CN104865615A - 基于rs编码的分布式无线气象监测方法、监测站及*** - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于RS编码的分布式无线气象监测方法、监测站及***，属于气象监测技术领域，用于解决现有的分布式无线气象监测***中数据在恶劣气象环境下有效传输效率不高、可靠性低的问题。本发明提供的气象监测方法包括：首先通过传感器节点采集需要监测的气象信息并将其进行处理及RS编码加密得到密文的气象数据，并将所述密文的气象数据传输至监测站计算机；随后监测站计算机接收密文的气象数据，并将密文的气象数据解码后进行数据预处理和存储，并通过以太网发送到气象数据中心。上述方案中，将RS编码方式应用到无线气象数据传输，数据传输效率高、可靠性高。

Description

基于RS编码的分布式无线气象监测方法、监测站及***

技术领域

本发明涉及气象监测技术领域，特别是指一种基于RS编码的分布式无线气象监测方法、监测站及***。

背景技术

目前，国内外采用的气象监测***按***结构可以分为集中式和分布式。其中，集中式监测***由一个控制中心负责对***内部各种信息进行统一加工处理并进行任务的分配，由于所有控制任务都由控制中心完成，一旦控制中心出现故障，整个***也将无法正常运转。分布式监测***将信息加工等任务分配给***内部各个子单元协同控制及管理，一旦***内部某个子单元发生故障，其他单元仍能够继续正常运作，从而改善***的可靠性。

采用分布式结构的气象采集***按信息传输方式可以分为有线和无线两种。其中，有线数据传输多以现场总线(例如CAN总线)技术实现各传感器与数据采集器的连接，数据传输范围可达10km。但远距离的数据传输将导致布线成本的大幅增加，同时也加大数据传输延时，无法保证数据采集的同步性。无线数据传输多以WSN(无线传感器网络)技术实现，降低了采用电缆传输数据带来的较高经济成本和数据延时。当网络规模较小，数据量不大时，一般使用无线数据传输方式，直接传输气象数据即可满足***需求。但是，当网络数据量较大时，由于当前技术限制，无线传输只具有较为有限的带宽，且其传输效率(也即数据正确率)易受到当前所处气象环境影响(尤其是在雷雨等高湿度天气)，有效传输效率不高、数据传输的可靠性低。

发明内容

为了解决现有的分布式无线气象监测***中数据在恶劣气象环境下有效传输效率不高、可靠性低的问题，本发明提供一种基于RS编码的分布式无线 气象监测方法、监测站及***，本发明提供的分布式无线气象监测方案将RS编码方式应用到无线气象数据传输，数据传输效率高、可靠性高。

本发明提供的一种基于RS编码的分布式无线气象监测方法，包括步骤：

通过传感器节点采集需要监测的气象信息并将其进行处理及RS编码加密得到密文的气象数据，并将所述密文的气象数据传输至监测站计算机；

监测站计算机接收密文的气象数据，并将密文的气象数据解码后进行数据预处理和存储，并通过以太网发送到气象数据中心。

其中，所述通过传感器节点采集气象信息并将其进行处理及RS编码加密得到密文的气象数据，并将所述密文的气象数据传输至监测站计算机的步骤包括：

传感器节点采集需要监测的气象信息；

将采集到的气象信息转换为气象数据；

将所述气象数据进行RS编码加密得到密文的气象数据；

将所述密文的气象数据采用无线方式传输至监测站计算机。

其中，所述将所述气象数据进行RS编码加密通过FPGA芯片实现。

其中，所述监测站计算机接收密文的气象数据，并将密文的气象数据解码后进行数据预处理和存储，并通过以太网发送到气象数据中心的步骤包括：

监测站计算机接收所述密文的气象数据；

将所述密文的气象数据进行BM译码得到解码后的气象数据；

将解码后的气象数据进行预处理和存储；

将预处理后的气象数据通过以太网发送到气象数据中心。

本发明还提供一种基于RS编码的分布式无线气象监测站，包括监测站计算机和若干个传感器节点，每个传感器节点和所述监测站计算机通过无线连接；所述传感器节点采集需要监测的气象信息并将其进行处理及RS编码加密得到密文的气象数据，并将所述密文的气象数据传输至所述监测站计算机；所述监测站计算机接收密文的气象数据，并将密文的气象数据解码后进行数据预处理和存储，并通过以太网发送给指定对象。

