本申请涉及物联网技术领域，尤其涉及一种分布式的气象数据采集系统。
背景技术：
气象是发生在天空中的风、雨、雷、电等一切大气的物理现象的统称，与生活的关系日益密切，人们也越来越关注天气的变化。伴随着生活质量的提高，人们对小气象、微气候的关注和获取气象信息的需求与日俱增，并根据天气状况来安排工作和生活。
现有技术中的气象数据采集系统，由于气象数据采集节点的供电通常是由电池供电的，电池存储的电量影响了气象数据采集节点的使用寿命。为了克服电池存储电量少的缺陷，部分气象数据采集系统采用交流电源对气象数据采集节点的工作模块供电，这样，影响了气象数据采集系统的覆盖范围，导致气象数据的采集不够全面，影响了气象数据的准确性。
技术实现要素：
有鉴于此，本申请的目的在于提出一种分布式的气象数据采集系统，来解决现有技术中，气象数据采集节点的使用寿命和气象数据采集系统覆盖范围小的技术问题。
基于上述目的，本申请提出了一种分布式的气象数据采集系统，包括：
感知层、网络层和应用层；
所述感知层包括多个信息邮局，以及与每个信息邮局通信连接的多个气象数据采集节点，所述气象数据采集节点用于采集气象数据，并将采集到的气象数据通过基站汇总至所述信息邮局，所述信息邮局用于将接收到的气象数据发送至所述网络层；
所述网络层包括多个网关，以及与所述的多个网关通信连接的服务器，所述网关用于对接收到的气象数据进行协议转换，并将协议转换后的气象数据上报至所述服务器，所述服务器用于存储所述网关上报的气象数据；
所述应用层包括与所述服务器通信连接的移动终端，所述移动终端中存储有与所述服务器进行数据交互的软件程序，通过所述软件程序可以获取所述服务器中存储的气象数据，并在所述移动终端中展示。
在一些实施例中，所述气象数据采集节点成蜂窝状分布在所述基站的周围。
在一些实施例中，所述气象数据采集节点包括电源模块、微控制单元模块、传感器模块和数据交互模块，所述电源模块分别与所述微控制单元模块、所述传感器模块和所述数据交互模块电连接，用于向所述微控制单元模块、所述传感器模块和所述数据交互模块供电，所述微控制单元模块分别与所述传感器模块和所述数据交互模块通信连接，用于对所述传感器模块采集到的数据进行处理，并通过所述数据交互模块与所述信息邮局进行数据交互。
在一些实施例中，还包括：
电源控制模块，所述电源控制模块包括第一控制单元和第二控制单元，所述电源模块通过所述第一控制单元向所述微控制单元模块供电，通过所述第二控制单元分别向所述传感器模块和所述数据交互模块供电，所述第二控制单元与所述微控制单元模块通信连接，所述微控制单元模块通过所述第二控制单元控制电源向所述传感器模块和所述数据交互模块的供电。
在一些实施例中，只有所述微控制单元模块接收到气象数据获取指令后，所述微控制单元模块才会控制所述第二控制单元控制电源向所述传感器模块和所述数据交互模块供电，并获取所述传感器模块采集到的气象数据，通过所述数据交互模块将获取到的气象数据发送至所述信息邮局，在完成气象数据的发送后，控制所述第二控制单元控制电源停止向所述传感器模块和所述数据交互模块供电。
在一些实施例中，所述数据交互模块在将获取到的气象数据发送至所述信息邮局过程中，在建立与所述信息邮局的通信链路，并通过所述通信链路将获取到的气象数据发送至所述信息邮局后，会使所述通信链路在继续在预设时间段内保持连接状态，并经过预设时间段后，断开所述通信链路。
在一些实施例中，在断开所述通信链路后，所述微控制单元模块控制所述第二控制单元控制电源停止向所述传感器模块和所述数据交互模块供电。
在一些实施例中，所述气象数据采集节点包括以下至少一项：
温度传感器、湿度传感器、风速传感器、风向传感器、光照度传感器、雨量传感器和气压传感器。
在一些实施例中，所述气象数据采集节点中的传感器具有通用底板和接口。
