分布式無線氣象編碼監測方法、裝置及系統的製作方法
2023-04-27 12:18:56 2
分布式無線氣象編碼監測方法、裝置及系統的製作方法
【專利摘要】本發明提供一種分布式無線氣象編碼監測方法、裝置及系統，涉及氣象監測【技術領域】，能夠在惡劣氣象環境下有效傳輸氣象數據，提高了傳輸效率。本發明提供的分布式無線氣象編碼監測方法包括傳感器節點將採集到的氣象數據通過FPGA晶片進行RS編碼加密，並將密文的氣象數據通過無線方式傳輸至監測站計算機；監測站計算機接收密文的氣象數據，並將密文的氣象數據解碼後進行數據預處理和存儲，並通過乙太網發送到氣象數據中心。本發明實施例主要用於分布式氣象自動監測系統中。
【專利說明】分布式無線氣象編碼監測方法、裝置及系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及氣象監測【技術領域】，特別是指一種分布式無線氣象編碼監測方法、裝置及系統。
【背景技術】
[0002]目前，國內外採用的氣象監測系統按系統結構可以分為集中式和分布式。其中，集中式監測系統由一個控制中心負責對系統內部各種信息進行統一加工處理並進行任務的分配，由於所有控制任務都由控制中心完成，一旦控制中心出現故障，整個系統也將無法正常運轉。分布式監測系統將信息加工等任務分配給系統內部各個子單元協同控制及管理，一旦系統內部某個子單元發生故障，其他單元仍能夠繼續正常運作，從而改善系統的可靠性。
[0003]採用分布式結構的氣象採集系統按信息傳輸方式可以分為有線和無線兩種。其中，有線數據傳輸多以現場總線(例如CAN總線)技術實現各傳感器與數據採集器的連接，數據傳輸範圍可達10km。但遠距離的數據傳輸將導致布線成本的大幅增加，同時也加大數據傳輸延時，無法保證數據採集的同步性。無線數據傳輸則多以WSN (無線傳感器網絡)技術實現，降低了採用電纜傳輸數據帶來的較高經濟成本和數據延時。當網絡規模較小，數據量不大時，直接傳輸氣象數據即可滿足系統需求。但當網絡數據量較大時，由於當前技術限制，無線傳輸只具有較為有限的帶寬，且其傳輸效率(也即數據正確率)易受到當前所處氣象環境影響(尤其是在雷雨等高溼度天氣)，因此需要對數據進行特定的編碼處理以使其可以通過較低帶寬提供高效的數據傳輸。
[0004]由於採集的氣象信息數據信號經過傳輸時，會產生錯誤。信息數據在噪聲信道的可靠傳輸是數字信息和通信系統的基本要求。這裡的傳輸既可以理解為空間的傳輸，例如通過移動無線信道的傳輸，也可以理解為時間上的傳遞，如將信息存入適當存儲媒體。由於此要求，系統很大程度上依賴於有效的信道編解碼方法。可靠的數字通信系統必須將差錯率控制在允許的範圍內。提高信息傳輸的可靠性和有效性，是本發明所追求的目標。糾錯碼技術是提高信息傳輸可靠性的一種重要手段，而RS碼是一種循環碼，有嚴謹的代數結構，在碼率固定的情況下它具有較大的糾錯能力，可以提高數據傳輸的可靠性。
【發明內容】
[0005]本發明要解決的技術問題是提供一種分布式無線氣象編碼監測方法、裝置及系統，克服現有分布式無線氣象監測系統中數據在惡劣氣象環境下有效傳輸效率不高的問題。
[0006]為解決上述技術問題，本發明的實施例提供一種分布式無線氣象編碼監測方法，包括:
[0007]傳感器節點將採集到的氣象數據通過FPGA晶片進行RS編碼加密，並將密文的氣象數據通過無線方式傳輸至監測站計算機；[0008]監測站計算機接收密文的氣象數據，並將密文的氣象數據解碼後進行數據預處理和存儲，並通過乙太網發送到氣象數據中心。
[0009]所述傳感器節點將採集到的氣象數據通過FPGA晶片進行RS編碼加密，並將密文的氣象數據通過無線方式傳輸至監測站計算機包括:
[0010]將採集到的氣象信息轉換為氣象數據；
[0011 ] 將所述氣象數據送入FPGA晶片進行RS編碼加密；
