CN103606259B - 适用于风能梯度气象观测的无线数据传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于风能梯度气象观测的无线数据传输系统，按照本发明提供的技术方案，所述适用于风能梯度气象观测的无线数据传输系统，包括若干安装于铁塔上的无线智能节点，无线智能节点采集铁塔上的风向风速传感器以及温湿度传感器的检测数据，以形成风能梯度气象观测采集；无线智能节点将采集的检测数据无线传输至铁塔底部的无线智能协调器，且无线智能节点与无线智能协调器间采用时隙通信方式进行数据传输；无线智能节点与无线智能协调器间呈星型网；无线智能节点与无线智能协调器间采用IEEE-802.15.4协议的无线数据传输。本发明结构简单紧凑，供电布线简单可靠，能保证数据传输的实时性及完整性，安装维护方便，实用可靠。

Description

适用于风能梯度气象观测的无线数据传输系统

技术领域

本发明涉及一种数据传输系统，尤其是一种适用于风能梯度气象观测的无线数据传输系统，属于风能梯度气象观测无线通信的技术领域。

背景技术

在现有的风能梯度气象观测中，安装在铁塔上不同梯度的传感器主要通过有线集中的方式接入数据传输系统，铁塔上的所有传感器全部通过线缆接入塔底的多个数据采集器，其中包括一个主采集器5和多个分采集器4，分采集器4和主采集器5之间通过CAN总线的有线通信方式进行数据传输；在该传输方式中，信号、通信和电源线缆贯穿塔身，长度最多可达200米。如图1所示：温湿度传感器1及风向风速传感器2安装于铁塔3上，铁塔3的底部安装主采集器5以及若干分采集器4，分采集器4与主采集器5采用CAN总线连接，分采集器4及主采集器5采用电源箱6进行供电。

如图5所示：分采集器4与主采集器5进行数据传输时，在上行过程中，分采集器4采集数据，进行ASCII编码，CAN总线实时发送，主采集器5通过CAN总线进行数据的实时接收，ASCII解码以及数据处理。如图6所示：在下行过程中，主采集器5根据需要生成命令，然后进行ASCII编码及CAN总线实时发送，分采集器4通过CAN总线实时接收，然后进行ASCII解码及命令响应。

主采集器和分采集器之间的数据传输频率为每秒1次。

现有的风能梯度气象观测系统在实际应用中主要面临两大问题：

1）、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。

2）、高空的线缆容易遭受雷击，给设备造成损害。

目前无线通信技术在许多领域的应用已经十分成熟，通过在所要求的观测梯度放置无线智能节点，完成该梯度的气象数据采集功能，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，可以消除铁塔上的线缆，进而有效解决了铁塔上有线传输所面临的问题。但是在风能梯度气象观测的特殊应用场合，采用无线通信技术有以下几个方面的挑战：

1）、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。

2）、全天候条件下无线通信传输的可靠性。

3）、无线通信数据传输的实时性和完整性。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种适用于风能梯度气象观测的无线数据传输系统，其结构简单紧凑，供电布线简单可靠，能保证数据传输的实时性及完整性，安装维护方便，实用可靠。

按照本发明提供的技术方案，所述适用于风能梯度气象观测的无线数据传输系统，包括若干安装于铁塔上的无线智能节点，无线智能节点采集铁塔上的风向风速传感器以及温湿度传感器的检测数据，以形成风能梯度气象观测采集；无线智能节点将采集的检测数据无线传输至铁塔底部的无线智能协调器，且无线智能节点与无线智能协调器间采用时隙通信方式进行数据传输；

无线智能节点与无线智能协调器间呈星型网；无线智能节点与无线智能协调器间采用IEEE-802.15.4协议的无线数据传输。

所述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。

所述无线智能节点的电源端、无线智能协调器的电源端与对应的太阳能板相连接。

所述无线智能节点包括节点处理器，所述节点处理器的电源端与节点蓄电池连接，节点处理器还与节点无线传输模块及传感器接口连接，节点蓄电池与节点太阳能板接口连接。

所述无线智能协调器包括协调器处理器，所述协调器处理器的电源端与协调器蓄电池连接，协调器处理器还与协调器无线传输模块及无线通信模块连接，协调器蓄电池与协调器太阳能板接口连接。