在一些实施例中，所述气象数据采集节点还包括物理量数据转换模块，所述物理量数据转换模块通过bp算法对气象数据采集节点采集到的物理量数据进行线性回归，使所述物理量数据与数字量关系对应。
本申请实施例提供一种分布式的气象数据采集系统，包括感知层、网络层和应用层；所述感知层包括多个信息邮局，以及与每个信息邮局通信连接的多个气象数据采集节点，所述气象数据采集节点用于采集气象数据，并将采集到的气象数据通过基站汇总至所述信息邮局，所述信息邮局用于将接收到的气象数据发送至所述网络层；所述网络层包括多个网关，以及与所述的多个网关通信连接的服务器，所述网关用于对接收到的气象数据进行协议转换，并将协议转换后的气象数据上报至所述服务器，所述服务器用于存储所述网关上报的气象数据；所述应用层包括与所述服务器通信连接的移动终端，所述移动终端中存储有与所述服务器进行数据交互的软件程序，通过所述软件程序可以获取所述服务器中存储的气象数据，并在所述移动终端中展示。通过分布式的结构并基于窄带物联网技术，提高了气象数据采集系统的覆盖范围，从而提高了采集到的气象数据的准确性。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是本申请实施例一的分布式的气象数据采集系统的结构示意图；
图2是本申请实施例二的分布式的气象数据采集系统的气象数据采集节点的结构示意图；
图3是本申请实施例三的分布式的气象数据采集系统的气象数据采集节点的中断处理流程示意图；
图4是气象数据采集节点的无线接收中断、无线接收与处理任务和无线发送任务的关系示意图；
图5是与ad数据相关的中断和任务的关系示意图；
图6是本申请实施例的分布式的气象数据采集系统的气象数据采集节点的硬件层结构示意图；
图7是本申请实施例的分布式的气象数据采集系统的气象数据采集节点的结构示意图；
图8是三层bp神经网络的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
窄带物联网(narrowbandinternetofthings，nb-iot)是新一代物联网通信体系，其具有大连接、广覆盖、深穿透、低成本及低功耗等基本技术特点。窄带物联网包括移动终端(即人机交互系统)、信息邮局，以及通过基站与信息邮局通信连接的nb-iot终端，nb-iot终端是一种以微控制器为核心，具有数据采集、控制、运算等功能，带有nb-iot通信功能，甚至包含机械结构，用于特定功能的软硬件实体，如nb-iot燃气表、nb-iot交通灯、nb-iot智能农业设备等等，即各种各样实际nb-iot应用产品。随着窄带物联网技术的发展，nb-iot应用系统将成为许多实体行业的关键技术。
本申请实施例中的分布式的气象数据采集系统，在汇总气象数据的过程中，采用窄带物联网技术，使得以基站为中心的气象数据采集采集节点的覆盖范围更广，从而提高了采集到的气象数据的准确性。
作为本申请的一个实施例，如图1所示，是本申请实施例的分布式的气象数据采集系统的结构示意图。从图1中可以看出，本实施例中的分布式的气象数据采集系统，分为三层架构，上述的三层架构分别为：感知层、网络层和应用层。通过将系统进行层次的划分，可以提高系统应用的灵活性，例如，可以分别对三层架构中的任意一层进行更改或替换，而不会影响其他两层架构的稳定性。
对于上述的三层架构，其中，所述感知层包括多个信息邮局，每个信息邮局具有自身配置的一个或者多个基于nb-iot协议的通信基站，以及与每个信息邮局通信连接的多个气象数据采集节点，所述气象数据采集节点用于采集气象数据，并将采集到的气象数据通过nb-iot通信基站汇总至所述信息邮局，所述信息邮局用于将接收到的气象数据发送至所述网络层。上述的多个信息邮局可以在地域空间中分布在不同的区域，所述气象数据采集节点可以呈蜂窝状分布在所述通信基站的周围，从而尽可能的实现气象数据采集节点的全方位覆盖。所述气象数据采集节点上可以设置有通信模块，通过所述基站与所述信息邮局建立通信连接，将气象数据采集节点采集到的所述气象数据采集节点所在地点周围环境的气象数据发送至所述信息邮局，所述信息邮局可以对接收到的气象数据进行存储，也可以直接对接收到的气象数据进行转发。
