專利名稱：一種基于無線傳感網(wǎng)技術(shù)的陣列式局地風(fēng)環(huán)境監(jiān)測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及新的氣象要素監(jiān)測思路及方法，按照國際專利分類表(IPC)劃分屬于物理部，測量測試分部的氣象學(xué)大組，屬于一種應(yīng)用無線傳感技術(shù)對專業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域氣象監(jiān)測方法進(jìn)行改良的新型實用方案，該方法具有基站架設(shè)方便、成本低、精度高、數(shù)據(jù)采集方便等特點。
背景技術(shù)：
目前尚沒有檢索到針對廣義風(fēng)環(huán)境要素進(jìn)行監(jiān)測，并形成完整的處理思路的有關(guān)方法的專利申請，國家及地方的常年風(fēng)情報告主要是依靠專業(yè)氣象站的監(jiān)測數(shù)據(jù)，報告指標(biāo)主要是針對風(fēng)速、風(fēng)向兩個參數(shù)的若干種統(tǒng)計數(shù)據(jù)，并沒有針對廣義風(fēng)環(huán)境(風(fēng)速、風(fēng)向、 溫度、濕度)的系統(tǒng)監(jiān)測計劃和報告出現(xiàn)，但隨著我國城市化建設(shè)步伐的加快，城市內(nèi)部的建筑格局日益破碎化和無特征化，僅靠氣象部門的有限的專業(yè)氣象臺站的監(jiān)測數(shù)據(jù)來輔助街區(qū)、住區(qū)等局地環(huán)境進(jìn)行廣義風(fēng)環(huán)境研究和規(guī)劃已經(jīng)難以滿足空間尺度的數(shù)據(jù)要求，同時目前的專業(yè)自動化氣象臺站的數(shù)據(jù)傳輸方式主要是GPRS數(shù)據(jù)傳輸，對于局地高分辨率的廣義風(fēng)環(huán)境研究而言經(jīng)濟(jì)性也不能滿足長期監(jiān)測的需求，而隨著人們生活水平的提升， 生活環(huán)境的舒適度要求逐步顯露無疑，同時能源危機(jī)的出現(xiàn)更使得當(dāng)前的節(jié)能、環(huán)保、生態(tài)環(huán)境與建筑的塑造與建設(shè)不可回避，而局地良性廣義風(fēng)環(huán)境的監(jiān)測與評價無疑將為良性城市環(huán)境及住區(qū)型態(tài)的建設(shè)提供了必要的參考及考量依據(jù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于借助無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(WSN)提供一種高時空分辨率，低經(jīng)濟(jì)負(fù)載的實用新型廣義風(fēng)環(huán)境(風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度)長期監(jiān)測方法。本發(fā)明所涉及的硬件主要包括風(fēng)速傳感器(1)、風(fēng)向傳感器(2)、溫度傳感器 (3)、濕度傳感器(4)、2. 5m傳感器標(biāo)配數(shù)據(jù)傳輸線4根(5)、ZigBee無線無線傳輸模塊(6)、 12V輸出鋰電池組(15節(jié))(7)、太陽能電池板(8)、2. 5m高“T”字形廣義風(fēng)環(huán)境傳感器基站 (9)、lm高鋼制基站基座(10)、基站拉線(11)、伸縮螺桿(12)、40cm長可入地鋼釘(13)、防水盒(14)、航空插頭(15)、防水接頭(16) “U”形太陽能電池板托架(17)等。通過所附的實例圖，從基于無線傳感網(wǎng)技術(shù)的局地風(fēng)環(huán)境監(jiān)測基站的具體構(gòu)成， 到局地環(huán)境中監(jiān)測基站基于ZigBee無線傳輸模塊的無線組網(wǎng)監(jiān)測，再到整個局地區(qū)域內(nèi)的監(jiān)測特征點的選取等幾個環(huán)節(jié)對本方法的實現(xiàn)過程進(jìn)行了系統(tǒng)的展示，并在具體的描述過程中，較清楚地的顯示本發(fā)明的另外一些特性及優(yōu)點。在所附的圖中


