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一种用于梯度风观测的无线数据传输方法和系统[1]

时间:2016-05-03来源: 作者: 点击: 237次


金红伟1,朱平2,李宁3,唐勇3,周望3

(江苏省无线电科学研究所有限公司,江苏 无锡 214073)

【摘要】为了客观反映风向风速的垂直梯度变化特征,利用无线智能节点和无线智能协调器组建星型无线网络,无线智能节点采集风向风速、温度等气象观测数据,无线智能协调器实现网络内外的传输的方法;选用IEEE-802.15.4低功耗应用协议、分布式计算算法和时隙通信方式实现数据的实时传输;系统具备重发补收、时间同步机制保证数据传输的实时性及完整性。文中的无线梯度风观测系统和方法解决了传统观测系统在现有铁塔上安装、维护困难的难点。系统总体设计结构简洁,现场布线简单,实用可靠。

关  键  词 梯度风;观测;无线; 数据传输

中图分类号:          文献标识码  A

A Wireless Data Transmission Method and System For Grad Wind Observation

JING Hong-wei1, ZHU Ping2, LI Ning3, TANG Yong3, ZHOU Wang3

(JiangSu Province Radio Scientific Institute Co ., Ltd, WuXi, JiangSu, China, 214073)

Abstract  In order to reflect the characteristics of the vertical gradient of wind direction and speed objectively, based on the wireless intelligent coordinator design of star network, choosing the low-power IEEE-802.15.4 protocols, distributed algorithms and time slot communication mode for data transmission, using wireless intelligent nodes to collect wind data, combined with mechanism of retransmission, subsequent collection, remote updates and time synchronization, A wireless data transmission method and system for grad wind observation ensures the real time and integrity of data transmission. The wireless gradient wind observation system solves the difficulty about installation and maintenance  in the traditional observation system. The system’s structure and the power supply wiring are simple, compact, and reliable.

Key words  Gradient winds; Observation; wireless; Data transmission

 

 

 

 

 


 引言

大气风观测是非常重要的气象观测要素,而梯度风观测主要是收集近地面高空垂直梯度数据,广泛应用于许多领域的评估中:如城市建筑、风能资源、气候变化、工业施工、微气候、交通气象等[1-2]

在现有的梯度风观测中,安装在铁塔上不同梯度的传感器也有采用GPRS无线通讯模块进行数据传输,但不能满足实时传送数据的要求[1]。所以主要还是通过有线传输方式接入数据传输系统[3-7],即所有传感器全部通过线缆接入塔底的一个主采集器和多个分采集器,分采集器和主采集器之间通过CAN总线进行数据传输。在该传输方式中,信号、通信和电源线缆贯穿塔身。如图1所示。

 

图1为现有梯度风观测的结构示意图

Fig 1. The present structure diagram of grad wind observation

有线数据传输系统在实际应用中面临两大问题:一是大量的信号、通信和电源线缆不利于工作人员在高空对铁塔上的设备进行安装和维护;二是高空的线缆容易遭受雷击,给设备造成损害。

虽然目前无线通信技术在许多领域的应用已经十分成熟[8-10],可以通过在梯度观测位置放置无线智能节点,完成该梯度的气象数据采集,并以无线组网的传输方式替代传统的有线集中的传输方式,进而有效解决了铁塔上有线传输所面临的问题。但采用无线通信技术仍然面临以下几个方面的挑战:一是在满足风能观测规范下如何保证系统7*24小时不间断工作的条件下,铁塔上无线智能节点的节能和供电问题;二是,全天候条件下确保无线通信传输的可靠性和实时性。

为了客观反映风向风速的垂直梯度变化特征,有效解决以上问题,提出了一种可靠、实用的梯度风观测的无线数据传输方法和系统。

1 系统设计

1.1 系统组成

梯度风观测的无线数据传输系统,包括铁塔、气象传感器(如风向风速、温湿度等传感器)、无线智能节点、太阳能板、无线智能协调器和电源箱等,如图2所示。

在铁塔的不同梯度上安装风向风速传感器以及温湿度传感器,每一个梯度上一般安装一个风向风速传感器及一个温湿度传感器。在实际情况中,也可以根据需要安装多个风向风速传感器及温湿度传感器,也可以安装辐射、气压等其它传感器。