其中，所述传感器节点包括：

采集单元，用于采集需要监测的气象信息并输出；

FPGA单元，通过FPGA芯片将所述采集单元采集到的气象信息转换为气象数据，并对所述气象数据进行RS编码加密，得到密文的气象数据并输出；

无线发送单元，与所述监测站计算机无线连接，用于将所述FPGA单元输出的密文的气象数据通过无线方式传输至所述监测站计算机。

其中，所述采集单元包括：

气象传感器模块，用于采集需要监测的气象信息并输出；

信号调理模块，用于对所述气象传感器模块输出的气象信息进行降噪滤波。

其中，所述FPGA单元包括控制模块、采集转换模块和RS编码模块；所述控制模块分别和采集转换模块、RS编码模块连接，所述采集转换模块还分别与所述采集单元、RS编码模块连接；所述RS编码模块还和无线发送单元连接；所述控制模块通过所述采集转换模块控制所述采集单元采集需要监测的气象信息，所述采集转换模块用于将所述采集单元输出的气象信息转换为气象数据并输出给所述RS编码模块，所述控制模块还用于控制所述RS编码模块对所述气象数据进行RS编码加密，得到密文的气象数据并输出。

其中，所述监测站计算机包括：

无线接收单元，用于接收传感器节点发来的密文的气象数据；

RS解码单元，用于将所述无线接收单元接收的密文的气象数据进行BM译码得到解码后的气象数据并输出；

数据处理及存储单元，用于将所述RS解码单元输出的解码后的气象数据进行预处理和存储后输出；

以太网通信单元，用于将所述数据处理及存储单元预处理后的气象数据通过以太网发送给指定对象。

本发明还提供一种基于RS编码的分布式无线气象监测***，包括气象数据中心以及若干个与所述气象数据中心无线连接的分布式无线气象监测站，所述分布式无线气象监测站为上述任一种基于RS编码的分布式无线气象监测站。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

上述方案中，将RS编码方式应用到无线气象数据传输，可以在恶劣气象 环境下降低无线传输气象数据的传输误码情况，从而提高数据有效性，以此实现通过较低带宽提供高效的气象数据传输；并且，进一步地，使用FPGA芯片对RS编码进行门级电路实现，相比单片机等片上***(SOC)技术可以更加快速的实现编码，从而减少了气象数据从采集经过传输到达接收端的延时。

附图说明

图1为本发明提供的一种基于RS编码的分布式无线气象监测方法流程图；

图2为本发明实施例还提供一种基于RS编码的分布式无线气象监测站结构示意图；

图3为为本发明实施例提供的基于RS编码的分布式无线气象监测站的优选实时结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种基于RS编码的分布式无线气象监测***结构示意图。

[主要附图标记说明]

1、    分布式无线气象监测站；

2、    气象数据中心；

11、   传感器节点； 

12、   监测站计算机；

111、  采集单元； 

112、  FPGA单元；

113、  无线发送单元；

121、  无线接收单元；

122、  RS解码单元； 

123、  数据处理及存储单元；

124、  以太网通信单元；

1111、 气象传感器模块；

1112、 信号调理模块；

1121、 控制模块；

1122、 采集转换模块；

1123、 RS编码模块。

具体实施方式

在分布式无线气象监测中，由于采集的气象信息数据信号经过传输(这里的传输既可以理解为空间的传输，例如通过移动无线信道的传输，也可以理解为时间上的传递，如将信息存入适当存储媒体时)会产生错误，可见信息数据在噪声信道的可靠传输是数字信息和通信***的基本要求。由于此要求，分布式无线气象监测***很大程度上依赖于有效的信道编译码方法。可靠的数字通信***必须将差错率控制在允许的范围内。提高气象信息传输的可靠性和有效性，是本发明所追求的目标。而纠错码技术是提高信息传输可靠性的一种重要手段，由于RS码是一种循环码，有严谨的代数结构，在码率固定的情况下它具有较大的纠错能力，可以提高数据传输的可靠性。因此本发明将RS编码技术用于分布式无线气象监测中来提高监测的气象数据传输的可靠性和有效性。

