一种气象数据采集传输系统的设计

摘   要： 针对气象检测的需求，提出了一种基于手机和无线传感器网络的数据采集和传输方案，详述了系统设计的原理与软硬件的实现方法。系统以无线通信模块CC2430为采集节点，利用传感器采集数据，通过ZigBee实现对采集数据的无线发送和接收，并通过J2ME编程在手机上实现了气象参数的实时显示、存储和远程上传。本设计具有组网灵活、低成本、功耗小、可靠性高等特点.
关键词： 数据采集； 数据传输； 手机平台； ZigBee； J2ME
       近年来，我国气象灾害频发，严重影响人民群众的生活，尤其在交通方面有着较大的影响。依靠人工观测来采集气象数据不仅时效性差，而且无法适应偏僻、恶劣的环境条件，不能将采集到的各区域数据实时上传给决策控制中心，因而有必要研制一种便携、低功耗、数据通信稳定的气象数据采集系统。
     随着传感器向着智能化、网络化方向的发展，无线网络技术在自动气象数据采集中得到了应用。利用ZigBee技术近距离、组网能力强、成本低及可靠性高的特点，使得气象站中传感器网络部署的有效时间得到延长，增强了网络的实用性，测量节点具有更长的生命周期。ZigBee技术自有的无线电标准，以接力的方式在多个测量节点之间相互协调实现通信，通信效率非常高，满足了交通气象参数采集传输的需要[1]。同时随着移动通信发展的宽带化、数据化、多应用化，手机作用的领域已经扩展到人们生活的很多方面。因此，将手机移动监测和ZigBee无线传输网络结合起来，并利用手机所具有的GPRS通信能力研制气象数据采集传输系统具有一定的意义。
1 系统设计与实现原理
     本设计利用手机、ZigBee无线传输网络、气象数据采集检测等设备开发出一个能实现气象数据采集、存储并实时上传数据到上位服务器端的数据采集系统。其中手机负责接收来自ZigBee网络的数据，并对数据做出相应的判断和处理；ZigBee无线传输网络负责手机和数据采集检测部分的通信；气象数据采集检测部分负责所在区域内气象参数的检测、分析及处理。整个系统工作原理如图1所示。
   
       系统的手机开发平台采用MTK架构套件，它集成了32位嵌入式ARM7处理器，支持GPRS、GSM消息传输，并具有128个引脚外部扩展接口，可以连接各种功能外设，还支持用J2ME Java来控制硬件。通过在此手机平台嵌入无线ZigBee射频模块，实现系统主控制器和各网络子节点的数据采集传输。
     数据采集系统的硬件结构图如图2所示。
   
       无线网络化传感器RFD(精简功能器件)模块采集数据信息，并通过ZigBee通信协议传输到FFD(全功能器件)模块；FFD模块将数据信息做简单处理、编码打包后通过串口将数据上传到手机平台；手机数据处理功能程序对气象数据进行进一步的补充描述，在手机上实现气象参数的显示、存储，并可通过手机的GPRS功能模块以文本形式将数据实时上传到服务器端。服务器端接收到现场数据进行进一步的处理后，提供决策支持，采取预防措施。
     所采集的气象数据包括温度、湿度、风速、降水、能见度、大气压力等。
2 系统硬件设计
     系统的硬件主要由基于CC2430的数据采集模块和手机平台两部分组成。手机平台要实现的硬件设计主要有：手机与CC2430的串口通信电路及GPIO电源控制设计；数据采集检测部分主要由CC2430芯片、传感器及外围部件构成。
2.1 数据采集模块设计
     数据采集模块使用CC2430配合气象传感器实现数据的采集、传输，硬件连接图如图3所示。
   
       CC2430节点模块主要由CC2430芯片和传感器构成。ZigBee是一种基于LR-WPAN的双向无线通信技术标准。可以工作在2.4 GHz的ISM频段，数据速率可达到250  kb/s。CC2430系统芯片就是以ZigBee技术为基础的2.4 GHz射频系统单芯片。以51单片机为核心，集成了收发通道，具有模数转换器、21个可用数字IO接口，可以与多种参数传感器进行直接连接。CC2430工作电流损耗为27 mA,适合本系统的工作低功耗要求。CC2430将气象传感器采集的数据经模数转换及数据处理后，将结果通过ZigBee无线传感器网络发送出去，以供手机接收使用。
     CC2430气象数据采集传输模块如图4所示。
   
   2.2 串口通信接口设计
     需要实现手机与CC2430模块的数据通信。将CC2430制作为符合标准的扩展板，手机通过串口2与CC2430扩展板连接。应用的基本框架如图5所示。在开发手机的UART的发送（UTXD）和接收脚（URXD），分别与CC2430的RXD、TXD引脚连接，构成两者之间的数据传输。
   
