么節(jié)點就會收到信號，確定網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)存在，即完成入網(wǎng)的過程。

　　1.2.2 數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議修改

　　將ZigBee網(wǎng)絡(luò)組建之后，需要對各個節(jié)點的數(shù)據(jù)進行采集并傳送到協(xié)調(diào)器上，在這期間需要有固定的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，方便協(xié)調(diào)器能夠區(qū)分節(jié)點傳來的方向和物理信息種類[8]。當組建的網(wǎng)絡(luò)具有拓撲結(jié)構(gòu)時，網(wǎng)絡(luò)中會存在多個協(xié)調(diào)器，為此需要在數(shù)據(jù)傳輸?shù)膮f(xié)議中對每一個協(xié)調(diào)器、終端的節(jié)點和傳感器進行設(shè)置，首先對原始的數(shù)據(jù)傳輸格式進行分析。將協(xié)調(diào)器直接與主機串口連接，通過串口助手，采集未經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)：[2820350E000100000400010011301D81B15037854，]經(jīng)過分析不同字節(jié)的意義，對數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議進行修改。

　　1.2.3 節(jié)點數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

　　根據(jù)不同傳感器結(jié)構(gòu)，對輸入與輸出的特性與性能進行分析，降低電路板統(tǒng)一設(shè)計的難度。串口顯示出的寄存器與主機所表示的變量轉(zhuǎn)換關(guān)系并不相同，因此需要針對不同傳感器特性，將寄存器數(shù)據(jù)值轉(zhuǎn)換為真實的數(shù)據(jù)值，方便客戶查看。

　　2 實 驗

　　為了驗證該系統(tǒng)設(shè)計的合理性進行了如下實驗。根據(jù)對草原溫度和濕度數(shù)據(jù)的分析，將土壤溫度、水分和空氣的溫度變化情況作為標準，分析草地土壤中的氮磷鉀含量，確定pH值;還要分析牧草生長情況，確定草原氣象合理承載能力的評估。

　　2.1 實驗數(shù)據(jù)分析

　　合理推算草原放牧季節(jié)，將系統(tǒng)中物理信息之間的影響關(guān)系通過歷史數(shù)據(jù)和曲線查詢計算出兩者之間的影響關(guān)系，進而確定草原不同季節(jié)氣象情況。以草原空氣溫度數(shù)據(jù)為例，分析監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果。

　　2.2 實驗結(jié)果與分析

　　按照時間段可對各個區(qū)域監(jiān)測的傳感數(shù)據(jù)進行查詢，根據(jù)草原氣象特征，土壤水分數(shù)據(jù)、降雨量數(shù)據(jù)不會有較大變化，但是空氣中的濕度、風(fēng)速變化較大，因此按照實際需求對數(shù)據(jù)各個信息的變化特征進行統(tǒng)計，為此設(shè)計了三種頻率，按照年、月、日對數(shù)據(jù)進行監(jiān)測與分析。草原氣象監(jiān)測結(jié)果顯示出時間范圍內(nèi)的平均值、最大值與最小值，根據(jù)該結(jié)果繪制柱狀圖，使數(shù)據(jù)對比更加明顯，方便用戶讀取。

　　該監(jiān)測系統(tǒng)通過柱狀圖能使用戶直觀地獲取草原氣象空氣濕度情況，進而掌握草原區(qū)氣候。

　　2.3 實驗結(jié)論

　　基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的草原氣象自動監(jiān)測系統(tǒng)能使用戶直觀地獲取草原氣象空氣濕度情況，進而更便捷地掌握草原區(qū)的氣候狀況和動態(tài);傳統(tǒng)系統(tǒng)自動監(jiān)測的土壤水分數(shù)據(jù)與實際草原土壤水分存在較大的偏差，而基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的草原氣象自動監(jiān)測系統(tǒng)與實際值相比誤差較小，該系統(tǒng)具有監(jiān)測精確、速度快、時間短等優(yōu)勢，適合草原氣象的自動監(jiān)測。

　　3 結(jié) 語

　　隨著我國國民經(jīng)濟的不斷增長，畜牧業(yè)需求不斷增加，隨著草原地區(qū)環(huán)境保護意識的提高，草原氣象自動監(jiān)測逐漸成為科研工作關(guān)注的焦點。基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的草原氣象自動監(jiān)測系統(tǒng)涵蓋了硬件設(shè)計、軟件設(shè)計和無線遠程服務(wù)，經(jīng)過上述實驗內(nèi)容得出：該系統(tǒng)設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)對草原氣象的精準監(jiān)測，魯棒性較強，具有可移植性，在草原生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測和管理中實現(xiàn)數(shù)字化監(jiān)測、遠程傳輸，實現(xiàn)數(shù)字草原的發(fā)展目標有重要作用。

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　　氣象學(xué)工作人員就是研究各種各樣的大氣現(xiàn)象，大氣層與下墊面之間的相互作用及人類活動所產(chǎn)生的氣象效應(yīng).氣象也已經(jīng)成為了熱門行業(yè)，氣象專業(yè)的就業(yè)方向有兩個，一個是進入業(yè)務(wù)單位，如各級氣象部門，環(huán)保局等等;另一個方向就是搞科研，現(xiàn)在有許多科研院所，比如中科院大氣物理研究所，還有高校，都有搞科研的.而無論從事什么方向的工作都是可以評定職稱的，然而這類人員的論文要發(fā)表到哪里呢?