圖1是基站主要構(gòu)件配置圖； 圖2是基站基座圖3是基于無線傳感網(wǎng)技術(shù)的局地風(fēng)環(huán)境監(jiān)測組網(wǎng)示意圖； 圖4是基站的拉線及伸縮拉桿配置參照附圖其中圖1是本發(fā)明的基礎(chǔ)硬件——監(jiān)測基站，主要有風(fēng)速傳感器(1)、風(fēng)向傳感器(2)、溫度傳感器(3)、濕度傳感器(4)、2. 5m傳感器標(biāo)配數(shù)據(jù)傳輸線4根(5)、ZigBee 無線傳輸模塊(6)、12V輸出鋰電池組(15節(jié))(7)、太陽能電池板⑶又之；?。?！高鋼制“丁”字形廣義風(fēng)環(huán)境傳感器基站(9)、lm高鋼制基站基座(10)、基站拉線(11)、伸縮螺桿(12)、40cm 長可入地鋼釘(13)、防水盒(14)、航空插頭(15)、防水接頭(16)、“U”形太陽能電池板托架 (17)等組成，具體配置方式為將廣義風(fēng)環(huán)境傳感器(風(fēng)速傳感器(1)、風(fēng)向傳感器(2)、溫度傳感器(3)、濕度傳感器(4))安置在“T”字形廣義風(fēng)環(huán)境傳感器基站的橫桿上，廣義風(fēng)環(huán)境傳感器通過2. 5m傳感器標(biāo)配數(shù)據(jù)傳輸線(5)經(jīng)航空插頭(15)與內(nèi)置于防水盒(14)內(nèi)的 ZigBee無線傳輸模塊(6)相連接，從而保證風(fēng)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的無線傳輸與組網(wǎng)，ZigBee無線傳輸模塊(6)的延長天線經(jīng)防水接頭(16)延伸至“T”字形廣義風(fēng)環(huán)境傳感器基站頂端， 從而保障遠(yuǎn)距離組網(wǎng)順利實現(xiàn)，ZigBee無線傳輸模塊(6)及廣義風(fēng)環(huán)境傳感器的供電均由 12V輸出鋰電池組(15節(jié))(7)提供，而12V輸出鋰電池組(15節(jié))(7)充電則由太陽能電池板(8)提供，基于局地氣象條件所限，基本配置為12V輸出鋰電池組(15節(jié))(7)單次蓄電能力可供監(jiān)測基站連續(xù)工作5— 6天，而太陽能電池板(8)可在正常日照條件下一天內(nèi)充滿 12V輸出鋰電池組(15節(jié))(7)，內(nèi)置ZigBee無線傳輸模塊(6)和內(nèi)置12V輸出鋰電池組(15 節(jié))(7)的防水盒(14)通過“工”字形托架經(jīng)可伸縮鋼箍固定于“T”字形廣義風(fēng)環(huán)境傳感器基站(9)中桿距地面an處，太陽能電池板(8)通過可水平及處置方向調(diào)整朝向的“U”形太陽能電池板托架(17)根據(jù)所處點位的日照情況固定于“T”字形廣義風(fēng)環(huán)境傳感器基站(9) 中桿距地面1-1. 5m處，Im高基站基座入土 50cm，并在其距地面25cm處預(yù)留等60度角的三個可伸縮螺桿用來控制“T”字形廣義風(fēng)環(huán)境傳感器基站的朝向及加固，將“T”字形廣義風(fēng)環(huán)境傳感器基站(9)中桿內(nèi)嵌于基站基座中，并根據(jù)方向傳感器(2)的指北標(biāo)示調(diào)整“T”字形廣義風(fēng)環(huán)境傳感器基站(9)的朝向，用基站基座距地面25cm處預(yù)留等60度角的三個可伸縮螺桿加以固定，最后通過基站拉線(11)、伸縮螺桿(12)、40cm長可入地鋼釘(13)等60 度夾角對監(jiān)測基站整體進(jìn)行拉直及固定，伸縮螺桿(12)(圖4)用于調(diào)整監(jiān)測基站至鉛垂?fàn)顟B(tài)，并起到穩(wěn)固整個監(jiān)測基站的作用。