所述无线智能协调器通过无线通信模块将统计后的无线智能节点的观测数据无线传输至后台监控服务器。

所述无线智能节点还连接铁塔上的辐射传感器及气压传感器，无线智能节点将采集的辐射传感器及气压传感器的检测数据无线传输至无线智能协调器。

所述无线通信模块包括GPRS模块、3G模块或4G模块。

本发明的优点：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形成无线数据传输系统，无线智能节点与无线智能协调器采用无线传输，并采用太阳能供电，解决了在现有铁塔上布线困难的问题，且能保证无线通信传输的全天候可靠性，数据传输的实时性及完整性，结构简单紧凑，安装维护方便，实用可靠。

附图说明

图1为现有风能梯度气象观测的结构示意图。

图2为本发明的结构示意图。

图3为本发明无线智能节点的结构框图。

图4为本发明无线智能协调器的结构框图。

图5为现有数据传输上行过程的流程示意图。

图6为现有数据传输下行过程的流程示意图。

图7为本发明数据传输上行过程的流程示意图。

图8为本发明数据传输下行过程的流程示意图。

图9为本发明无线智能节点进行时隙通信的时隙分配图。

图10为本发明无线智能协调器进行时隙通信的时隙分配图。

附图标记说明：1-温湿度传感器、2-风向风速传感器、3-铁塔、4-分采集器、5-主采集器、6-电源箱、7-太阳能板、8-无线智能节点、9-无线智能协调器、10-节点蓄电池、11-节点无线传输模块、12-节点处理器、13-节点太阳能板接口、14-节点传感器接口、15-协调器蓄电池、16-协调器无线传输模块、17-GPRS模块、18-协调器处理器、19-协调器传感器接口、20-协调器太阳能板接口、21-辐射传感器及22-气压传感器。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图2、图3和图4所示：为了能够在风能梯度气象观测中实现可靠、实用的无线数据传输，保证数据传输的实时性及完整性，本发明包括若干安装于铁塔3上的无线智能节点8，无线智能节点8采集铁塔3上的风向风速传感器2以及温湿度传感器1的检测数据，以形成风能梯度气象观测采集；无线智能节点8将采集的检测数据无线传输至铁塔3底部的无线智能协调器9，且无线智能节点8与无线智能协调器9间采用时隙通信方式进行数据传输；无线智能节点8与无线智能协调器9间呈星型网；无线智能节点8与无线智能协调器9间采用IEEE-802.15.4协议的无线数据传输。

具体地，为了实现风能梯度气象的观测，在铁塔3的不同梯度上安装风向风速传感器2以及温湿度传感器1，每一个梯度上一般安装一个风向风速传感器2及一个温湿度传感器1，在具体实施时，可以根据需要在铁塔3上安装所需数量的风向风速传感器2及温湿度传感器1，所述梯度是指在铁塔3上满足气象观测的规定高度值。此外，铁塔3上还可以安装有辐射传感器21及气压传感器22，无线智能节点8还同时采集辐射传感器21及气压传感器22的检测数据，然后无线智能节点8将采集的温湿度传感器1、风向风速传感器2、辐射传感器21及气压传感器22的检测数据传输至无线智能协调器9。

为了能够对风向风速传感器2、温湿度传感器1、辐射传感器21及气压传感器22的检测数据采集传输，本发明实施例中，铁塔3上的每个观测梯度安装无线智能节点8，通过无线智能节点8采集所在梯度上风向风速传感器2、温湿度传感器1、辐射传感器21及气压传感器22的检测数据，从而在铁塔3上形成风能梯度气象的观测。

所述无线智能协调器9位于铁塔3的底部，无线智能节点8与无线智能协调器9间呈星型网；无线智能节点8与无线智能协调器9间采用IEEE-802.15.4协议的无线数据传输。

