CN102354004A - 一种基于无线传感网技术的阵列式局地风环境监测方法 - Google Patents

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赵景柱
郑拴宁
唐立娜
董仁才
苏晓丹
李春明
王豪伟
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Abstract

基于无线传感网技术的局地风环境监测方法是一种应用无线传感技术对专业应用领域气象监测方法进行改进的实用方案。目的在于借助无线传感网络(WSN)技术提供一种高时空分辨率，低经济负载的广义风环境（风速、风向、温度、湿度）长期监测方法。本发明局地风环境监测方法所涉及的硬件主要包括：风速传感器（1）、风向传感器（2）、温度传感器（3）、湿度传感器（4）、ZigBee无线传输模块（5）、12V输出锂电池组（15节）（6）、太阳能电池板（7）等。该方法具有基站架设方便、成本低、精度高、数据采集方便等特点，为使该方法得到普遍性应用，监测基站的点位选择则需要注意一些基本规则和原则。

Description

一种基于无线传感网技术的阵列式局地风环境监测方法
技术领域
本发明涉及新的气象要素监测思路及方法，按照国际专利分类表（IPC）划分属于物理部，测量测试分部的气象学大组，属于一种应用无线传感技术对专业应用领域气象监测方法进行改良的新型实用方案，该方法具有基站架设方便、成本低、精度高、数据采集方便等特点。 
背景技术
目前尚没有检索到针对广义风环境要素进行监测，并形成完整的处理思路的有关方法的专利申请，国家及地方的常年风情报告主要是依靠专业气象站的监测数据，报告指标主要是针对风速、风向两个参数的若干种统计数据，并没有针对广义风环境（风速、风向、温度、湿度）的系统监测计划和报告出现，但随着我国城市化建设步伐的加快，城市内部的建筑格局日益破碎化和无特征化，仅靠气象部门的有限的专业气象台站的监测数据来辅助街区、住区等局地环境进行广义风环境研究和规划已经难以满足空间尺度的数据要求，同时目前的专业自动化气象台站的数据传输方式主要是GPRS数据传输，对于局地高分辨率的广义风环境研究而言经济性也不能满足长期监测的需求，而随着人们生活水平的提升，生活环境的舒适度要求逐步显露无疑，同时能源危机的出现更使得当前的节能、环保、生态环境与建筑的塑造与建设不可回避，而局地良性广义风环境的监测与评价无疑将为良性城市环境及住区型态的建设提供了必要的参考及考量依据。 
发明内容
本发明目的在于借助无线传感网络技术（WSN）提供一种高时空分辨率，低经济负载的实用新型广义风环境（风速、风向、温度、湿度）长期监测方法。 
本发明所涉及的硬件主要包括：风速传感器（1）、风向传感器（2）、温度传感器（3）、湿度传感器（4）、2.5m传感器标配数据传输线4根（5）、ZigBee无线无线传输模块（6）、12V输出锂电池组（15节）（7）、太阳能电池板（8）、2.5m高“T”字形广义风环境传感器基站（9）、1m高钢制基站基座（10）、基站拉线（11）、伸缩螺杆（12）、40cm长可入地钢钉（13）、防水盒（14）、航空插头（15）、防水接头（16）“U”形太阳能电池板托架（17）等。 
通过所附的实例图，从基于无线传感网技术的局地风环境监测基站的具体构成，到局地环境中监测基站基于ZigBee无线传输模块的无线组网监测，再到整个局地区域内的监测特征点的选取等几个环节对本方法的实现过程进行了系统的展示，并在具体的描述过程中，较清楚地的显示本发明的另外一些特性及优点。在所附的图中： 
        图1是基站主要构件配置图；
        图2是基站基座图；
        图3是基于无线传感网技术的局地风环境监测组网示意图；
     图4是基站的拉线及伸缩拉杆配置图；
参照附图：其中图1是本发明的基础硬件——监测基站，主要有风速传感器（1）、风向传感器（2）、温度传感器（3）、湿度传感器（4）、2.5m传感器标配数据传输线4根（5）、ZigBee无线传输模块（6）、12V输出锂电池组（15节）（7）、太阳能电池板（8）、2.5m高钢制“T”字形广义风环境传感器基站（9）、1m高钢制基站基座（10）、基站拉线（11）、伸缩螺杆（12）、40cm长可入地钢钉（13）、防水盒（14）、航空插头（15）、防水接头（16）、“U”形太阳能电池板托架（17）等组成，具体配置方式为：将广义风环境传感器（风速传感器（1）、风向传感器（2）、温度传感器（3）、湿度传感器（4））安置在“T”字形广义风环境传感器基站的横杆上，广义风环境传感器通过2.5m传感器标配数据传输线（5）经航空插头（15）与内置于防水盒（14）内的ZigBee无线传输模块（6）相连接，从而保证风环境监测数据的无线传输与组网，ZigBee无线传输模块（6）的延长天线经防水接头（16）延伸至“T”字形广义风环境传感器基站顶端，从而保障远距离组网顺利实现，ZigBee无线传输模块（6）及广义风环境传感器的供电均由12V输出锂电池组（15节）（7）提供，而12V输出锂电池组（15节）（7）充电则由太阳能电池板（8）提供，基于局地气象条件所限，基本配置为12V输出锂电池组（15节）（7）单次蓄电能力可供监测基站连续工作5—6天，而太阳能电池板（8）可在正常日照条件下一天内充满12V输出锂电池组（15节）（7），内置ZigBee无线传输模块（6）和内置12V输出