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

图1为本发明提供的一种基于RS编码的分布式无线气象监测方法流程图，如图1中所示，该方法包括以下步骤：

S1：通过传感器节点采集需要监测的气象信息并将其进行处理及RS编码加密得到密文的气象数据，并将密文的气象数据传输至监测站计算机；

S2：监测站计算机接收密文的气象数据，并将密文的气象数据解码后进行数据预处理和存储，并通过以太网发送到气象数据中心。

本发明实施例通过以下步骤完成气象数据的采集和无线传输，即上述步骤S1具体包括以下步骤：

S11：传感器节点采集需要监测的气象信息；

S12：将采集到的气象信息转换为气象数据；

S13：将气象数据进行RS编码加密得到密文的气象数据；

S14：将密文的气象数据采用无线方式传输至监测站计算机。

优选地，步骤S13中将气象数据进行RS编码加密的过程通过FPGA芯片 实现。

优选地，步骤S2的具体实施方法为：

S21：监测站计算机接收密文的气象数据；

S22：将密文的气象数据进行BM译码得到解码后的气象数据；

S23：将解码后的气象数据进行预处理和存储；

S24：将预处理后的气象数据通过以太网发送到气象数据中心。

本发明实施例提供的分布式无线气象监测方法将RS编码方式应用到无线气象数据传输，可以在恶劣气象环境下降低无线传输气象数据的传输误码情况，从而提高数据有效性，以此实现通过较低带宽提供高效的气象数据传输；并且，进一步地，使用FPGA芯片对RS编码进行门级电路实现，相比单片机等片上***(SOC)技术可以更加快速的实现编码，从而减少了气象数据从采集经过传输到达接收端的延时。

本发明实施例还提供一种基于RS编码的分布式无线气象监测站，如图2所示，该分布式无线气象监测站包括：监测站计算机12和若干个传感器节点11，每个传感器节点11和监测站计算机12通过无线连接；传感器节点11采集需要监测的气象信息并将其进行处理及RS编码加密得到密文的气象数据，并将密文的气象数据传输至监测站计算机12；监测站计算机12接收密文的气象数据，并将密文的气象数据解码后进行数据预处理和存储，并通过以太网发送给指定对象，实际应用中，监测站计算机12将预处理过后的气象数据发送给气象监测***的气象数据中心。

图3所示为本发明实施例提供的基于RS编码的分布式无线气象监测站的优选实时结构示意图，如图3中所示，传感器节点11包括：采集单元111，用于采集需要监测的气象信息并输出；FPGA单元112，通过FPGA芯片将采集单元111采集到的气象信息转换为气象数据，并对气象数据进行RS编码加密，得到密文的气象数据并输出；无线发送单元113，与监测站计算机12无线连接，用于将FPGA单元112输出的密文的气象数据通过无线方式传输至监测站计算机12。

优选地，如图3中所示，采集单元111可进一步包括：气象传感器模块1111，用于采集需要监测的气象信息并输出；信号调理模块1112，用于对气象 传感器模块1111输出的气象信息进行降噪滤波后提供给FPGA单元112。

优选地，如图3中所示，FPGA单元112包括控制模块1121、采集转换模块1122和RS编码模块1123；控制模块1121分别和采集转换模块1122、RS编码模块1123连接，采集转换模块1123还分别与采集单元111、RS编码模块连接1123；RS编码模块1123还和无线发送单元113连接；控制模块1121通过采集转换模块1122控制采集单元111采集需要监测的气象信息，采集转换模块1122用于将采集单元111输出的气象信息转换为气象数据并输出给RS编码模块1123，控制模块1121还用于控制RS编码模块1123对气象数据进行RS编码加密，得到密文的气象数据并输出。即：传感器节点11经过上电初始化过程后，采集单元111的气象传感器模块1111采集需要监测的气象信息；经信号调理模块1112调理过的数字或模拟信号，再经过采集转换模块1122转换成对应的温度、湿度、风速、风向、降雨量、大气压等气象数据，再将所述气象数据送入RS编码模块1123进行RS编码加密。