所述网络层包括多个网关，以及与所述的多个网关通信连接的服务器，所述网关用于接收感知层中的信息邮局发送的气象数据，并将接收到的气象数据上报至与所述网关通信连接的服务器。在本实施例中，所述感知层中的信息邮局与所述服务器间可以基于有线或无线联网技术进行数据传输，所述服务器间可以基于internet通信技术与应用层进行数据传输，两次数据传输的过程中采用的数据传输协议不同。所述网关还可以用于对接收到的气象数据进行协议转换，并将协议转换后的气象数据上报至所述服务器，所述服务器用于存储所述网关上报的气象数据。在本实施例中，所述服务器还可以对所述网关上报的气象数据进行初步处理，例如，可以根据所述气象数据初步确定所述气象数据采集节点所在地周围环境的天气状况(例如，晴天、雨天等)。
所述应用层包括与所述服务器通信连接的移动终端，所述移动终端中存储有与所述服务器进行数据交互的软件程序，通过所述软件程序可以获取所述服务器中存储的气象数据，并在所述移动终端中展示。在本实施例中，所述移动终端可以包括但不限于智能手机、平板电脑、智能手表或笔记本电脑等。所述移动终端上的软件程序可以作为单独的应用存在于所述移动终端，也可以以嵌入式程序的形成存在于所述移动终端。
本实施例中的分布式的气象数据采集系统，由于基于窄带物联网技术，使得气象数据采集节点的覆盖范围更广，提高了气象数据采集系统的覆盖范围，从而提高了采集到的气象数据的准确性。
作为本申请的一个可选实施例，在上述实施例中，所述气象数据采集节点可以成蜂窝状分布在所述基站的周围，每个所述的气象数据采集节点可以分布在“蜂窝”的顶点上，也可以等距离的分布在“蜂窝”的边上，从而是每个所述的气象数据采集节点覆盖的范围几乎相同，另外，还可以根据当地的地理环境设置所述气象数据采集节点的位置。
所述气象数据采集节点采用嵌入式结构设计，由下至上如图2所示，依次包括硬件层、硬件抽象层、功能模块层、应用层。其中上层模块可以直接调用下层模块的功能，而无需了解实现细节。硬件层是组成气象数据采集节点的各个电路模块。所述硬件抽象层用于在硬件层的电路基础上，抽象并为功能模块层提供统一的调用接口。所述功能模块层包括系统内核模块、外设驱动模块、调用函数库等；其中系统内核模块包括任务调度子模块与中断管理子模块，任务调度子模块用于对应用层的各个应用任务模块执行调度，所述中断管理子模块实现对应用层中断服务例程模块的管理；所述调用函数库存储任务执行和中断处理过程中可供调用的函数功能；所述外设驱动提供调用硬件层各种外设的接口。所述应用层包括多个应用任务模块以及中断服务例程模块，从而通过任务执行与中断处理相结合的方式完成气象数据采集节点的数据采集功能。
具体来说，系统内核模块负责任务调度与中断管理，任务和中断存在着密切的联系，不同任务的切换由中断负责完成，更准确地来说，是滴答中断完成的。系统内核模块的中断处理过程分为两个相对独立的部分：内核isr与用户isr。内核isr能快速地响应中断，实现硬件中断到用户isr的映射；用户isr与中断服务例程一致，用于处理各种中断事件。当中断事件触发时，首先会进入内核isr执行，然后再查找中断向量表，转到相应的用户isr执行，实现外设硬件中断到用户编写的中断服务例程之间的映射。如果有其他中断未处理，则再继续执行其他中断，结束后查找有无更高优先级任务就绪，如果有则开始任务调度，切换栈指针，否则本中断的内核isr执行结束，整个中断处理流程如图3所示。