附圖2為基站基座圖，基站基座主要由Im高可外套于2. 5m高鋼制“Τ”字形廣義風(fēng)環(huán)境傳感器基站(9)中桿的鋼制管構(gòu)成，并在其中間點位打孔植入一根可到達(dá)其橫截面中間位置的螺釘，用以控制其入土深度，在選擇確定的監(jiān)測點位將基座50cm植入地面以下， 用以固定整個監(jiān)測基站，同時在其地面以上部分的中間點位，即其上頂端距地面25cm處預(yù)留等60度角的三個可伸縮螺桿用來控制“T”字形廣義風(fēng)環(huán)境傳感器基站的朝向及加固，通常也可預(yù)留一個伸縮螺桿進(jìn)行控制。附圖3為基于無線傳感網(wǎng)技術(shù)的局地風(fēng)環(huán)境監(jiān)測組網(wǎng)示意圖，局地范圍內(nèi)每個風(fēng)環(huán)境監(jiān)測基站都配置了 ZigBee無線傳輸模塊(6)來進(jìn)行數(shù)據(jù)的無線傳輸，ZigBee無線傳輸模塊的可靠性有很多方面進(jìn)行保證，首先是物理層采用了擴(kuò)頻技術(shù)，能夠在一定程度上抵抗干擾，而MAC層和應(yīng)用層(APS部分)有應(yīng)答重傳功能，另外MAC層的CSMA機(jī)制使節(jié)點發(fā)送之前先監(jiān)聽信道，也可以起到避開干擾的作用，網(wǎng)絡(luò)層采用了網(wǎng)狀網(wǎng)的組網(wǎng)方式，從源節(jié)點到達(dá)目的節(jié)點可以有多條路徑，路徑的冗余加強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的健壯性，如果原先的路徑出現(xiàn)了問題，比如受到干擾，或者其中一個中間節(jié)點出現(xiàn)故障，ZigBee可以進(jìn)行路由修復(fù)， 另選一條合適的路徑來保持通信；同時因為ZigBee的底層采用了直擴(kuò)技術(shù)，ZigBee在組網(wǎng)和路由特性方面也相當(dāng)出色，如果采用非信標(biāo)模式，網(wǎng)絡(luò)可以擴(kuò)展得很大，而且節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)和重新加入網(wǎng)絡(luò)的過程也很快，一般可以做到一秒以內(nèi)甚至更快，在路由方面，ZigBee 支持可靠性很高的網(wǎng)狀網(wǎng)的路由，因此可以布設(shè)范圍很廣的網(wǎng)絡(luò)，并且支持多播和廣播的特性，能夠給豐富的應(yīng)用帶來有力的支撐，基于ZigBee無線傳輸模塊的上述基本特性及局地風(fēng)環(huán)境監(jiān)測區(qū)域內(nèi)環(huán)境的高復(fù)雜程度，選用具有節(jié)點類型靈活(中心節(jié)點、路由節(jié)點、終端節(jié)點)、組網(wǎng)能力強(qiáng)(星型網(wǎng)、樹形網(wǎng)、鏈型網(wǎng)、網(wǎng)狀網(wǎng))，最大點對點通信距離可達(dá)到2km的 ZigBee無線傳輸模塊作為局地風(fēng)環(huán)境監(jiān)測基站無線組網(wǎng)的數(shù)據(jù)通信終端是完全滿足實際應(yīng)用需求的；通過ZigBee無線傳輸模塊將研究區(qū)域內(nèi)的風(fēng)環(huán)境監(jiān)測基站的監(jiān)測數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理中心，進(jìn)而結(jié)合專業(yè)知識背景和相關(guān)分析軟件實現(xiàn)對局地廣義風(fēng)環(huán)境的監(jiān)測與分析，同時更可以將相關(guān)成果用于建筑設(shè)計、景觀規(guī)劃、城市規(guī)劃等相關(guān)領(lǐng)域。
