港口微气象主要指在港口区域内的气候特征，如风速、风向、环境温度、湿度、雨量等。其对港口装卸作业稳定性和进出港船舶靠离泊的安全性有着重要影响。由于微气象数据本身具有高频采集特点，目前港口配置气象监测系统面对海量数据难以进行有效的采集，数据传输受到通信网络带宽和传输速度的限制，从而无法及时、有效地传输，不同要素之间的传感器通信标准不一致，造成数据整合困难且难以挖掘处理，导致对微气象环境影响下产生的极端天气和海况几乎无法实现精细化、可视化的监测。
针对上述问题，引入微气象无线传感器网络的概念，基于无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）技术，设计港口微气象信息智能监测系统，实现对港口海域微气象信息的高精度识别和有效监测，为港口业务运作、船舶航行安全提供保障。
系统总体架构
系统总体架构图见图1。港口微气象信息智能监测系统分为采集层、传输层、处理层和展示层。采集层是由多个传感器节点组成的无线传感器监测网络，将传感器节点以人工安置的方式随机布放在需要监测的区域，监测区域内的气象数据由传感器节点采集并传输至网关；传输层通过带有通信模块的网关设备，不仅要与传感器节点保持通信，同时网关将采集数据传输到处理层中的服务器；处理层的服务器接收传输的风、海流、波浪、环境温度、湿度等数据后，将数据进行处理并存储到数据库；展示层以可视化的方式实现对数据的管理，最终用户可以通过监控终端实现任意时间段数据的按需查询。
图1 系统总体架构图
系统方案设计
2.1采集层
在监测区域内，将多个传感器连接到相同规格、型号的数据采集模块上组成传感器节点网络系统，对微气象要素进行实时采集。传感器测量通用参数见表1。
表1传感器测量通用参数
传感器节点可分为一般传感器节点（Sensor node）和汇聚节点（Sink node）。通过一般传感器节点将采集到的数据经过多跳方式传递到汇聚节点，汇聚节点可将监测区域采集的数据经过网关发送至服务器。
本文利用的多跳式拓扑结构中的分簇拓扑结构组建监测网络，将传感器节点划分成簇，仅以簇头节点完成簇内数据汇聚和簇间数据转发，在保证网络具有一定连通度和覆盖度的条件下，以尽可能延长网络寿命为主要目标，兼顾可靠性、鲁棒性、可扩展性等其他性能，形成优化的网络拓扑结构，提高传感器群自组网络生命周期、吞吐量、可扩展性、可靠性等性能，从而实现能量消耗均衡、单节点能耗小、可靠性高的大范围的网络通信，为数据监测、采集和传输服务。
2.2传输层
传输层主要负责将一般传感器节点的数据进行拆包、封包，连接汇聚节点将打包后的数据发送至网关，本文使用的网关基于ARM处理器，处理器通过串口（RS485）与汇聚节点实现通信，由网关中转后，可经4G、无线或其他互联网接入方式传输到服务器。服务器接到网关发来的数据包后，经过数据解析成功后即存储到相关的应用系统数据库中，供港口工作人员进行分析和处理。数据传输架构图见图2。
图2 数据传输架构图
2.3处理层
在本系统中，数据处理层主要包括数据收发模块和数据处理模块2个部分。数据处理层架构图见图3。
图3数据处理层架构
数据收发模块是数据传输的核心，其作用在于提高通信网络传输速率，同时解决网络对带宽的限制。在数据收发模块中，数据将按预先设定的频率接收各个传感器发送的数据，其中包括服务器发送的命令数据和传感器发来的微气象数据。利用数据收发模块向传感器节点传达服务器命令，服务器命令经由数据收发模块、网关下达至传感器节点，传感器节点获取指令后，将相应微气象数据统一生成系统标准数据文件，并按照一定的时间间隔发送数据至数据处理模块。