锂电池组（15节）（7）的防水盒（14）通过“工”字形托架经可伸缩钢箍固定于“T”字形广义风环境传感器基站（9）中杆距地面2m处，太阳能电池板（8）通过可水平及处置方向调整朝向的“U”形太阳能电池板托架（17）根据所处点位的日照情况固定于“T”字形广义风环境传感器基站（9）中杆距地面1-1.5m处，1m高基站基座入土50cm，并在其距地面25cm处预留等60度角的三个可伸缩螺杆用来控制“T”字形广义风环境传感器基站的朝向及加固，将“T”字形广义风环境传感器基站（9）中杆内嵌于基站基座中，并根据方向传感器（2）的指北标示调整“T”字形广义风环境传感器基站（9）的朝向，用基站基座距地面25cm处预留等60度角的三个可伸缩螺杆加以固定，最后通过基站拉线（11）、伸缩螺杆（12）、40cm长可入地钢钉（13）等60度夹角对监测基站整体进行拉直及固定，伸缩螺杆（12）（图4）用于调整监测基站至铅垂状态，并起到稳固整个监测基站的作用。
附图2为基站基座图，基站基座主要由1m高可外套于2.5m高钢制“T”字形广义风环境传感器基站（9）中杆的钢制管构成，并在其中间点位打孔植入一根可到达其横截面中间位置的螺钉，用以控制其入土深度，在选择确定的监测点位将基座50cm植入地面以下，用以固定整个监测基站，同时在其地面以上部分的中间点位，即其上顶端距地面25cm处预留等60度角的三个可伸缩螺杆用来控制“T”字形广义风环境传感器基站的朝向及加固，通常也可预留一个伸缩螺杆进行控制。 
附图3为基于无线传感网技术的局地风环境监测组网示意图，局地范围内每个风环境监测基站都配置了ZigBee无线传输模块（6）来进行数据的无线传输， ZigBee无线传输模块的可靠性有很多方面进行保证，首先是物理层采用了扩频技术，能够在一定程度上抵抗干扰，而MAC层和应用层(APS部分)有应答重传功能，另外MAC层的CSMA机制使节点发送之前先监听信道，也可以起到避开干扰的作用，网络层采用了网状网的组网方式，从源节点到达目的节点可以有多条路径，路径的冗余加强了网络的健壮性，如果原先的路径出现了问题，比如受到干扰，或者其中一个中间节点出现故障，ZigBee可以进行路由修复，另选一条合适的路径来保持通信；同时因为ZigBee的底层采用了直扩技术，ZigBee在组网和路由特性方面也相当出色，如果采用非信标模式，网络可以扩展得很大，而且节点加入网络和重新加入网络的过程也很快，一般可以做到一秒以内甚至更快，在路由方面，ZigBee支持可靠性很高的网状网的路由，因此可以布设范围很广的网络，并且支持多播和广播的特性，能够给丰富的应用带来有力的支撑，基于ZigBee无线传输模块的上述基本特性及局地风环境监测区域内环境的高复杂程度，选用具有节点类型灵活（中心节点、路由节点、终端节点）、组网能力强（星型网、树形网、链型网、网状网），最大点对点通信距离可达到2km的ZigBee无线传输模块作为局地风环境监测基站无线组网的数据通信终端是完全满足实际应用需求的；通过ZigBee无线传输模块将研究区域内的风环境监测基站的监测数据实时传输到数据处理中心，进而结合专业知识背景和相关分析软件实现对局地广义风环境的监测与分析，同时更可以将相关成果用于建筑设计、景观规划、城市规划等相关领域。 
通过ZigBee无线传输模块所搭建的基于无线传感网技术的局地风环境监测方法的点位布设思想是阵列式布点，这主要缘于ZigBee无线传输模块灵活多样的组网能力和整个监测基站的低经济成本负载（每个基站的的总投资3000元人民币左右，视所搭载传感器的品味而不同）；处于大的风环境背景下的局地风环境的差异主要源于局地风压差和局地热压差，而风压差主要源于建筑物等非透过性实体对背景风环境的遮挡屏蔽所形成的挤压、分流作用，热压差则主要源于地表属性差异所引起的近地表的受热不均，为此，在局地风环境监测阵列式布点思想的指导下，基于无线传感网技术的局地风环境监测基站布设应遵从以下规则： 
1、基于ZigBee无线传输模块的通信距离限制，局地风环境监测基站点对点最大视距不应超过ZigBee无线传感器的最大视距传输距离；
2、基于ZigBee无线传输模块的天线辐射特征及2.4GHz频段的弱穿透性，局地风环境监测基站不应布设在高大建筑物和茂密树冠的底部，也不应布设在其他类似的非透过性遮挡实体的周围2m范围以内，同时应避免将监测基站架设在大功率无线电发射源附近，如信号发射塔、高压输电线路附近等；
3、基于局地风环境监测的现实需求，局地风环境监测基站应布设在距地环境中风环境特征变化明显的点位进行长时间序列的监测，如建筑物拐角处向外3-5m处，建筑廊道，建筑开窗朝向，以及局地常年主导风向的建筑迎风面和背风面等；
4、基于局地风环境长周期监测的现实需求，局地风环境监测基站应布设在便于到达，便于维护、检查和便于长期保留的点位，以保障局地风环境监测基站的长期有效运行；
5、基于局地风环境长周期监测的现实需求，局地风环境监测基站应尽可能布设在日照条件较好的点位，以保障太阳能电池板的充足供电，一般至少每日有2—3小时的日照时间保障；
6、基于ZigBee无线传输模块的通信传输模式，局地风环境监测基站点位布设应至少保证3—4个监测基站的一对多通视，从而保证在有基站不能正常运行的情况下整个网络的正常运行；
7、基于局地风环境变化特征的机理，局地风环境监测基站的布设点位应该尽可能选择在风压变化特征及热压变化特征相对明显且稳定的点位，从而更为方便获取局地风环境的变化特征，以及相关分析与应用。

