一种分布式智能气象传感器监测系统及其控制方法与流程

本发明提出一种分布式智能气象传感器监测系统及其控制方法,本发明属于智能微系统的集成和应用领域。
背景技术：
：在气候和环境状态日趋复杂的今天，气象环境状况成为影响社会行为的重要因素，不仅直接影响一切户外生产和生活活动，还会间接地影响决策制定，进而产生更为深远的影响。目前，由于嵌入式技术、物联网技术、传感技术和通信技术的不断融合和发展，在地面建立自动气象观测站，并应用互联网技术将各个气象站点组成相对独立的网络，可实时获取气象监测数据。现有的自动气象监测系统通过在监测区域部署分布式的自动气象站来进行气象监测，自动气象站能够减少观测人员的工作量，提供更高质量的采集数据。但是，随着技术的发展，现有气象监测系统也暴露出一些不足。气象观测数据缺乏时空信息，难以进行后期数据分析；数据分散，由于自动气象站采用点对点的数据传输方式，各气象监测站的运行相对独立，数据难以进行集中管理，各站点采集的气象数据不能共享；数据的传输依赖于通信网络，系统缺乏通信链路自动检验与恢复机制。技术实现要素：本发明的目的是克服现有技术存在的困难，提出一个通过网络可远程控制的智能气象传感器监测系统以及控制方法，该系统能通过远程服务器发送命令调整气象传感器监测系统观测周期。气象传感器监测系统能自动检测传感器的工作状态，检测网络连接线路是否正常，自动修复与服务器之间的网络连接，自动定时清除长期运行所堆积的数据和垃圾信息。本发明的技术方案是:一种分布式智能气象传感器监测系统，包括气象传感器监测系统和数据中心服务器，数据中心服务器对气象传感监测系统所采集到的气象数据进行管理；气象传感监测系统包括传感单元、控制单元、通信单元，所述传感单元对气象数据进行采集传递至控制单元；所述控制单元向传感单元中的传感器发送命令获取传感器实时返回数据，控制单元检验传感器返回数据的校验码，判断通信信道是否错误；控制单元判断数据是否超过传感器属性值量程，判断传感器数据是否正确；控制单元将传感器返回数据在通信信道判断和传感属性量程值判定结果组合设置为代表传感器不同状态位的变量i进行判断各个传感器的状态；所述通信模块将控制单元采集到的数据无线通信传递至数据中心服务器。所述控制单元判断各个传感器状态的具体步骤为：所述控制单元开始采集传感器的数据，此时控制单元设置变量i初始值为0，控制单元向传感器发送命令获取传感器实时返回数据，根据传感器返回数据的校验码验证返回数据的正确性，当校验码正确时，即判断没有通信信道错误，进入依据传感器对象的属性值是否满足量程，若传感器数据在量程和精度范围内，则认为传感器数据正确，可以判定传感器处于正常工作状态，设置变量i为0，采集数据可靠，传感器数据不变传递至控制单元；若传感器返回数据不满足校验码属性要求，此时控制单元设置判断条件满足i＜3时，i自动加1，此时控制单元再次向传感器发送命令进行第2次数据采集；循环校验至不满足i＜3时,置变量i为2，则可以判断传感器或通信串口模块已失效，需要更换新传感器或通信串口模块，采集数据错误，控制单元将该传感器数据置零；若传感器数据通过校验码正确性检查后，进入满足量程判断，当超出量程和精度范围，此时置变量i为1，说明传感器工作异常，但是还能返回数据，此时控制单元将传感器测量值设置成量值最大值反馈至据中心服务器。所述控制单元进一步包括有网络监控模块，网络监控模块定期向数据中心服务器发送探测包，当网络监控模块在其预设的时间内收到数据中心服务器的应答包，则确认网络连接正常；当网络监控模块在其预设时间内没有收到应答包，则确认网络连接失败。所述网络监控模块进一步可以实现检测2G/3G/4G网络基站信号的强度，当信号强度超过其预设的阈值，则判断信道适合传感器系统发射数据至数据中心。所述气象传感监测系统进一步包括时钟模块、GPS模块、供电模块，所述时钟模块获取外部的时间信息实现对气象数据进行时间标记，所述GPS模块实现对气象数据进行定位信息标记。所述控制单元连接有串口扩展模块。所述传感单元采用针对风向、风速、雨量计、大气压力、大气湿度、大气温度、总辐射计的气象参数传感器，所述传感单元采用以上类型的任意组合。