数据处理模块在发送、接收数据包前，首先按照预先设定的协议标准进行数据包验证，以此判断数据包的有效性和完整性,并完成数据初始化工作，包括命令格式和规定数据格式。命令格式为命令参数+命令码”；数据格式为元格式+传感器节点编序列+数据起始时间+数据包+数据组数”。若数据有效，因不同传感器的数据格式不同，处理模块将按照传感器分类和约定的格式对数据进行预处理并解析数据包，获取传感器数据后将这些数据存入数据库当中；若数据无效，数据处理模块自动舍弃该数据包。
2.4展示层
系统展示层综合SQL Server 数据库术、图像技术、云存储技术等，将传感网观监测以可视化的方式展现给用户，为用户提供一种交互式操作的界面，主要表现为Web形式。展示层基于采集层、传输层和处理层，为客户端提供数据源，客户端会将得到的数据以图表、表格等多种形式通过手机、PC、平板向用户展示。
系统硬件设计
系统硬件主要负责微气象数据的采集、计算处理和数据传输，并配有键盘、显示屏等交互接口，以供系统配置和查看数据信息。系统硬件结构图见图4。
图4系统硬件结构图
整个系统硬件设计采用分层结构，分为核心板和扩展板，其中核心板包括最小系统电路。本文采用已成型的核心板，系统设计主要针对核心板引脚设计扩展板卡。港口微气象信息智能监测系统采用Freescale公司MC1321x系列的ZigBee高性能芯片作为主控芯片；扩展板包括数据采集模块、电源模块、时钟控制器、键盘和显示接口及通信模块接口等串口模块。
3.1数据采集模块设计
数据采集模块是硬件系统的核心，其主要功能是用于系统中各个传感器测量数据的采集、处理和系统控制，同时将采集到的接口数据发送到仿真系统，实现数据交互。为了使设备具有高可靠性和维修性，信号量的采集和驱动通过模块化的信号采集驱动板完成。数据采集驱动板主要由数据采集接口模块、时钟电路和电源部分组成。其中，数据采集控制接口模块是传感器和主控芯片连接的枢纽，通过采集控制接口，数据采集模块可以采集相应传感器的物理量。因数据采集要以一定的工作频率运行，为了使信号采集驱动能正常工作，必须做到：向其提供时钟信号，用于记录系统工作时间；输出时间代码，为微气象数据采集和处理提供重要的时间依据；控制系统间断工作，从而判定数据采集的触发时间。本文采用的芯片因内部已提供时钟振荡电路，只需在外部提供石英晶体，即可向数据采集模块提供时钟信号。
根据系统要求，数据采集模块通过高效的软件算法对外部模拟量和路数字输入量（DI）进行采集，所有仿真信号量采用专门设计的采集通信板进行采集。为了方便兼容，设计时就要考虑接口采集的一致性问题，布线时将所有的开关量放在前面并保留一定的扩充能力，而后放置模拟量。
3.2串口模块设计
由于通过ZigBee芯片引出的信号为TTL电平（Transistor Transistor Logic），考虑到TTL电平通信距离过短，本文所采用RS485电平信号，利用485接口进行通信，从而提高传输的距离和准确性。
在设计过程中则需进行信号电平的转换，即将输入信号的电平转换为RS485电平，并将输出电平转换为各模块的工作电压。在此基础上，对于输入、输出信号同时进行光电隔离，从而提升系统的抗干扰能力。
3.3电源模块设计
本文电源模块供电方式采用锂电池供电，电源模块由时钟控制器控制电源启动，以此控制系统定时工作。电源供电采用两路电源转换，电源模块为板卡提供3.3 V和5 V的工作电压，5 V作为传感器的参考电压，3.3 V则为通信模块提供所需电源。电源模块为了得到通信模块所需的3.3 V电源和为传感器模块提供的5 V电源，需配备1个升降压芯片用来转换所需要的电压。
系统软件设计