本发明实施例提供的基于RS编码的分布式无线气象监测站中，无线传感器节点11通过控制模块1121控制整个节点的数据采集过程，传感器节点11采集需要监测的气象信息，如温度、湿度、风速、风向、降雨量、大气压等并将对应的电压、电流等模拟信号和串行、并行的数字信号转化成相对应的气象数据，经过RS编码后通过无线方式(wifi、Zigbee等)发送给监测站计算机12。其中，使用FPGA芯片对RS编码进行门级电路实现，相比单片机等片上***(SOC)技术可以更加快速的实现编码，以减少气象数据从采集经过传输到达接收端的延时。同时，FPGA单元112也负责节点上信号的采集、转换以及控制等操作。

优选地，如图3中所示，监测站计算机12可具体包括：无线接收单元121、RS解码单元122、数据处理及存储单元123和以太网通信单元124。

其中，无线接收单元121用于接收传感器节点11发来的密文的气象数据。

RS解码单元122用于将无线接收单元121接收的密文的气象数据进行BM译码得到解码后的气象数据并输出；即：在监测站计算机12通过无线接收单元121接收到由传感器节点11发送的经过编码的气象数据后，将数据送入RS解码单元122进行解码。

数据处理及存储单元123用于将RS解码单元122输出的解码后的气象数据进行预处理和存储后输出；此处的数据处理及存储单元123为硬件模块，显然，各个分布式无线气象监测站的数据也可以经由监测站计算机12上运行的软件进行预处理并存储在本地磁盘中。

以太网通信单元124用于将数据处理及存储单元123预处理后的气象数据通过以太网发送给指定对象，如发送给气象数据中心。

其中，RS解码单元122采用BM硬译码方法进行RS解码，BM硬译码方法包括以下几步：

步骤1：由接收到的r(x)求得伴随多项式S(x)；

步骤2：由S(x)的关键方程求得差错值多项式λ(x)和差错位置多项式ω(x)；

步骤3：用钱氏搜索解出λ(x)，得到差错位置数，确定差错位置。

步骤4：用Forney算法根据求得的差错位置多项式和差错值多项式得到差错位置的值从而得到错误多项式e(x)；

步骤5：由r(x)-e(x)完成纠错。

由于对于采用RS编码数据的BM译码方法已是现有技术，此处不再赘述。

图4所示为本发明实施例提供一种基于RS编码的分布式无线气象监测***结构示意图，该气象监测***包括气象数据中心2以及若干个与气象数据中心2无线连接的分布式无线气象监测站1，其中，所述分布式无线气象监测站为本发明实施例提供的任一种基于RS编码的分布式无线气象监测站，即：所述分布式无线气象监测站1包括：分布式气象传感器节点11和监测站计算机12，具体地，传感器节点11用于采集需要监测的气象信息并将采集到的气象信息通过FPGA芯片进行RS编码加密，并将密文的气象数据通过无线方式传输至监测站计算机12；所述监测站计算机12用于接收传感器节点11发送的密文的气象数据，并将密文的气象数据解码后进行数据预处理和存储，并通过以太网发送到气象数据中心2。

需要说明的是，图4所示的分布式无线气象监测站1将气象信息发送到气象数据中心2，气象数据中心2也将相关的控制信息发送到分布式气象监测站1以实行对分布式气象监测站1的控制。

本发明实施例提供的技术方案中，将RS编码方式应用到无线气象数据传 输，可以在恶劣气象环境下降低无线传输气象数据的传输误码情况，从而提高数据有效性，以此实现通过较低带宽提供高效的气象数据传输；并且，进一步地，使用FPGA芯片对RS编码进行门级电路实现，相比单片机等片上***(SOC)技术可以更加快速的实现编码，从而减少了气象数据从采集经过传输到达接收端的延时。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于RS编码的分布式无线气象监测方法，其特征在于，包括步骤：