所述控制单元进一步包括时间校正控制模块，时间校正控制模块向数据中心服务器发送时钟校正请求命令，数据中心服务器获取网络时间后响应时间校正请求；当时钟模块的时间在网络时间的误差范围内时，控制单元结束时钟校正请求；当时钟模块的时间超出网络时间的误差范围内，数据中心服务器将网络时间信息传递至时钟模块进行修正。所述传感单元的雨量传感器设置有最小采集周期，其设置方法为：数据中心服务器根据公式R＝Rmax/H计算出平均每分钟降雨量，Rmax为雨量等级表中各个等级12小时内最大降雨量，H为时间；然后根据公式Tmin＝W/R计算雨量传感器的最小采集周期，R为每分钟降雨量；W为雨量传感器的分辨率，Tmin为最小观测周期；数据中心服务器将采集周期计算值反馈至控制单元，控制单元驱动雨量传感器以采集周期频率进行数据采集。进一步包括雨量传感器周期调整的方法，其具体方法为：所述数据中心服务器设置实时获取中国气象网实时更新的气象数据，从天气预报信息里提取雨量信息，当判断大雨或暴雨信息时，数据中心服务器从雨量传感器观测数据中提取最近的时间序列，计算时间窗内数据的动态性，由计算采集周期对雨量传感器进行调整，Tnew是调整以后的采集周期，Tcurrent是当前的采样频率，Pbound是预设的标准数据动态性，定义为变化数据个数与整个窗口内数据个数的比值。本发明的优点是：1.本发明的分布式智能气象传感器监测系统包括两个部分，智能气象传感器监测系统和数据中心服务器。每个智能气象监测系统核心模块是嵌入式开发板，开发板通过串口连接七个传感器，包括：风向、风速、雨量计、大气压力、大气湿度、大气温度和总辐射计，并且接入GPS模块和时钟模块，以及GPRS(GeneralPacketRadioService)模块。气象传感器监测系统采用RS485串口总线连接各个传感器，使系统具有可扩展性，可以按照用户的需求自由添加气象要素传感器。GPS模块提供位置信息，时钟模块不仅为传感器数据提供时钟标签，而且，时钟信息成为气象传感器监测系统智能控制的参考时间。GPRS模块提供智能传感器系统与数据中心服务器的无线通信连接。2.本发明气象传感器监测系统智能观测方法。针对传感器观测误差和数据异常问题，设计一种传感器错误检测方法，及时发现数据错误，判断传感器工作状态是否正常。针对远程无线通信易受干扰而导致链接中断的现象，引入一种通信链路连接保持机制和数据可靠性传输方法，气象传感器监测系统能自动恢复与数据中心服务器的通信连接。针对时钟模块时间漂移问题，设计一种基于互联网授时的时钟校正方法，定期通过数据中心服务器广播正确时钟信息，矫正分布式智能气象传感器观测系统的时钟模块的时间。3.本发明分布式气象传感器监测系统集中控制和管理方法。针对传统气象传感监测系统分散、数据采集频率固定、数据缺乏有效存储、数据缺少共享机制的问题，设计并实现了集数据接收、数据存储、数据服务、传感器观测周期远程控制诸功能为一体的气象传感网络监测集成控制和管理系统，集中管理和控制分布式气象传感器监测系统的观测，共享其观测数据。针对气象参数采集频率固定造成数据采集过多或者过少的问题，提出了一种气象传感器观测周期调整方法，周期调整方法分为两部分，一部分是基于天气预报调整观测周期方法，这种方法适用数据波动较小的情况，比如晴天、小雨这种状态；另一部分是基于观测数据动态调整观测周期方法，这种方法适用于数据波动较大的情况，比如暴雨，减少不必要的冗余数据采集以及能量消耗，为用户提供实时、准确、方便快捷的数据服务。附图说明图1是本发明的系统总体架构图；图2是本发明的气象传感器监测系统结构图；图3是本发明的气象传感器监测系统功能模块组成图；图4是本发明的传感器错误检测方法；图5是本发明的数据可靠性传输方法；图6是本发明的时钟校正方法；图7是本发明数据中心服务器的软件层次设计图；图8是本发明UML数据模型图；图9是本发明所提出的周期调整方法流程图；具体实施方式为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不限定于本发明。