进一步地，本发明实施例中，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8与无线智能协调器9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，并使用世界范围通用的2.4Ghz通信频段。802.15.4协议的通信设备具有极低的功耗，适用于太阳能供电方式。802.15.4协议要求通信环境可视，与铁塔现场环境相符，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，传输距离也满足200米的要求。802.15.4协议本身具有CSMA（CarrierSenseMultipleAccess）防冲突碰撞机制，并采用了DSSS（DirectSequenceSpreadSpectrum）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、wifi协议。

在802.15.4协议的基础上，无线智能节点8与无线智能协调器9间形成星型网，其中星型网的中心点无线智能协调器9可分布在铁塔3的底层，而其余各无线智能节点8分布在铁塔3上的不同观测梯度。由于星型网络中各节点（即本发明实施例中为无线智能节点8）与中心节点（即本发明实施例中的无线智能协调器9）之间单跳传输，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，整网的节点间的传输性能可等价于点对点传输的性能，同时能满足风能梯度气象观测的使用要求。目前，在风能梯度气象系统中，风能梯度气象观测最多为13个，覆盖范围点对点最远距离不超过200米。

所述无线智能节点8的电源端、无线智能协调器9的电源端与对应的太阳能板7连接。即无线智能节点8与无线智能协调器9间采用太阳能板进行供电。

如图7和图8所示：本发明实施例中，无线智能节点8与无线智能协调器9采用时隙通信方式传输数据，即无线智能协调器9被动接收，无线智能节点8主动上报的传输机制。每次通信，均由无线智能节点8进行发起。考虑到功耗因素，无线智能协调器9处于实时监听状态、无线智能节点8在通信完成后进入睡眠状态，降低功耗。为了进一步降低无线通信的功耗，增加无线通信的传输效率，本发明摒弃原有的实时响应通信方式和一秒钟的传输频率，更改为：时隙通信机制。

所述无线智能节点8与无线智能协调器9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8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。其中，上报数据时隙是指在该时隙内，无线智能节点8在设定时刻向无线智能协调器9主动上报数据，所述主动上报的数据包括对温湿度传感器1、风向风速传感器2进行采集的数据和所述无线智能节点8的工作状态数据，无线智能节点8的工作状态数据包括无线智能节点8的工作电压、电路板当前温度、设备的告警信息以及积压数据信息。上报请求时隙是指在该时隙内，无线智能节点8在设定时刻向无线智能协调器9主动发送询问请求指令，无线智能协调器9给予响应，期间完成无线智能节点8的参数配置功能，并制定大数据传输时隙传输类型，对无线智能节点8的参数配置包括无线网络参数配置、传感器类型配置和时间配置，大数据传输类型包括数据查询、数据补发以及向无线智能节点8传输系统文件，系统文件可以用来对无线智能节点8进行系统更新。大数据传输时隙是指在该时隙内，无线智能节点8和无线智能协调器9根据上报请求时隙制定的传输类型完成无线智能节点8的数据查询、积压数据的补收或系统文件的传输。安全时隙是指在该时隙内，无线智能节点8和无线智能协调器9之间不允许有任何通信动作发生。

本发明实施例中，无线智能节点8可以根据需要配置上报数据时隙、上报请求时隙、大数据传输时隙以及安全时隙的具体时间，以适应不同的需求，同时与无线智能协调器9的数据传输匹配；具体实施时，无线智能节点8在时隙周期的0-5s为上报数据时隙，在20s~30s为上报请求时隙，在35s~55s为大数据传输时隙，其余为安全时隙。本发明实施例中，无线智能协调器9在整分钟的15s时向后台监控服务器上报数据，具体地，无线智能协调器9通过无线方式将统计后的各梯度观测数据传输到后台监控服务器内；无线智能协调器9在一分钟的其他时间均为实时响应时隙。