[0012]將密文的氣象數據採用無線方式傳輸至監測站計算機。
[0013]所述將採集到氣象信息轉換為氣象數據包括:
[0014]採集需要監測的氣象信息；
[0015]將所述氣象信息轉換為氣象數據。
[0016]所述監測站計算機接收密文的氣象數據，並將密文的氣象數據解碼後進行數據預處理和存儲，並通過乙太網發送到氣象數據中心包括:
[0017]接收密文的氣象數據；
[0018]將密文的氣象數據進行解碼；
[0019]將解碼後的氣象數據進行預處理和存儲；
[0020]將預處理後的氣象數據通過乙太網發送到氣象數據中心。
[0021]一種分布式無線氣象編碼監測裝置，包括:傳感器節點和監測站計算機，
[0022]所述傳感器節點用於將採集到的氣象數據通過FPGA晶片進行RS編碼加密，並將密文的氣象數據通過無線方式傳輸至監測站計算機；
[0023]所述監測站計算機用於接收所述傳感器節點發送密文的氣象數據，並將密文的氣象數據解碼後進行數據預處理和存儲，並通過乙太網發送到氣象數據中心。
[0024]所述傳感器節點包括:
[0025]採集單元，用於將採集到的氣象信息轉換為氣象數據；
[0026]FPGA單元，用於將所述氣象數據送入FPGA晶片進行RS編碼加密；
[0027]無線發送單元，用於將密文的氣象數據採用無線方式傳輸至監測站計算機。
[0028]所述採集單元包括:
[0029]氣象傳感器模塊，用於採集需要監測的氣象信息；
[0030]信號調理模塊，用於對氣象傳感器信號進行降噪濾波。
[0031 ] 所述監測站計算機包括:
[0032]無線接收單元，用於接收密文的氣象數據；
[0033]RS解碼單元，用於將密文的氣象數據進行解碼；
[0034]數據處理及存儲單元，用於將解碼後的氣象數據進行預處理和存儲；
[0035]乙太網通信單元，用於將預處理後的氣象數據通過乙太網發送到氣象數據中心。
[0036]一種分布式無線氣象編碼監測系統，包括:氣象數據中心以及數個分布式氣象監測站，其中，所述分布式氣象監測站包括:多個分布式傳感器節點和監測站計算機，
[0037]所述傳感器節點用於將採集到的氣象數據通過FPGA晶片進行RS編碼加密，並將密文的氣象數據通過無線方式傳輸至監測站計算機；
[0038]所述監測站計算機用於接收所述傳感器節點發送的密文的氣象數據，並將密文的氣象數據解碼後進行數據預處理和存儲，並通過乙太網發送到所述氣象數據中心。[0039]本發明的上述技術方案的有益效果如下:
[0040]上述方案中，將RS編碼方式應用到無線氣象數據傳輸，可以在惡劣氣象環境下降低無線傳輸氣象數據的傳輸誤碼情況，從而提高數據有效性，以此實現通過較低帶寬提供高效的氣象數據傳輸；並且，進一步地，使用FPGA晶片對RS編碼進行門級電路實現，相比單片機等片上系統(SOC)技術可以更加快速的實現編碼，從而減少了氣象數據從採集經過傳輸到達接收端的延時。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0041]圖1為本發明實施例中分布式無線氣象編碼監測方法的流程圖；
[0042]圖2為本發明實施例中分布式無線氣象編碼監測裝置的結構示意圖；
[0043]圖3為本發明又一實施例中分布式無線氣象編碼監測裝置的結構示意圖；
[0044]圖4為本發明實施例中的編碼電路示意圖；
[0045]圖5為本發明實施例中的硬解碼BM算法的結構示意圖；
[0046]圖6為本發明實施例中分布式無線氣象編碼監測系統的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0047]為使本發明要解決的技術問題、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖及具體實施例進行詳細描述。