通过传感器节点采集需要监测的气象信息并将其进行处理及RS编码加密得到密文的气象数据，并将所述密文的气象数据传输至监测站计算机；

监测站计算机接收密文的气象数据，并将密文的气象数据解码后进行数据预处理和存储，并通过以太网发送到气象数据中心。

2.如权利要求1所述的基于RS编码的分布式无线气象监测方法，其特征在于，所述通过传感器节点采集气象信息并将其进行处理及RS编码加密得到密文的气象数据，并将所述密文的气象数据传输至监测站计算机的步骤包括：

传感器节点采集需要监测的气象信息；

将采集到的气象信息转换为气象数据；

将所述气象数据进行RS编码加密得到密文的气象数据；

将所述密文的气象数据采用无线方式传输至监测站计算机。

3.如权利要求2所述的基于RS编码的分布式无线气象监测方法，其特征在于，所述将所述气象数据进行RS编码加密通过FPGA芯片实现。

4.如权利要求1所述的基于RS编码的分布式无线气象监测方法，其特征在于，所述监测站计算机接收密文的气象数据，并将密文的气象数据解码后进行数据预处理和存储，并通过以太网发送到气象数据中心的步骤包括：

监测站计算机接收所述密文的气象数据；

将所述密文的气象数据进行BM译码得到解码后的气象数据；

将解码后的气象数据进行预处理和存储；

将预处理后的气象数据通过以太网发送到气象数据中心。

5.一种基于RS编码的分布式无线气象监测站，其特征在于，包括监测站计算机和若干个传感器节点，每个传感器节点和所述监测站计算机通过无线连接；

所述传感器节点采集需要监测的气象信息并将其进行处理及RS编码加密得到密文的气象数据，并将所述密文的气象数据传输至所述监测站计算机；

所述监测站计算机接收密文的气象数据，并将密文的气象数据解码后进行数据预处理和存储，并通过以太网发送给指定对象。

6.如权利要求5所述的基于RS编码的分布式无线气象监测站，其特征在于，所述传感器节点包括：

采集单元，用于采集需要监测的气象信息并输出；

FPGA单元，通过FPGA芯片将所述采集单元采集到的气象信息转换为气象数据，并对所述气象数据进行RS编码加密，得到密文的气象数据并输出；

无线发送单元，与所述监测站计算机无线连接，用于将所述FPGA单元输出的密文的气象数据通过无线方式传输至所述监测站计算机。

7.如权利要求6所述的基于RS编码的分布式无线气象监测站，其特征在于，所述采集单元包括：

气象传感器模块，用于采集需要监测的气象信息并输出；

信号调理模块，用于对所述气象传感器模块输出的气象信息进行降噪滤波。

8.如权利要求7所述的基于RS编码的分布式无线气象监测站，其特征在于，所述FPGA单元包括控制模块、采集转换模块和RS编码模块；所述控制模块分别和采集转换模块、RS编码模块连接，所述采集转换模块还分别与所述采集单元、RS编码模块连接；所述RS编码模块还和无线发送单元连接；

所述控制模块通过所述采集转换模块控制所述采集单元采集需要监测的气象信息，所述采集转换模块用于将所述采集单元输出的气象信息转换为气象数据并输出给所述RS编码模块，所述控制模块还用于控制所述RS编码模块对所述气象数据进行RS编码加密，得到密文的气象数据并输出。

9.如权利要求6所述的基于RS编码的分布式无线气象监测站，其特征在于，所述监测站计算机包括：

无线接收单元，用于接收传感器节点发来的密文的气象数据；

RS解码单元，用于将所述无线接收单元接收的密文的气象数据进行BM译码得到解码后的气象数据并输出；

数据处理及存储单元，用于将所述RS解码单元输出的解码后的气象数据进行预处理和存储后输出；

以太网通信单元，用于将所述数据处理及存储单元预处理后的气象数据通过以太网发送给指定对象。

10.一种基于RS编码的分布式无线气象监测***，包括气象数据中心以及若干个与所述气象数据中心无线连接的分布式无线气象监测站，其特征在于，所述分布式无线气象监测站为权利要求5至9任一项所述的基于RS编码的分布式无线气象监测站。