具体地，将数据上报的时间划分在0-5s，参数配置划分在20s-30s，数据查询等需要大量数据传输的时隙划分在35s-55s，通常在没有大数据传输的情形下，每分钟只有0s-5s的数据上报间隙和20s-30s的参数配置时隙是无线通信的活跃期，活跃期内的时间将根据无线智能节点8本身的局域网地址号均分到每个无线智能节点8，故每个无线智能节点8都会在活跃期内某个固定时刻醒来，完成自身通信任务之后迅速进入睡眠模式；在铁塔3的风能梯度气象观测中，每个无线智能节点8的醒来时刻不同，能够避免冲突。由于涉及到实际数据传输的时间很短，因此每个无线智能节点8在一分钟内实际唤醒工作的时间累计不会超过5s，通过该时隙划分方式，最大限度的避免了节点之间的无线通信的冲突，同时又极大的降低了无线智能节点8的功耗。

本发明实施例中，一分钟的时隙周期的设计，来源于气象观测规范对原始数据进行计算分钟瞬时值、一分钟平均值、二分钟平均值、十分钟平均值和挑选分钟极值的要求。

在现有的风能梯度气象观测中，数据传输计算方式为集中式，所有原始数据汇集到所谓的主采集器5，由主采集器5汇聚秒级的采样数据，并在每分钟完成各种计算处理。这种方案的数据传输量很大，如果应用到本发明的时隙通信机制中，当在分采集器4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。

本发明实施例中，数据传输技术方式为分布式，由无线智能节点8完成预处理计算，将秒级的采样数据处理成分钟级的统计数据，并只传输处理过的数据，有效提高了传输效率，由于传输间隔在一分钟，因此可以满足一分钟统计数据的实时性要求；在时隙通信机制下，无线智能协调器9通过解析每个无线智能节点8传输预处理后的数据能直接得到所述无线智能节点8所在观测梯度的一分钟内的气象数据，并能通过计算获得二分钟和十分钟内的气象数据。采用分布式算法可以大大降低通信的数据量，并可以由无线智能协调器9通过进一步计算，精确的获得所需的观测数据，满足了的无线传输的实时性和完整性要求。为了增强可扩展性，时隙周期和各时隙长度的划分均可配置。

本发明实施例中，无线智能节点8与无线智能协调器9间具有重发补收机制：所述重发补收机制是指在规定时隙内，无线智能节点8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，重发次数最多不超过三次，超过三次，将放弃重发，并将数据存储在无线智能节点8的本地。进一步地，积压的数据信息通过上报数据时隙的上报数据上传给无线智能协调器9，无线智能协调器9和无线智能节点8在上报请求时隙内，制定好补收策略，并在大数据传输时隙内，完成无线智能协调器9对无线智能节点8的积压数据的补收。

无线智能协调器9还能对无线智能节点8进行系统文件的远程更新，所述系统文件的远程更新是指无线智能节点8在上报请求时隙内向无线智能协调器9主动发送询问请求指令，无线智能协调器9下达无线智能节点8系统文件的传输指令，在大数据传输时隙内，无线智能节点8通知无线智能协调器9“已准备好”，并由无线智能协调器9向无线智能节点8进行系统文件的传输。

无线智能协调器9与所有的无线智能节点8间设置时间同步机制，所述时间同步机制是指以无线智能协调器9的时间为基准时间，无线智能协调器9将和所有的无线智能节点8进行时间同步，无线智能节点8在上报请求时隙内向无线智能协调器9发送含有本地时间的请求指令，无线智能协调器9判断无线智能节点8和自身的时间差，当时间差超过无线智能协调器9内的限定阀值则启动对无线智能节点8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，消除由于数据传输带来的时间误差，上述本地时间是采用绝对时间。

如图3所示：所述无线智能节点8包括节点处理器12，所述节点处理器12的电源端与节点蓄电池10连接，节点处理器12还与节点无线传输模块11及传感器接口14连接，节点蓄电池10与节点太阳能板接口13连接。

节点处理器12可以采用常用的低功耗微处理芯片，节点蓄电池10通过节点太阳能板接口13与太阳能板7连接，以实现对节点蓄电池10的充电，节点蓄电池10能提供节点处理器12、节点无线传输模块11以及节点传感器接口14的工作电源。节点处理器12通过节点传感器接口14来连接温湿度传感器1以及风向风速传感器2，并能对温湿度传感器1及风向风速传感器2的数据进行采集。节点处理器12通过节点无线传输模块11与无线智能协调器9进行无线连接，节点处理器12还能完成初步的数据预处理，以及根据无线智能协调器9的命令进行参数配置。