[0048]本發明針對現有的分布式無線氣象編碼監測系統在進行無線傳輸過程中由於惡劣氣象因素導致的誤碼率高的問題，提供一種分布式無線氣象編碼監測方法、裝置及系統。
[0049]如圖1所示，本發明的實施例分布式無線氣象編碼監測方法包括:
[0050]步驟101、傳感器節點將採集到的氣象數據通過FPGA晶片進行RS編碼加密，並將密文的氣象數據通過無線方式傳輸至監測站計算機；
[0051]步驟102、監測站計算機接收密文的氣象數據，並將密文的氣象數據解碼後進行數據預處理和存儲，並通過乙太網發送到氣象數據中心。
[0052]本發明實施例提供的技術方案，將RS編碼方式應用到無線氣象數據傳輸，可以在惡劣氣象環境下降低無線傳輸氣象數據的傳輸誤碼情況，從而提高數據有效性，以此實現通過較低帶寬提供高效的氣象數據傳輸；並且，進一步地，使用FPGA晶片對RS編碼進行門級電路實現，相比單片機等片上系統(SOC)技術可以更加快速的實現編碼，從而減少了氣象數據從採集經過傳輸到達接收端的延時。
[0053]如圖2所示，本發明的實施例還提供一種應用上述分布式無線氣象編碼監測方法的裝置，該裝置包括:傳感器節點11和監測站計算機12，
[0054]所述傳感器節點11用於將採集到的氣象數據通過FPGA晶片進行RS編碼加密，並將密文的氣象數據通過無線方式傳輸至監測站計算機12 ；
[0055]所述監測站計算機12用於接收所述傳感器節點11發送密文的氣象數據，並將密文的氣象數據解碼後進行數據預處理和存儲，並通過乙太網發送到氣象數據中心。
[0056]具體地，如圖3所示，所述傳感器節點11包括:
[0057]採集單元111，用於將採集到的氣象信息轉換為氣象數據；
[0058]FPGA單元112，用於將所述氣象數據送入FPGA晶片進行RS編碼加密；[0059]無線發送單元113，用於將密文的氣象數據採用無線方式傳輸至監測站計算機。
[0060]進一步地,所述採集單元111包括:
[0061]氣象傳感器模塊1111，用於採集需要監測的氣象信息；
[0062]信號調理模塊1112，用於對氣象傳感器信號進行降噪和濾波等操作。
[0063]具體地，所述監測站計算機12包括:
[0064]無線接收單元121，用於接收密文的氣象數據；
[0065]RS解碼單元122，用於將密文的氣象數據進行解碼；
[0066]數據處理及存儲單元123，用於將解碼後的氣象數據進行預處理和存儲；
[0067]乙太網通信單元124，用於將預處理後的氣象數據通過乙太網發送到氣象數據中心。
[0068]在圖3所示的實施例中，無線傳感器節點11通過控制模塊控制整個節點的數據採集過程，傳感器節點11採集需要監測的氣象信息，如溫度、溼度、風速、風向、降雨量、大氣壓等並將對應的電壓、電流等模擬信號和串行、並行的數位訊號轉化成相對應的氣象數據，經過RS編碼後通過無線方式(wif1、Zigbee等)發送給監測站計算機。其中，使用FPGA晶片對RS編碼進行門級電路實現，相比單片機等片上系統(S0C)技術可以更加快速的實現編碼，以減少氣象數據從採集經過傳輸到達接收端的延時。同時，FPGA單元112也負責節點上信號的採集、轉換以及控制等操作。具體地，本發明實施例通過以下步驟完成氣象數據的採集和無線傳輸。
[0069]步驟1011、將採集到的氣象信息轉換為氣象數據；
[0070]傳感器節點11經過上電初始化過程後，採集單元111的氣象傳感器模塊1111採集需要監測的氣象信息；經信號調理模塊1112調理過的數字或模擬信號，再經過採集轉換模塊轉換成對應的溫度、溼度、風速、風向、降雨量、大氣壓等氣象數據。
[0071]步驟1012、將所述氣象數據送入FPGA晶片進行RS編碼加密；
[0072]再將這些氣象數據送入FPGA單元112內部的RS編碼模塊進行編碼。