图1是应用本发明的系统总体架构图，由分布式智能气象监测系统和数据中心服务器两部分构成。分布式气象传感器监测系统由分散部署在监测区域的独立气象监测系统构成，通过GPRS无线通信模快和GPRS网络将分布式气象传感器监测系统的实时采集数据传输到数据中心服务器。数据中心服务器对气象传感监测系统所采集到的气象数据进行统一接入，并且对气象数据进行有效地存储以及管理，使气象数据能够有效地提供给用户。同时，数据中心服务器可以根据用户的需求对气象传感器监测系统进行周期控制，使气象传感器监测系统不再以固定的采集周期进行采集，以此减少了冗余数据的采集以及传感器不必要的能量消耗，也使采集的数据更加符合环境变化。图2是本发明气象传感器监测系统组成图。气象监测系统包括开发板7、时钟模块3、串口扩展模块203、GPS模块5、通信模块4、各种气象要素的传感器模块以及供电模块6构成。开发板7是气象传感器监测系统的控制中心，即控制单元，控制着整个系统的运行。GPS模块5提供气象监测系统的定位信息，便于系统定位。由于气象监测系统在野外区域运行，容易受到树木森林的遮挡，由于电磁信号的干扰，难以实时接收到卫星的信号，有时难以从GPS获取时间信息，为保证气象采集数据始终有时钟标签，因而外接一个时钟模块来获取时间信息。由于开发板的通信接口数量有限，难以容纳多种类型的通信接口，因此在气象传感器监测系统中可以根据需求进行添加串口扩展模块203，扩展开发板的接口，保证各个模块的顺利接入。通信模块提供气象监测系统与远程数据管理中心的通信连接，确保气象监测系统和远程数据管理中心之间采集数据和控制命令交互的顺利进行。由于气象传感器监测系统需要进行多种气象要素数据采集，因此各种传感器的接入采用RS485总线，便于气象传感器监测系统的扩展，可以按照用户的需求自由添加气象要素传感器。供电模块为个硬件模块提供电源支持。气象参数传感器主要包括：风向传感器101、风速传感器102、雨量计103、大气压力传感器104、大气湿度传感器105、大气温度传感器105和总辐射计107七种，通信模块4主要采用GPRS模块。图3是本发明的气象传感器监测系统功能模块组成图，包括控制单元2、时钟模块3、通信模块4、GPS模块5、传感单元1，其中控制单元包括有传感器检查模块201、网络监控模块202、时钟校正控制模块204、定时器205，传感单元采用针对风向、风速、雨量计、大气压力、大气湿度、大气温度、总辐射计的气象参数传感器，本图示为风向传感器101、风速传感器102、雨量计103、大气压力传感器104、大气湿度传感器105、大气温度传感器106、总辐射计107，本发明中传感单元采用以上类型的任意组合。控制单元2通过串口扩展模块203与传感单元1、通信模块4、GPS模块5相连接。图4显示本发明一种分布式智能气象传感器监测系统实现传感器错误检测方法，控制单元按照传感器地址顺序依次检查各个传感器的状态，控制单元设置一个变量i来表示传感器状态标志位，i为0表示传感器正常，测量数据可靠；i为1表示传感器测量数据错误，但是传感器能返回测量值；i为2表示传感器测量数据不能正常返回，传感器或串口连接模块损坏。具体步骤是：控制单元开始采集传感器的数据，此时控制单元设置变量i初始值为0，监测系统的控制单元向传感器发送命令获取传感器实时返回数据，根据传感器返回数据的校验码验证返回数据的正确性，排除由于通信信道造成的传输数据错误。当校验码正确时，即判断没有通信信道错误，进入依据传感器对象的属性值是否满足量程，如测量范围和精度，检验传感器采集数据的正确性和可靠性，若传感器数据在量程和精度范围内，则认为传感器数据正确。即若返回数据满足传感器对象的属性要求，则可以判定传感器处于正常工作状态，设置变量i为0，采集数据可靠，传感器数据不变传递至控制单元；若传感器返回数据不满足校验码属性要求，即校验码验证错误，此时控制单元设置判断条件满足i＜3时，i自动加1，此时控制单元再次向传感器发送命令进行第2次数据采集；循环校验至不满足i＜3时,置变量i为2，则可以判断传感器或通信串口模块已失效，需要更换新传感器或通信串口模块，采集数据错误，控制单元将该传感器数据置零。