图2 结构示意图

Fig 2 The Structure diagram

1.2 无线智能节点

为了实现风向风速、温湿度等气象数据的采集与传输,在铁塔上的每个观测梯度安装无线智能节点。如图3所示,无线智能节点包括节点处理器、节点蓄电池、太阳能板接口、节点无线传输模块、传感器接口。

节点处理器采用常用的低功耗微处理芯片,其电源端与节点蓄电池连接,节点蓄电池通过接口与太阳能板连接,以完成节点蓄电池的充电;节点蓄电池能提供节点处理器、节点无线传输模块以及传感器等的工作电源;节点处理器通过传感器接口互连温湿度、风向风速等传感器;节点处理器通过节点无线传输模块与无线智能协调器进行无线连接。

图3 无线智能节点的结构框图

Fig 3 The structure diagram of wireless intelligent node

1.3 无线智能协调器

如图4所示,无线智能协调器安装于铁塔的底部,包括协调器处理器、蓄电池、太阳能板接口、传感器接口、无线传输模块和无线通信模块。

协调器处理器基于IEEE-802.15.4协议通过无线传输模块与无线智能节点进行无线通信,接收无线智能节点传输的数据,并对数据进行处理后再传输到远端。文中,无线智能协调器通过GPRS等无线通信模块将数据和状态传输至后台监控服务器。后台监控服务器实现所有梯度风观测设备的监控管理。

协调器处理器的电源端与协调器蓄电池连接;协调器蓄电池提供协调器无线传输模块、GPRS模块、协调器处理器及协调器传感器接口的工作电源;协调器蓄电池通过协调器太阳能板接口与太阳能板连接,以实现对协调器蓄电池的充电。

无线通信模块包括GPRSGeneral Packet Radio Service)模块、3G3rd-generation)模块或4G模块。文中,示出了无线通信模块采用GPRS模块的状态。

图4 无线智能协调器的结构框图

Fig 4 The structure diagram of wireless intelligent coordinator

2 系统设计

2.1 无线通信协议的选择

综合考虑功耗、铁塔应用环境和可靠性三个方面因素,无线智能节点与无线智能协调器间的无线传输方式选用适用于低功耗应用的IEEE-802.15.4协议[11-15],并使用通用的2.4Ghz通信频段,基于802.15.4协议的通信设备具有极低的功耗,适用于太阳能供电应用场合;铁塔现场环境符合802.15.4协议中规定的通信环境可视要求;同时,802.15.4信号的波长和雨滴的直径相差较大,不受雨衰的影响,具有较高的抗干扰性水平;802.15.4协议本身具有CSMACarrier Sense Multiple Access)防冲突碰撞机制,并采用了DSSSDirect Sequence Spread Spectrum)直接序列扩频的信号调制技术,在协议本身的可靠性上优于常见的蓝牙和WiFi等通信技术。

2.2 无线通信的拓扑网络结构设计

802.15.4协议的基础上,各无线智能节点与无线智能协调器间基于星型拓扑结构组网。无线智能协调器安装在铁塔的底层,而其余各无线智能节点分布在铁塔上的不同观测梯度上。由于星型网络中各节点(即无线智能节点)与中心节点(即无线智能协调器)之间实现单跳传输,不存在路由转发机制,因此传输的可靠性和时延性都能达到最优,能满足梯度风观测系统的实时采样通信要求。

2.3 应用层的无线通信机制

2.3.1时隙通信机制

如图5所示:无线智能节点与无线智能协调器采用时隙通信方式传输数据,即无线智能协调器被动接收,无线智能节点主动上报的传输机制。每次通信都是由无线智能节点进行发起。考虑到功耗因素,无线智能协调器处于实时监听状态、无线智能节点在通信完成后进入睡眠状态。

