通信工程师论文卫星通信在林业中的应用
测试硬件环境为原野无线传感器节点(FieldServer)、Digi公司的M10卫星调制解调器;测试操作系统为CentOS6.2,卫星传输系统代码编写语言为C,逻辑结构图如图3所示。测试地点为中国林业科学研究院的白皮松人工纯林(116°14'31″E,40°0'17″N),该林分面积0.57hm2,株行距1.67m×1.67m,现存活立木800多株,郁闭度约为0.8。
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1用户任务定制
通过用户任务定制模块结合用户控制指令下传模块,用户可以根据自己的需求,定制自己的监测任务,远程获得特定时间段的数据。定制监测数据类别分为林业传感器数据类型、图像数据类型等多种类型。用户通过指定监测的开始时间、结束时间、监测数据类别及监测时间间隔参数,可以灵活获得指定时间段的监测数据。
2野外测试与分析
2.1测试环境
测试硬件环境为原野无线传感器节点(FieldServer)、Digi公司的M10卫星调制解调器;测试操作系统为CentOS6.2,卫星传输系统代码编写语言为C,逻辑结构图如图3所示。测试地点为中国林业科学研究院的白皮松人工纯林(116°14'31″E,40°0'17″N),该林分面积0.57hm2,株行距1.67m×1.67m,现存活立木800多株,郁闭度约为0.8。卫星传输系统通过FieldServer传感器节点获取白皮松林的空气温度、湿度、风速、土壤温度、湿度、光强度、降水量信息及图像数据,并通过M10卫星模块对获取的林业传感器数据和图像数据进行传输。FieldServer是一个小型的监测传感器节点,集多种传感器、无线网络以及处理器于一体。一个原野服务器节点主要分为数据板模块、网络照相机和Wi-Fi路由器3个部分。数据板模块可连接多种传感器,并对传感器进行管理和数据的采集;测试采用的传感器主要有空气温湿度、土壤温湿度及水分、日射、CO2浓度、近红外等类型。网络照相机负责图像数据的采集;Wi-Fi路由器通过Wi-Fi将传感器数据和图像数据上传到网络。
2.2测试结果及分析
为验证卫星传输系统的可靠性及实用性,笔者在2013年2月2日对白皮松林获取的传感器测试数据和图像测试数据进行分析。获取的传感器测试数据、图像测试原始数据及GZIP压缩后解压缩图像结果见图4。为获得卫星模块的传输速率,在卫星信号良好的情况下,对500Byte的传感器数据进行上传,经多次测试,上传测试结果如图5所示。通过对多次测试数据求平均,卫星模块的数据传输速率稳定在31.27Byte/s。为获得传感器设备最佳采集时间间隔,在研究中通过调整传感器设备的数据采集间隔,获得固定时间内的数据剩余累积量作为衡量指标。在卫星信号良好的情况下,测试在1h时间内不同数据采集间隔传感器数据的剩余累积量,多次测试结果见图6。通过图6可以看出,在1h的时间范围内,设置传感器数据的采集间隔约100s时,传感器数据的采集量为2556Byte,成功发送数据量为2501.6Byte,剩余累积量55.4Byte,趋近于零。这表明,在卫星信号良好的情况下,卫星传输系统能对采集间隔为100s的传感器节点获得的林业数据进行及时上传而不产生累积。
3结论
针对无线传感器网络在林区无网络覆盖区域无法进行数据传输的问题,笔者设计并实现了一种基于卫星传输的数据通信系统。该系统基于ORB-COMM卫星网络,能通过DigiM10卫星通信模块进行数据传输。ORBCOMM卫星网络提供全球范围内全天候的数据传输服务。系统基于该卫星网络,采用主动和被动两种方式,通过RS232串口和以太网口读取无线传感器节点数据,并对获得的林业传感器数据和图像数据进行上传。同时,为便于图像数据上传,卫星传输系统对图像数据进行分块和无损压缩处理。考虑用户交互,卫星传输系统设置了灵活的人性化的用户采集任务调度。用户可以定制自己需要的某个时间区段的固定时间间隔内的采集数据,从而进一步提高了卫星通信系统在林区的实用性,为决策者提供更多的客观分析数据。测试结果表明,对于40kB左右的图像数据进行GZIP的压缩比为4.06,减少了数据的上传量,节省了传输资源,缩短了传输时间。当卫星信号良好时,模块传输速率稳定在31.27Byte/s,当传感器节点的采集数据间隔设置在100s时,卫星传输系统能及时将获得的数据进行上传而不产生数据的累积,满足了林区数据上传的需要,对在无网络覆盖的林区推广无线传感器设备具有重要意义。此次通过卫星通信模块对无线传感器设备在林区野外无网络覆盖区域进行数据传输获得了较好的结果。但卫星通信会受到天气等自然因素的影响,如在云层覆盖密集的情况下,云层会干扰卫星信号,导致连接不稳定,中断图像等大数据的传输,致使数据难以实时上传。为加大卫星模块在林区野外的适用性,这将在以后进行进一步的研究。