应用层的所述应用任务模块具体包括：主任务模块，用于完成初始化全局变量及功能模块，创建其他非自启动任务，安装中断isr，使能功能模块中断。无线数据接收和处理任务模块，用于射频接收数据帧并执行处理；具体来说，从rf接收消息队列中接收消息，丢掉冗余mac帧，保留需要本终端节点进行处理的mac帧，如果不需要解帧，如中继帧，直接进行中继转发处理；如果需要解帧，如本节点帧，剥掉其mac头，得到nwk帧，执行命令字对应的响应处理；对于命令帧进行处理、响应；对于数据帧，完成下行数据的处理。应答组帧时，先获取请求的所有节点信息，逐步组成apl帧、nwk帧、mac帧(除mac校验和外)，放入待发送消息队列中，等待发送。无线发送任务模块，用于对射频发送mac帧进行处理；对于每一帧节点要发送的mac帧(不包含mac校验和部分)，都会放入消息队列中，本任务模块每次从该链表取出一个mac帧，计算mac校验和，先补充成完整的mac帧，再调用phy层函数补充成完整的物理帧，并将补充完整的物理帧通过rf发送出去。看门狗任务模块，用于防止程序异常跑飞，定时将看门狗计数器清零；设置看门狗时间，也就是说在看门狗时间内不将看门狗计数器清零则会引起看门狗复位，为确保程序正常运行状态的正常运转，将看门狗计数器清零的时间定为800ms。无线通信看门狗任务模块，用于保障与网关之间无线数据的稳定性，防止数据采集节点长时间没有无线数据收发。因为网关需要上传每分钟的节点数据，当气象数据采集节点在每个轮询周期(轮询周期也为1分钟)内都没有接收到无线数据包则会引起无线通信看门狗复位。运行指示灯任务模块：每秒切换一次亮暗状态，用于指示节点的正常运行与否。当节点运行异常时，则节点会出现常亮或常暗，可快速判断节点运行正常与否。ad数据采集与刷新任务模块，adc定时1秒采样1次，获取芯片温度、芯片电压及7路ad采样值。同时采用双缓冲区机制，确保ad数据的新鲜度，借助中值及均值滤波消除电平抖动，同时使用bp算法对ad数据进行物理量回归。ad数据存储任务模块，用于每分钟存储一次最新的ad数据，包括每个通道的ad值和通道的数据质量控制状态，分为正确、错误、缺失等。
中断服务例程模块具体包括：无线数据接收中断模块，用于在接收一帧物理帧数据完成时产生中断，告知物理帧数据放入到fifo缓冲区，然后执行中断isr。风速传感器计数中断模块，用于在超时周期到达时产生一次溢出中断；当通道0产生输入捕捉中断事件时产生一次通道中断，同时以全局变量递增用来对风速传感器的频率信号进行计数；风速传感器支持的最大风速为60m/s，分辨力为0.1m/s，那么每秒最多可产生600次输入捕捉信号，由奈奎斯特采样定理，那么每秒需要采集1200次信号，因而在对tpm0模块的输入捕捉初始化时设置采样周期为0.8ms，那么每秒可以采样1250次能满足信号采集的需求；雨量传感器计数中断模块，用于在超时周期到时产生一次溢出中断；当通道0产生输入捕捉中断事件时产生一次通道中断，同时全局变量递增用来对雨量传感器的频率信号进行计数。雨量传感器支持的最大雨量为4mm/min，分辨力为0.1mm/min，设置采样周期为2.5ms，能满足每分钟80次的采样需求。气压传感器串口中断模块，用于每接收到一个字节产生一次本中断，若接收到气压传感器发送过来的气压值数据包，放入全局数组中。
气象数据采集节点通过任务执行与中断处理相结合的方式完成气象数据采集节点的数据采集以及数据传输功能，具体来说：与无线数据收发相关的中断和任务共有三个，分别是无线接收中断、无线接收与处理任务和无线发送任务，并通过无线接收消息队列和无线发送消息队列进行数据的传递，三者之间的关系见图4。ad数据中断与任务关系，根据传感器产生的传感器信号的不同，可以是串口通信信号、ad信号和输入捕捉信号三种，分别使用不同的方式进行数据处理。与ad数据相关的中断和任务共有五个，分别是气压传感器串口通信中断、风速传感器计数中断、雨量传感器计数中断、ad数据采集和刷新任务和ad数据存储任务，彼此之间的关系见图5。