[0073]具體地，圖4所示編碼電路圖中，有一個單元是重複的，即一個乘法器，一個加法器和一個移位寄存器。本電路的工作原理:2t級移存器的初始狀態全清為零，開關先轉向2，然後進行移位，送入信息符號多項式u(X)的係數，高次為係數首先進入電路，它一方面直接經或門輸出，另一方面自動乘以xn-k次後進入除法電路，從而完成了 U(X)xn-k的作用。
[0074]k次移位後，U(X)全部送入電路，完成了除法作用，此時移存器內保留了餘式校驗位的係數，在二進位的情況下就是校驗元，此時把開關打向1，經過n-k次移位後，就把移存器的校驗元全部輸出，與原先的k為信息符號元組成了一個η位長的碼字。此編碼方法為系統編碼，可以方便的看出碼的構造。
[0075]步驟1013、將密文的氣象數據採用無線方式傳輸至監測站計算機。
[0076]經過編碼的氣象數據再通過無線發送單元113發送出去，此時該氣象數據為密文數據。
[0077]步驟1014、接收密文的氣象數據；
[0078]氣象監測站中心計算機通過無線接收單元121接收到由傳感器節點11發送的經過編碼的氣象數據[0079]步驟1015、將密文的氣象數據進行解碼；
[0080]在氣象監測站中心計算機通過無線接收單元121接收到由傳感器節點11發送的經過編碼的氣象數據後，將數據送入RS解碼單元122進行解碼。
[0081]在圖5所示的硬解碼BM算法的結構圖中，可以看出，硬解碼算法分為以下幾步:
[0082]由接收到的r (X)求得伴隨多項式S(X)；
[0083]由S(X)的關鍵方程求得差錯值多項式λ (χ)和差錯位置多項式ω (χ)；
[0084]用錢氏搜索解出λ (X)，得到差錯位置數，確定差錯位置。
[0085]用Forney算法根據求得的差錯位置多項式和差錯值多項式得到差錯位置的值從而得到錯誤多項式e(x);
[0086]由r (χ)-e (χ)完成糾錯。
[0087]步驟1016、將解碼後的氣象數據進行預處理和存儲；
[0088]數據處理及存儲單元123對解碼後的氣象數據進行數據預處理和存儲。在此步驟中，各個分布式氣象站的數據也可以經由計算機上運行的軟體進行預處理並存儲在本地磁碟中。
[0089]步驟1017、將預處理後的氣象數據通過乙太網發送到氣象數據中心。
[0090]預處理後的氣象數據通過乙太網轉發給氣象數據中心，由氣象數據中心對氣象數據進行匯總和發布。
[0091]本發明實施例提供的技術方案，利用分布式氣象站上的乙太網口模塊來進行和氣象數據中心的通信，為了確保信息的安全，在採集器外增加了一個FPGA單元，用來給傳輸的氣象數據進行加密，以保證傳輸過程中的數據安全，可以在惡劣氣象環境下降低無線傳輸氣象數據的傳輸誤碼情況，從而提高數據有效性，以此實現通過較低帶寬提供高效的氣象數據傳輸；並且，將RS編解碼也加入在FPGA單元中相比單片機等片上系統(SOC)技術可以更加快速的實現編碼，從而減少了氣象數據從採集經過傳輸到達接收端的延時。
[0092]如圖6所示，本發明實施例還提供了一種分布式無線氣象編碼監測系統，包括:氣象數據中心2以及數個分布式氣象監測站1，其中，所述分布式氣象監測站I包括:分布式氣象傳感器節點和監測站計算機，具體地，所述傳感器節點用於將採集到的氣象數據通過FPGA晶片進行RS編碼加密，並將密文的氣象數據通過無線方式傳輸至監測站計算機；所述監測站計算機用於接收所述傳感器節點發送的密文的氣象數據，並將密文的氣象數據解碼後進行數據預處理和存儲，並通過乙太網發送到所述氣象數據中心2。
[0093]需要說明的是，如圖6所示，分布式氣象監測站I將氣象信息發送到氣象數據中心2，氣象數據中心2也將相關的控制信息發送到分布式氣象監測站I。
[0094]本發明實施例提供的技術方案，將RS編碼方式應用到無線氣象數據傳輸，可以在惡劣氣象環境下降低無線傳輸氣象數據的傳輸誤碼情況，從而提高數據有效性，以此實現通過較低帶寬提供高效的氣象數據傳輸；並且，進一步地，使用FPGA晶片對RS編碼進行門級電路實現，相比單片機等片上系統(SOC)技術可以更加快速的實現編碼，從而減少了氣象數據從採集經過傳輸到達接收端的延時。