通過ZigBee無線傳輸模塊所搭建的基于無線傳感網(wǎng)技術(shù)的局地風(fēng)環(huán)境監(jiān)測方法的點位布設(shè)思想是陣列式布點，這主要緣于ZigBee無線傳輸模塊靈活多樣的組網(wǎng)能力和整個監(jiān)測基站的低經(jīng)濟(jì)成本負(fù)載(每個基站的的總投資3000元人民幣左右，視所搭載傳感器的品味而不同)；處于大的風(fēng)環(huán)境背景下的局地風(fēng)環(huán)境的差異主要源于局地風(fēng)壓差和局地?zé)釅翰睿L(fēng)壓差主要源于建筑物等非透過性實體對背景風(fēng)環(huán)境的遮擋屏蔽所形成的擠壓、分流作用，熱壓差則主要源于地表屬性差異所引起的近地表的受熱不均，為此，在局地風(fēng)環(huán)境監(jiān)測陣列式布點思想的指導(dǎo)下，基于無線傳感網(wǎng)技術(shù)的局地風(fēng)環(huán)境監(jiān)測基站布設(shè)應(yīng)遵從以下規(guī)則
1、基于ZigBee無線傳輸模塊的通信距離限制，局地風(fēng)環(huán)境監(jiān)測基站點對點最大視距不應(yīng)超過ZigBee無線傳感器的最大視距傳輸距離；
2、基于ZigBee無線傳輸模塊的天線輻射特征及2.4GHz頻段的弱穿透性，局地風(fēng)環(huán)境監(jiān)測基站不應(yīng)布設(shè)在高大建筑物和茂密樹冠的底部，也不應(yīng)布設(shè)在其他類似的非透過性遮擋實體的周圍an范圍以內(nèi)，同時應(yīng)避免將監(jiān)測基站架設(shè)在大功率無線電發(fā)射源附近，如信號發(fā)射塔、高壓輸電線路附近等；
3、基于局地風(fēng)環(huán)境監(jiān)測的現(xiàn)實需求，局地風(fēng)環(huán)境監(jiān)測基站應(yīng)布設(shè)在距地環(huán)境中風(fēng)環(huán)境特征變化明顯的點位進(jìn)行長時間序列的監(jiān)測，如建筑物拐角處向外3-5m處，建筑廊道，建筑開窗朝向，以及局地常年主導(dǎo)風(fēng)向的建筑迎風(fēng)面和背風(fēng)面等；
4、基于局地風(fēng)環(huán)境長周期監(jiān)測的現(xiàn)實需求，局地風(fēng)環(huán)境監(jiān)測基站應(yīng)布設(shè)在便于到達(dá)， 便于維護(hù)、檢查和便于長期保留的點位，以保障局地風(fēng)環(huán)境監(jiān)測基站的長期有效運行；
5、基于局地風(fēng)環(huán)境長周期監(jiān)測的現(xiàn)實需求，局地風(fēng)環(huán)境監(jiān)測基站應(yīng)盡可能布設(shè)在日照條件較好的點位，以保障太陽能電池板的充足供電，一般至少每日有2— 3小時的日照時間保障；
6、基于ZigBee無線傳輸模塊的通信傳輸模式，局地風(fēng)環(huán)境監(jiān)測基站點位布設(shè)應(yīng)至少保證3—4個監(jiān)測基站的一對多通視，從而保證在有基站不能正常運行的情況下整個網(wǎng)絡(luò)的正常運行；
7、基于局地風(fēng)環(huán)境變化特征的機(jī)理，局地風(fēng)環(huán)境監(jiān)測基站的布設(shè)點位應(yīng)該盡可能選擇在風(fēng)壓變化特征及熱壓變化特征相對明顯且穩(wěn)定的點位，從而更為方便獲取局地風(fēng)環(huán)境的變化特征，以及相關(guān)分析與應(yīng)用。
權(quán)利要求