Claims (3)

1. 本方法是通过基于Zigbee短距离无线通讯技术搭建的简易风环境（风速、风向、温度、湿度）监测传感器基站所形成的阵列式风环境监测网络，其特征是通过自行设计的简易“T”字形传感器托架将风环境传感器安置在距地面2.5m的高度，将无线传输模块固定在不影响数据采集功能的最近位置，并配置太阳能电池板和12V输出锂电池组（15节）来实现风环境监测设备的长期野外不间断作业的需求，其中太阳能电池板通过自行设计的“U”字形托架固定于简易“T”字形传感器托架中杆距地面1-1.5m高度处。
2. 根据权利1所搭建的简易风环境（风速、风向、温度、湿度）监测传感器基站，每个风环境监测基站配置Zigbee无线传输模块，供电同样由配置太阳能电池板和12V输出锂电池组（15节）来实现，同时12V输出锂电池组和Zigbee无线传输模块均需要用防水盒进行防雨水保护，通过可伸缩性钢骨固定在“T”字形传感器托架的中间部位，实现局地范围内的阵列式自动无线组网监测。
3. 根据权利2要求将形成局地无线传感网络的广义风环境（风速、风向、温度、湿度）监测传感器基站安置在监测目标区域内的风环境特征点位上，即：风速、风向、温度、湿度相关性高且局地特征明显的点位进行长时间观测，形成了相对明确的布设规则，并对其日统计数据、周统计数据、月统计数据及年统计数据进行整理归档，形成局地风环境的第一手数据档案资料。
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