如图6所示，是本申请实施例的分布式的气象数据采集系统的气象数据采集节点的硬件层结构示意图。作为本申请的一个实施例，所述气象数据采集节点包括电源模块201、微控制单元模块202、传感器模块203和数据交互模块204。所述电源模块201分别与所述微控制单元模块202、所述传感器模块203和所述数据交互模块204电连接(图中带有箭头的连线表示电连接方式)，用于向所述微控制单元模块202、所述传感器模块203和所述数据交互模块204供电，所述微控制单元模块202分别与所述传感器模块203和所述数据交互模块204通信连接(图中的折线表示通信连接方式)，用于对所述传感器模块采集到的数据进行处理，并通过所述数据交互模块与所述信息邮局进行数据交互。在本实施例中，所述的电源模块201可以是蓄电池。此外，所述微控制单元模块202还可以控制所述电源模块201与所述传感器模块203和所述数据交互模块204的通断电。当所述电源模块201不向所述传感器模块203和所述数据交互模块204供电时，所述气象数据采集节点处于待机状态，从而可以节省电能，进而延长所述气象数据采集节点的使用周期。
作为本申请气象数据采集系统的气象数据采集节点的一个具体实现方式，在上述实施例中的气象数据采集节点中，还可以包括电源控制模块。如图7所示，是本申请实施例的分布式的气象数据采集系统的气象数据采集节点的结构示意图。从图7中可以看出，本实施例的气象数据采集节点包括电源模块201、微控制单元模块202、传感器模块203和数据交互模块204，此外，还包括电源控制模块205。其中，所述电源控制模块205包括第一控制单元2051和第二控制单元2052，所述电源模块201通过所述第一控制单元2051向所述微控制单元模块202供电，通过所述第二控制单元2052分别向所述传感器模块203和所述数据交互模块204供电，所述第二控制单元2052与所述微控制单元模块202通信连接，所述微控制单元模块202通过所述第二控制单元2052控制电源向所述传感器模块202和所述数据交互模块202的供电。
在本实施例中，只有所述微控制单元模块202执行气象数据获取指令后，所述微控制单元模块202才会控制所述第二控制单元2052控制电源向所述传感器模块203和所述数据交互模块204供电，并获取所述传感器模块203采集到的气象数据，通过所述数据交互模块204将获取到的气象数据发送至所述信息邮局，在完成气象数据的发送后，控制所述第二控制单元2052控制电源模块停止向所述传感器模块203和所述数据交互模块204供电。
作为本实施例的一个可选实施例方式，所述电源模块201可以周期性的向所述电源控制模块205供电，非工作状态下，所述电源模块201不向所述电源控制模块205供电，此时，所述气象数据采集节点处于待机状态，以节省电能。当电源模块201向所述电源控制模块205供电时，首先向所述第一控制单元2051供电，所述第一控制单元2051向所述微控制单元模块202供电，此时，所述微控制单元模块202处于唤醒状态，所述微控制单元模块202控制所述第二控制单元2052分别向所述传感器模块203和所述数据交互模块204供电，使所述传感器模块203和所述数据交互模块204处于唤醒状态(即工作状态)，所述传感器模块203获取环境气象数据并发送至所述微控制单元模块202，并由所述微控制单元模块202控制所述数据交互模块204将获取到的气象数据发送通过对应的基站发送至信息邮局。在完成气象数据的发送后，所述电源模块停止向所述电源控制模块205供电，此时，所述微控制单元模块202、述传感器模块203和所述数据交互模块204处于休眠状态(即非工作状态)。这样，可以在一定程度上，节约电能，从而延长所述气象数据采集节点的使用寿命。