若传感器数据通过校验码正确性检查后，进入满足量程判断，当超出量程和精度范围，此时置变量i设置为1，说明传感器工作异常，但是还能返回数据。当传感器数据超过传感器的量程范围时，控制单元会将传感器测量值设置成量值最大值反馈至据中心服务器。通过在控制单元中设置传感器状态标志位传递至中心服务器，使得数据集成服务中心可以了解气象传感器的工作状态和观测数据的可靠性特征。以上所述，本发明中控制单元向传感单元中的传感器发送命令获取传感器实时返回数据，控制单元检验传感器返回数据的校验码，判断通信信道是否错误；控制单元判断数据是否超过传感器属性值量程，判断传感器数据是否正确；控制单元将传感器返回数据在通信信道判断和传感属性量程值判定结果组合设置为代表传感器不同状态位的变量i进行判断各个传感器的状态。本发明数据可靠性传输方法如图5所示。为了保证网络通信链路的连接，本发明采用心跳包机制来保证网络的正常链接。心跳包工作机制如下：气象传感器监测系统控制单元进一步有网络监控模块，气象传感器监测系统的控制单元每隔1分钟就向远程数据管理中心发送一个探测包，同时启动控制单元中设置的一个超时定时器，远程数据管理中心接收到探测包，就向气象传感器监测系统回应一个应答包，如果气象传感器监测系统收到数据管理中心的应答包，则说明网络连接正常，如果气象传感器监测系统在定时器超时后依然没有收到应答包，说明网络连接失败。此时气象传感器监测系统控制GPRSDTU(GeneralPacketRadioServiceDataTransferUnit)模块重新启动，重新建立与数据管理中心的连接，保证通信网络的正常运行。在采集完所有气象数据、GPS和时钟模块数据后，气象传感器监测系统的控制单元向GPRS模块发送网络状态查询命令，通过心跳包工作机制查询GPRS模块与数据中心服务器的连接状态，通过检测2G/3G/4G网络基站信号的强度，若信号强度超过预设的阈值，则判断信道适合传感器系统发射数据至数据中心。如果连接正常，信道畅通，则将传感器气象测量数据由开发板中的控制单元发送到GPRS模块的缓存空间，等待GPRS模块将数据发送到远程数据管理中心。发送后若能够收到数据管理中心返回的数据收到命令，则此次数据成功发送，若没有收到确认命令，则重新发送数据。通过心跳包机制和信道畅通检测方法，保证分布式气象传感器监测系统采集的气象数据能够完整、正确地传输到数据中心服务器。图6显示基于互联网授时的时钟校正方法如。气象传感器监测系统里设置有时钟模块，控制单元里设置有一个定时器、时钟校正控制模块,气象传感器监测系统的控制单元启动该定时器，定时器响应后，气象监测系统控制单元向数据中心服务器发送时钟校正请求命令。数据中心服务器获取网络时间后响应时间校正请求，当时钟模块的时间在网络时间的误差范围内时，控制单元的时钟校正控制模块结束时钟校正请求。当时钟模块的时间超出网络时间的误差范围内，数据中心服务器向分布式气象传感器监测系统广播正确时间信息，时钟模块接收网络时间信息进行修正时钟模块。各个分布式气象传感器监测系统根据收到的广播时间矫正时钟模块的时间，实现时钟统一。图7是数据中心服务器的软件层次设计图，采用了MVC设计模式，结合三层架构来做，分别为数据访问层、业务逻辑层以及表示层。数据访问层是专门跟数据库进行交互，执行数据的添加、删除、修改以及显示等，所有的数据对象都只在这一层被引用。数据访问层主要存储了系统的用户信息、各个气象监测站点的基础信息以及气象观测数据信息，为业务逻辑层的数据调用提供支持。数据访问层将数据库访问代码封装起来，不再出现其它层或向其它层暴露。业务逻辑层则是整个系统设计中最核心也最有价值的一层，用来分装应用程序的业务逻辑，处理数据，关注客户需求，业务层位于数据层与表示层的中间，起到承上启下的作用，主要包括数据配置、数据订阅、数据查询、数据接收、数据交互、数据处理、传感器控制、用户管理功能模块。在业务处理过程中会访问原始数据或产生新数据，数据访问层能很好地帮助业务逻辑层完成数据处理，但是数据访问层不处理业务逻辑，只为业务层提供帮助，获取原始数据或持久化数据等操作。