如图4所示：所述无线智能协调器9包括协调器处理器18，所述协调器处理器18的电源端与协调器蓄电池15连接，协调器处理器18还与协调器无线传输模块16及无线通信模块连接，协调器蓄电池15与协调器太阳能板接口20连接。协调器处理器18还与协调器传感器接口19连接。所述无线通信模块包括GPRS（GeneralPacketRadioService）模块、3G（3rd-generation）模块或4G模块，无线通信模块也可以采用其他无线通信的方式，此处不再一一列举。本发明实施例中，示出了无线通信模块采用GPRS模块17的状态。

协调器处理器18可以采用常用的微处理芯片，协调器处理器18通过协调器无线传输模块16与无线智能节点8的节点无线传输模块11进行无线传输，即节点无线传输模块11与协调器无线传输模块16间的无线传输采用IEEE-802.15.4协议方式，协调器处理器18能通过协调器无线传输模块16接收无线智能节点8传输的数据，并对数据进行管理处理后传输到远端，本发明实施例中，所述无线智能协调器9通过无线通信模块将无线智能节点8传输的数据无线传输至后台监控服务器，进一步地，无线数据智能协调器9将对所有无线智能节点8传输预处理后的数据进行统计后传输至后台监控服务器。后台监控服务器可以为气象台服务器，实现所有风能梯度气象的数据观测管理。

协调器蓄电池15提供协调器无线传输模块16、GPRS模块17、协调器处理器18及协调器传感器接口19的工作电源，协调器蓄电池15通过协调器太阳能板接口20与太阳能板7连接，以实现对协调器蓄电池15的充电。

本发明安装在铁塔3上的若干无线智能节点8与铁塔3底部的无线智能协调器9形成无线数据传输系统，无线智能节点8与无线智能协调器9采用无线传输，并采用太阳能供电，解决了在现有铁塔3上布线困难的问题，且能保证无线通信传输的全天候可靠性，数据传输的实时性及完整性，结构简单紧凑，安装维护方便，实用可靠。

Claims (2)

1.一种适用于风能梯度气象观测的无线数据传输系统，其特征是：包括若干安装于铁塔（3）上的无线智能节点（8），无线智能节点（8）采集铁塔（3）上的风向风速传感器（2）以及温湿度传感器（1）的检测数据，以形成风能梯度气象观测采集；无线智能节点（8）将采集的检测数据无线传输至铁塔（3）底部的无线智能协调器（9），且无线智能节点（8）与无线智能协调器（9）间采用时隙通信方式进行数据传输；

无线智能节点（8）与无线智能协调器（9）间呈星型网；无线智能节点（8）与无线智能协调器（9）间采用IEEE-802.15.4协议的无线数据传输；

所述无线智能节点（8）与无线智能协调器（9）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（8）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；

所述无线智能节点（8）的电源端、无线智能协调器（9）的电源端与对应的太阳能板（7）相连接；所述无线智能节点（8）还连接铁塔（3）上的辐射传感器（21）及气压传感器（22），无线智能节点（8）将采集的辐射传感器（21）及气压传感器（22）的检测数据无线传输至无线智能协调器（9）；

所述无线智能节点（8）包括节点处理器（12），所述节点处理器（12）的电源端与节点蓄电池（10）连接，节点处理器（12）还与节点无线传输模块（11）及传感器接口（14）连接，节点蓄电池（10）与节点太阳能板接口（13）连接；

所述无线智能协调器（9）通过无线通信模块将统计后的无线智能节点（8）的观测数据无线传输至后台监控服务器。

2.根据权利要求1所述的适用于风能梯度气象观测的无线数据传输系统，其特征是：所述无线智能协调器（9）包括协调器处理器（18），所述协调器处理器（18）的电源端与协调器蓄电池（15）连接，协调器处理器（18）还与协调器无线传输模块（16）及无线通信模块连接，协调器蓄电池（15）与协调器太阳能板接口（20）连接。