作为本申请的一个可选实施例，所述数据交互模块在将获取到的气象数据发送至所述信息邮局过程中，在建立与所述信息邮局的通信链路，并通过所述通信链路将获取到的气象数据发送至所述信息邮局后，会使所述通信链路在继续在预设时间段内保持连接状态，并经过预设时间段后，断开所述通信链路。在所述通信链路保持连接状态的过程中，所述数据交互模块会将所述微控制单元模块发送的气象数据发送至信息邮局，或者将信息由于发送的访问请求发送至所述微控制单元模块，避免了每进行一次数据传输便进行一次通信链路的搭建和拆除，从而节约了电能，延长所述气象数据采集节点的使用寿命。
作为本申请的一个可选实施例，在断开所述通信链路后，所述微控制单元模块也可以控制所述第二控制单元控制电源停止向所述传感器模块和所述数据交互模块供电。
作为本申请的一个可选实施例，所述气象数据采集节点包括以下至少一项：
温度传感器、湿度传感器、风速传感器、风向传感器、光照度传感器、雨量传感器和气压传感器。所述气象数据采集节点中的传感器具有通用底板和接口，以方便气象数据采集节点的增减和类型的变更。
作为本申请的一个可选实施例，所述气象数据采集节点还包括物理量数据转换模块，所述物理量数据转换模块通过bp算法对气象数据采集节点采集到的物理量数据进行线性回归，使所述物理量数据与数字量关系对应。bp神经网络实质上实现了一个从输入到输出的映射功能，数学理论证明三层的神经网络就能够以任意精度逼近任何非线性连续函数。bp神经网络的学习过程分为信息的正向传播过程和误差的反向传播过程两个阶段。外部输入的信号经输入层、隐含层的神经元逐层处理向前传播到输出层给出结果。如果在输出层得不到期望输出，则转入逆向传播过程，将实际值与网络输出之间误差沿原来联结的通路返回，通过修改各层神经元的联系权值，使误差减少，然后再转入正向传播过程，反复迭代，直到误差小于给定的值为止。以一个三层网络(见图8)为例，网络由n个输入神经元，k个隐层神经元，m个输出神经元组成，o2pm和o1pk分别为输出层和隐层的输出值，w2km和w1nk分别为隐层到输出层和输入层到隐层的连接权值，设输入学习样本为xpn，其对应的希望输出值为tpm。
标准算法步骤如下：
(1)初始化权值，设定学习率μ，允许误差ε，最大迭代次数，置循环步数i＝0。
(2)正向计算：
将第p个样本(xp＝{xp1...xpn})顺序输入到网络中，按下式分别计算o1pk和o2pm：
激活函数常采用s型sigmoid函数：
(3)计算均方误差
(4)反向计算：计算权值的改变量。公式如下：
而
-δpm(i)＝(tpm-o2pm(i))o2pm(i)(1-o2pm(i))(5)
更改权值：
w1nk(i+1)＝w1nk(i)+δw1nk(i+1)(7)
w2km(i+1)＝w2km(i)+δw2km(i+1)(8)
(5)置i＝i+1，返回(2)。
由上述算法实现的三层bp网络模型由一个输入层单元、三个隐藏层单元和一个输出层单元构成，与气象数据采集节点进行物理量回归的模型保持一致，共包括6个权值和4个输出值。根据测量的ad值与真实值组成的数据对，作为进行bp算法学习的数据对，当数据较较接近时可删除，最终确定20组作为学习数据对进行bp参数学习，计算得出bp参数，再通过命令设置让气象数据采集节点把学习到的bp参数作为物理量回归的标准参数。
通过上述神经网络模型，可以实现物理量数据与数字量关系的对应。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离上述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。