图5(a) 数据传输上行过程的流程示意图

Fig 5(a) The schematic flow of the uplink process in data transmission

图5(b) 数据传输下行过程的流程示意图

Fig 5(b) The schematic flow of the downward process in data transmission

如图6中,无线智能节点与无线智能协调器采用时隙通信方式进行数据传输时,时隙周期为一分钟。其中,无线智能节点在时隙周期内配置有上报数据时隙、上报请求时隙、大数据传输时隙以及安全时隙。上报数据时隙是指在该时隙内,无线智能节点在设定时刻向无线智能协调器主动上报数据,包括对温湿度、风向风速等传感器进行采集的数据和所述无线智能节点的工作状态与积压数据。

大数据传输时隙是指在该时隙内,无线智能节点和无线智能协调器根据上报请求时隙制定的传输类型完成无线智能节点的数据查询、积压数据的补收。安全时隙是指在该时隙内,无线智能节点和无线智能协调器之间不允许有任何通信动作发生。

6(b)中, GPRS上报数据起始时间t6根据无线智能节点中的上报数据间隙时间t1进一步配置。

图6(a) 无线智能节点进行时隙通信的时隙分配图

Fig 6(a) The time slot allocation map of the wireless intelligent node when timeslot communication

图6(b) 无线智能协调器进行时隙通信的时隙分配图

Fig 6(b) The time slot allocation map of the wireless intelligent coordinator when timeslot communication

2.3.2 分布式数据传输技术

常规梯度风观测系统中,数据传输与计算为集中式:所有原始数据汇集到主采集器,由主采集器汇聚秒级的采样数据,并在分钟内完成各种计算处理。这种模式数据传输很大,当无线智能节点数量较多时,系统很难在规定的时隙内完成所有的数据传输。

采用分布式计算技术,由无线智能节点完成预处理计算,将秒级的采样数据加工处理为分钟级的观测数据,无线智能协调器进行二分钟和十分钟气象数据的计算、统计。从而大大降低了各节点之间无线通信的数据量,有效提高了传输效率,满足系统无线传输的实时性和完整性要求。

2.3.3 重发补收机制

无线智能节点与无线智能协调器间设计有重发补收机制。

在规定时隙内,无线智能节点在数据发送失败的情况下,将等待短暂的延时后进行数据重发,超过三次将放弃重发,并暂存在智能节点。无线智能协调器在大数据传输时隙内,利用上报时隙,接收无线智能节点的积压数据,实现无线智能节点积压数据的补收。

2.3.4 时间同步机制

无线智能协调器与所有的无线智能节点间设置时间同步机制。

时间同步机制是指以无线智能协调器的时间为基准时间,无线智能协调器与所有的无线智能节点进行时间同步。无线智能节点在上报请求时隙内向无线智能协调器发送含有本地时间的请求指令,无线智能协调器基于无线智能节点和自身的时间差进行判断:当时间差超过限定阀值则启动对无线智能节点的时间配置。在时间差的计算和时间配置的过程中引用补偿算法,消除传输延时引发的时间误差。

4 总结

利用安装在铁塔上的若干无线智能节点与铁塔底部的无线智能协调器组建无线梯度风观测系统,无线智能节点与无线智能协调器之间采用无线传输,解决了传统观测系统在现有铁塔上安装、维护困难的难点。

基于低功耗IEEE-802.15.4应用协议,采用星型网拓扑结构进行组网设计。采用分布式计算技术,无线智能节点和智能协调器进行数据处理的合理分工;利用时隙通信机制,降低网络传输消耗,保证系统传输的可靠性和时延性最优。系统应用重发补收和时间同步机制,进一步保证系统运行的可靠性。

基于此方法研制的无线梯度风观测系统安装在南通启东从20138月运行至今,运行稳定可靠。

 

     

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[1]收稿日期: ;修回日期: ;在线出版日期:

基金项目:工业科技支撑项目研发资助项目(CGEO1G1303

作者简介:金红伟,男,1970年生,高级工程师,硕士,主要研究电子信息技术, 工业电气自动化

通信作者:金红伟,高级工程师,主要研究电子信息技术,工业电气自动化

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