   3 平台界面软件设计与实现
     MTK手机平台可使用C语言、JAVA语言进行开发，其中使用JAVA语言开发的软件具有通用性强、方便移植、开发周期短等优点。本文平台界面设计采用Sun J2ME Wireless Toolkit(WTK)开发工具配合EclipseME开发组件来设计。将实现一个基于J2ME/MIDP的客户前端，利用GPRS建立数据传输网络的气象数据采集系统。
3.1 界面程序设计分析
     本设计的客户端程序整体上参照MVC模式设计，将界面、数据、控制分为不同的模块，实现的主要功能有参数设置、串口监视、GPRS数据上传和参数监测界面四大部分，它们分别基于J2ME不同包类库和支持JNI操作的包派生而成。
     (1)参数设置功能部分： 用来实现手机平台功能的设置管理，如设置GPRS参数、设置系统时间、背光显示、ZigBee芯片可用信道等，可将用户设置的信息使用MIDP中的RMS系统来保存在本地数据库中。这一功能部分基于LIST部件类扩展设计，其中的参数类型为EXCLUSIVE，即每次只能选择列表中的单个项目。
　 (2)串口监视部分： 当界面切换到气象数据采集界面时，通过任务接口定时读写串口，查看CC2430是否有数据上传，并将数据存入数据队列中，供显示界面调用。实现这部分功能需要实现程序线程Thread，Thread有两种方法来创建线程，一个是定义继承Thread类的子类，另一个是实现Runnable接口。本部分中主要使用实现Runnable接口这种方法。
　 (3) GPRS数据上传部分： 将CC2430上传来的数据以文本格式或其他形式发送到上一层的决策控制中心。SUNW公司对MMS和SMS提供了JSR205和JSR102支持。其中定义的框架包含无线消息的可用API，实现了无线通信的高级抽象，将传输层完全隐藏，方便了设计。
     (4)参数监测界面： 用来显示传感器采集到的气象参数数据，显示可以配以文本、图片等信息，需要显示的气象参数有温度、湿度、风速、能见度、降水量、雪深、大气压等。界面采用Canvas类编程设计。此界面还可根据要求添加报警等预警功能，如降水量达到某一预定值，则给予声音、文字等预警显示。
3.2 设计与实现
     J2ME的MIDP(Mobile Information Device Profile)包含的系统架构和Java类为小型、资源受限的移动信息设备(MID)创建了一个开放的应用程序环境。MIDP应用程序中的基本执行单元叫做 “MIDlet”，它必须继承自javax.microedition.midlet.MIDlet类并实现类中包含的三个抽象方法：startApp()，pauseApp()，destroyApp()。在J2ME手机软件开发中，程序必须至少包含一个MIDlet类，通常初始化用户界面的程序应该放在startApp()中执行 [2]。
3.2.1 网络连接部分设计
     J2ME的连接及网络API位于包javax.microedition.io中,这些API接口包含HttpConnection, SocketConection, InputConnection,OutputConnection,ServerSocketConnection等，它们是在通用连接框架上的扩展实现。Connection类是最基本的通用连接类型，只定义了close()一个方法用于关闭连接，而创建连接的操作使用Connector类的open()方法实现。
     本设计示例中使用的HTTP协议进行网络通信，HttpConn线程要完成如下工作。
     首先，在界面程序的初始化时，将HttpConn线程实例化，并设置线程处于休眠等待状态。考虑到连接上层需要花费一定的等待时间，可用窗体Form和标尺Guage设置一个等待连接界面，之后使用notify()唤醒线程，同时读取预先设置好的URL地址，连接上层服务器。如果连接超时或没有收到上层返回的HttpConnection.HTTP_OK响应，则向用户报告“连接超时”错误。若连接成功，则启动定时器读取数据，装载之后准备将数据上传。上传工作完毕后，线程再次进入休眠状态，直到下一次再用notify()唤醒HttpConn线程[3]。GPRS网络连接的流程如图6所示。
   
   3.2.2 参数监测显示部分设计
     这部分实现将采集的气象信息数据显示，处于此界面时，程序定时从数据队列中读取需要显示的部分，可使用Timer与TimerTask类来设计完成这部分功能。Timer类是一个定时器，可以设定成按指定的时间周期或时间来产生信号，TimerTask类代表一个可以被定时器进行时间控制的任务[4]。这样将这两个类产生关联，在产生信号的同时，连带执行TimerTask所定义的工作。本文设计示例中编写的MeterDispTask类同时继承了Canvas、TimerTask类，并在run()方法中实现从数据队列读取数据并调用数据显示功能。通过Timer的schedule()方法设定数据刷新的时间周期，并将它与MeterDispTask关联，一旦设定的时间到，则MeterDispTask中的run()方法就被执行，界面可以刷新显示气象数据信息。Canvas类为低级用户界面，需要实现paint()方法。
     数据采集系统的一些参数预设信息需要保留，因此可采用J2ME中提供的记录管理系统RMS(Record Management System)来处理数据参数的持久化问题。RMS为一个小型的数据库管理系统，使用类似表格的简单形式组织信息，并存储起来形成持久化存储，以供应用程序在以后重新启动后继续调用[5]。记录存储系统类在javax.microedition.rms包中，RecordStore类中包含相关应用的方法。界面应用程序在WTK下的仿真器中运行。经启动画面后进入主界面，可以选择相应功能菜单进入。
     本系统采用J2ME手机平台和CC2430无线通信模块，针对气象要素数据采集的需求，实现了数据采集通信系统的软硬件的设计。通过手机和ZigBee技术，可以灵活方便地实现对区域内气象参数的采集和传输。在数据采集过程中采用了无线传感器网络技术以及GPRS远程无线移动传输技术，避免了传统气象数据采集布线复杂问题。同时设计中选用的CC2430芯片具有性能高、功耗低的特点，简化了外围接口电路的设计。在测试中，数据可以稳定可靠的传输，能满足应用场合的使用要求。本系统不仅可以应用于气象数据观测中，通过增加使用不同的传感器，也能应用于环境、智能家居等领域。
参考文献
[1] 于宏毅,李鸥.无线传感器网络理论、技术与实现[M].北京：国防工业出版社，2008：2-3.
[2] 卢军，岳希，周辉. J2ME程序设计[M].北京：中国水利水电出版社, 2009:75-90.
[3] 吴考琴.JAVA手机在污染源数据采集中的应用研究.微计算机信息[J].2009，26(5):93-95.
[4] 牟伶俐,刘钢.基于JAVA手机的野外农田数据采集与传 输系统设计[J].农业工程学报，2006，22(11):165-169.
[5] 刘鹏辉.基于GSM和J2ME的无线多点温湿度监控系统的设计与实现[J].激光与红外，2009，39(12):1333-1336.