表示层与用户直接关联，为用户提供一个舒适的交互界面，用户可以通过交互界面输入数据，也可以通过交互界面查看提交表单后的执行结果。图8是本发明中数据的UML模型图，包括四个实体：用户、气象监测系统、传感器以及气象要素。每个实体都要自己的属性，各个实体之间也相互关联，用户对气象监测站点进行控制，包括周期调整功能、时钟校正功能；气象监测系统对传感器进行管理，包括对传感器的状态检查和采集数据质量控制；传感器对气象要素进行采集，包括空气温度、空气湿度、风速、风向、辐射、降雨量六个气象要素的采集。此UML模型图对应的数据库置于数据访问层。图9是所提出的周期调整方法流程图，根据中国气象网的气象预报数据，针对雨量传感器的物理性能，提出的一种雨量传感器周期调整方法。本发明创建天气预报API，数据中心服务器实时获取中国气象网实时更新的气象数据，包括降雨预报数据。从天气预报数据中提取降雨相关预报信息关键字，判断降雨状态，判断雨量变化的强弱，如果是晴天或者小雨，则认为降雨量变化小，数据中心服务器发送最小周期调整命令至气象传感器系统，此时，气象传感器系统参考最小采集周期，设置传感器重复监测周期。如果天气预报是中雨、大雨或暴雨，则认为降雨量变化大，由于天气预报没有给出降雨的预测时间，因此，仅参考天气预报来调整气象监测站点监测周期，节能效果不明显。从天气预报信息里提取大雨或暴雨信息后，从雨量传感器观测数据中提取最近的时间序列，计算时间窗内数据的动态性，本发明可以实现动态性调整雨量传感器周期，窗口内的数据动态性Pbound定义为变化数据个数与整个窗口内数据个数的比值。再根据窗口内数据的动态性计算出新的采集周期发送给传感器系统，周期计算公式为Tnew是调整以后的采集周期，Tcurrent是当前的采样频率，Pbound是预设的标准数据动态性。当后一时刻观测数据和前一时刻观测数据变化幅度在所规定的范围内，那么认为数据没有发生改变，若后一时刻观测数据和前一时刻观测数据变化幅度在所规定的范围之外，则认为数据发生了变化，计算调整周期，发送最新周期调整命令。雨量传感器最小采集周期计算方法。根据翻斗式雨量传感器的工作原理，结合翻斗式雨量传感器的分辨率以及标准雨量等级表(如表1所示)，计算出各个等级降雨量的雨量传感器最小采集周期(表2)。各个等级降雨量的最小采集周期的意思是在不同降雨等级下，雨量传感器翻转一次所需的最短时间。根据标准雨量等级表如表1所示，可以看出在12小时内降雨量为0.1～4.9毫米时，划分为小雨，根据公式可以算出平均每分钟降雨约为0.00014～0.00681mm，而本系统所用的雨量传感器计量翻斗翻动一次为0.2毫米降水量，根据公式可以算出在小雨状态下，雨量传感器翻斗翻动一次至少则需要30分钟，每隔五分钟或者十分钟采集一次都是没有意义的，因此我们可以将采集周期设置为30分钟，减少不必要的采集，这就是小雨状态的最小采集周期。Rmax为雨量等级表中各个等级12小时内最大降雨量，H为12个小时也就是720分钟，R为每分钟降雨量；W为雨量传感器的分辨率，本系统采用的雨量传感器分辨率为0.2mm，Tmin为最小观测周期。以此类推，每个降雨等级都有相应的降雨量最小采集周期。最小采集周期如表2所示。表1标准雨量等级表表2最小采集周期降雨等级名称最小周期(min)小雨30中雨10大雨5暴雨3大暴雨2特大暴雨<2本发明提出了一种分布式智能气象传感器监测系统的管理和控制方法，研究并实现了传感器状态自动检测、误差数据自动发现、时钟矫正、数据观测周期自动调整、通信链路中断自动发现以及恢复的智能化管理方法，并能够依据不同用户的需求控制系统的运行，能够向用户提供统一的气象数据服务。在本发明框架下，各个气象观测系统既能单独运行，也能集成起来，向用户提供统一的气象数据服务，具有较强的扩展性和灵活性，有利于广泛的应用前景。虽然本发明已详细地示出并描述了相关的特定的实施例参考，但本领域的技术人员应该能够理解，在不背离本发明的精神和范围内可以在形式上和细节上作出各种改变。这些改变都将落入本发明的权利要求所要求的保护范围。当前第1页1 2 3