[0095]以上所述是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本【技術領域】的普通技術人員來說，在不脫離本發明所述原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。
【權利要求】
1.一種分布式無線氣象編碼監測方法，其特徵在於，包括: 傳感器節點將採集到的氣象數據通過FPGA晶片進行RS編碼加密，並將密文的氣象數據通過無線方式傳輸至監測站計算機； 監測站計算機接收密文的氣象數據，並將密文的氣象數據解碼後進行數據預處理和存儲，並通過乙太網發送到氣象數據中心。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述傳感器節點將採集到的氣象數據通過FPGA晶片進行RS編碼加密，並將密文的氣象數據通過無線方式傳輸至監測站計算機包括: 將採集到的氣象信息轉換為氣象數據； 將所述氣象數據送入FPGA晶片進行RS編碼加密； 將密文的氣象數據採用無線方式傳輸至監測站計算機。
3.根據權利要求2所述的方法，其特徵在於，所述將採集到氣象信息轉換為氣象數據包括: 採集需要監測的氣象信息； 將所述氣象信息轉換為氣象數據。
4.根據權利要求1所述 的方法，其特徵在於，所述監測站計算機接收密文的氣象數據，並將密文的氣象數據解碼後進行數據預處理和存儲，並通過乙太網發送到氣象數據中心包括: 接收密文的氣象數據； 將密文的氣象數據進行解碼； 將解碼後的氣象數據進行預處理和存儲； 將預處理後的氣象數據通過乙太網發送到氣象數據中心。
5.一種分布式無線氣象編碼監測裝置，其特徵在於，包括:傳感器節點和監測站計算機， 所述傳感器節點用於將採集到的氣象數據通過FPGA晶片進行RS編碼加密，並將密文的氣象數據通過無線方式傳輸至監測站計算機； 所述監測站計算機用於接收所述傳感器節點發送密文的氣象數據，並將密文的氣象數據解碼後進行數據預處理和存儲，並通過乙太網發送到氣象數據中心。
6.根據權利要求5所述的裝置，其特徵在於，所述傳感器節點包括: 採集單元，用於將採集到的氣象信息轉換為氣象數據； FPGA單元，用於將所述氣象數據送入FPGA晶片進行RS編碼加密； 無線發送單元，用於將密文的氣象數據採用無線方式傳輸至監測站計算機。
7.根據權利要求6所述的方法，其特徵在於，所述採集單元包括: 氣象傳感器模塊，用於採集需要監測的氣象信息； 信號調理模塊，用於對氣象傳感器信號進行降噪濾波。
8.根據權利要求5所述的裝置，其特徵在於，所述監測站計算機包括: 無線接收單元，用於接收密文的氣象數據； RS解碼單元，用於將密文的氣象數據進行解碼； 數據處理及存儲單元，用於將解碼後的氣象數據進行預處理和存儲；乙太網通信單元，用於將預處理後的氣象數據通過乙太網發送到氣象數據中心。
9.一種分布式無線氣象編碼監測系統，其特徵在於，包括:氣象數據中心以及數個分布式氣象監測站，其中，所述分布式氣象監測站包括:多個分布式傳感器節點和監測站計算機， 所述傳感器節點用於將採集到的氣象數據通過FPGA晶片進行RS編碼加密，並將密文的氣象數據通過無線方式傳輸至監測站計算機； 所述監測站計算機用於接收所述傳感器節點發送的密文的氣象數據，並將密文的氣象數據解碼後進行數據預處理和 存儲，並通過乙太網發送到所述氣象數據中心。
【文檔編號】G08C17/02GK103532673SQ201310498870
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年10月22日 優先權日:2013年10月22日
【發明者】劉濤, 胡廣大, 李歡, 張鵬程 申請人:北京科技大學