1.本方法是通過基于Zigbee短距離無線通訊技術(shù)搭建的簡易風(fēng)環(huán)境(風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度)監(jiān)測傳感器基站所形成的陣列式風(fēng)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，其特征是通過自行設(shè)計的簡易 “T”字形傳感器托架將風(fēng)環(huán)境傳感器安置在距地面2. 5m的高度，將無線傳輸模塊固定在不影響數(shù)據(jù)采集功能的最近位置，并配置太陽能電池板和12V輸出鋰電池組(15節(jié))來實現(xiàn)風(fēng)環(huán)境監(jiān)測設(shè)備的長期野外不間斷作業(yè)的需求，其中太陽能電池板通過自行設(shè)計的“U”字形托架固定于簡易“T”字形傳感器托架中桿距地面1-1. 5m高度處。
2.根據(jù)權(quán)利1所搭建的簡易風(fēng)環(huán)境(風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度)監(jiān)測傳感器基站，每個風(fēng)環(huán)境監(jiān)測基站配置Zigbee無線傳輸模塊，供電同樣由配置太陽能電池板和12V輸出鋰電池組(15節(jié))來實現(xiàn)，同時12V輸出鋰電池組和Zigbee無線傳輸模塊均需要用防水盒進(jìn)行防雨水保護(hù)，通過可伸縮性鋼骨固定在“T”字形傳感器托架的中間部位，實現(xiàn)局地范圍內(nèi)的陣列式自動無線組網(wǎng)監(jiān)測。
3.根據(jù)權(quán)利2要求將形成局地?zé)o線傳感網(wǎng)絡(luò)的廣義風(fēng)環(huán)境(風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度)監(jiān)測傳感器基站安置在監(jiān)測目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的風(fēng)環(huán)境特征點位上，即風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度相關(guān)性高且局地特征明顯的點位進(jìn)行長時間觀測，形成了相對明確的布設(shè)規(guī)則，并對其日統(tǒng)計數(shù)據(jù)、周統(tǒng)計數(shù)據(jù)、月統(tǒng)計數(shù)據(jù)及年統(tǒng)計數(shù)據(jù)進(jìn)行整理歸檔，形成局地風(fēng)環(huán)境的第一手?jǐn)?shù)據(jù)檔案資料。
全文摘要
基于無線傳感網(wǎng)技術(shù)的局地風(fēng)環(huán)境監(jiān)測方法是一種應(yīng)用無線傳感技術(shù)對專業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域氣象監(jiān)測方法進(jìn)行改進(jìn)的實用方案。目的在于借助無線傳感網(wǎng)絡(luò)(WSN)技術(shù)提供一種高時空分辨率，低經(jīng)濟(jì)負(fù)載的廣義風(fēng)環(huán)境(風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度)長期監(jiān)測方法。本發(fā)明局地風(fēng)環(huán)境監(jiān)測方法所涉及的硬件主要包括風(fēng)速傳感器(1)、風(fēng)向傳感器(2)、溫度傳感器(3)、濕度傳感器(4)、ZigBee無線傳輸模塊(5)、12V輸出鋰電池組(15節(jié))(6)、太陽能電池板(7)等。該方法具有基站架設(shè)方便、成本低、精度高、數(shù)據(jù)采集方便等特點，為使該方法得到普遍性應(yīng)用，監(jiān)測基站的點位選擇則需要注意一些基本規(guī)則和原則。
文檔編號G01W1/02GK102354004SQ20111019596
公開日2012年2月15日 申請日期2011年7月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月13日
發(fā)明者唐立娜, 李春明, 王豪偉, 蘇曉丹, 董仁才, 趙景柱, 鄭拴寧 申請人:中國科學(xué)院城市環(huán)境研究所