本系统软件基于C/S模式开发设计，采用C#进行嵌入式编程，整个系统软件设计开发分为服务器端和客户端2个部分。服务器端需与数据采集模块保持通信，进行数据的采集、处理、存储和数据收发送工作，为客户端提供数据支持，在客户端实现与用户的人机交互，以便用户输入、输出所需信息。系统软件设计总体结构见图5。
图5 系统软件设计总体结构
4.1数据采集控制程序设计
在本系统软件中，数据采集程序尤为重要，该部分是完成原始数据的收集和控制传感器运行。在此程序中，主要针对已布置的监测节点网络中的传感器进行周期性采样，为了确保在工作时间内取得足够多的测量数据，在程序设计中采用分时并行的运行方式。根据监测对象的不同分别设置不同的采样周期，其中：温度、湿度的采样周期为0.1 s；风速、风向的采样周期为1 s；气压、雨量的采样周期为10 s。每一项数据都将重复进行多次采样，并采用去除最大值和最小值后取算术平均值的方法进行计算处理，以此减少误差，提高测量数据的精确度。数据采集控制程序流程见图6。
图6数据采集控制程序流程
4.2客户端应用设计
客户端为用户提供所需服务和交互界面，系统客户端实现以下功能：实时显示监测区域内微气象变化，提供模拟监测场景供用户直观了解当前情况；显示监测组网中传感器节点分布和状态；显示单一或多个节点所监测的数据；提供历史数据查询功能。客户端应用体现在用户界面上为5个模块，每个模块可细分出各个功能类别，主要可以总结为用户管理模块、微气象监测模块、历史数据统计查询模块、地图服务模块、帮助界面模块。
用户管理模块。通过点击菜单栏中的用户管理选项，可对每个系统软件进行参数配置；管理所有用户账号信息，并进行用户权限控制、客户端更新等。
微气象监测模块。气象监测画面主要用于显示当前微气象采集监测的数据，提供相应场景模拟，实时数据信息以曲线、表格、图像等形式供用户选择。
历史数据统计查询模块。此模块提供任意指定时间段的微气象数据、传感器节点数据的查询，并可解析为图表形式方便用户导出。
地图服务模块。本模块借助第三方地图，可将监测区域内各传感器节点清晰地标注在地图中，便于节点维护。单击传感器节点，可显示当前此传感器类别、状态以及所采集的最新数据。
帮助界面模块。在本界面中内置软件使用手册，在帮助”界面内，右侧设置垂直滚动条，可对说明书文件进行上下拖动，供用户快速了解并使用软件对应功能。
4.3客户端UI优化
整个客户端将采用Microsoft .NET framework作为系统框架，监测场景的构建和设置采用当前流行的Maya软件和Unity3D 引擎，后台数据存储采用SQL Server 数据库。
系统数据通信采用基本SOAP的加密数据传输，使用C#程序采集和处理数据，数据显示基于微软的WinForm技术，结合ADO.NET技术动态访问数据库。
采用Unity技术构建实时三维动画互动内容，将Unity内嵌.NET平台，通过数据采集板卡与实体输入设备进行实时交互，实时渲染效果出色，方便在客户端进行发布并与用户进行交互。
实时监测视景图像由成像计算机生成，经边缘融合校正计算机完成图像的几何形变校正、电子以及光学边缘融合、对比度亮度统一调整，以保证各通道之间的完整连续，获得整个投影画面的无缝效果，无论昼夜场景，均可保证监测图像的完整和沉浸效果。
结论
通过对港口微气象观监测技术的研究，本文建立一套基于WSN的港口微气象信息智能监测系统，该系统克服海量数据难以采集、数据的传输受到通信网络带宽和传输速度的限制，可实现港口海域微气象信息的高精度识别和有效监测。同时，系统具由良好的用户交互界面，全面提升船舶进出港工作效率和安全性。
在实际应用过程中，该系统可以解决以下问题：
观测节点成本低、功耗小、便于部署。
提高港口和港口海域微气象监测信息的精确性和可靠性。
保证数据传输的稳定性。
