气象站体系的网络设计

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本文作者：何慧芸1马启明2黄启俊1常胜1作者单位：1.武汉大学物理科学与技术学院2.中国气象局气象探测中心

0引言

随着社会经济的发展和人们生活水平的提高，人们对气象预报的要求越来越高，对观测手段和检测精度都提出了新的要求［1］。气候预报的准确性和实时性，会为国民经济的发展和决策提供有力支持［2］。我国目前普遍使用的气象站来看，传感器是以分离式结构采集各要素，没有进行各要素的综合集成，各气象要素的采集、传输、数据处理相互独立，系统开放性以及兼容性不高［3－4］，主要采用有线网络连接，导致气象观测仪器在野外安装极其不便。因此如何解决气象站的布线繁琐和传感器对各要素数据的综合集成，是亟需解决的问题［5－6］。本文采用基于ZigBee的无线传输技术［7－10］，搭建了1个应用于气象站的智能传感器系统，构建了集中的数据处理平台，解决了传统气象站数据分散处理，布线繁琐的问题。

1设计思路

系统采用ZigBee技术配置成星型网络，主节点为ZigBee协调器，其他节点为ZigBee的终端设备。各个传感器模块获得数据后传输给ZigBee终端，ZigBee终端接收到数据后传输给ZigBee协调器，协调器将风向、风速、温度、大气压力、雨量等智能传感器测量后的信息和ZigBee的设备型号集中传给PC终端处理，完成整个数据的采集、传输、处理过程。温度传感器采用的是DALLAS半导体公司的DS18B20数字温度芯片和pt1000铂电阻模拟传感器。

雨量筒采用的中环天仪生产的雨量翻斗，选用0．5mm量程和0．1mm量程2种，对雨量的测量更准确。风速、风向传感器采用的是采用芬兰VAISALA的WXT520，WXT520具备加热功能，能够对风速、风向进行温度补偿修正，保证测量数据的准确性。大气压力传感器采用的是芬兰VAISALA的PMT16A，通过静压力通风，这样可减少风对压力测量的影响。湿度传感器采用VAISALA的电容性高分子薄膜HUMICAP180传感器。系统方框图如图1所示。此外系统还要对各气象要素传感器的状态信息进行采集和控制，实现各气象要素的传感器的自检和采集数据的非线性修正，从而达到智能气象站传感器设计的要求。

2硬件设计

2．1ZigBee模块

ZigBee模块采用TI／Chipcon公司生产的CC2430芯片。CC2430整合了2．4GHzIEEE802．15．4／ZigBeeRF收发机CC2420以及工业标准的增强型8051MCU的卓越性能［11］。本设计采用的是CC2430－F128，CC2430－F128包含增强型8051，比标准的8051速度快12倍；128KB可编程闪存和8KB的RAM，增加数据的存储量；14位的A／D，使得模数转换更精确等，因此CC2430非常适用于低功耗的无线传感器系统。

2．2传感器与ZigBee连接

传感器和ZigBee模块主要通过2种连接方式：1）通过I／O口连接，主要温度采集模块。温度采集模块包括数字温度传感器DS18B20和模拟温度传感器Pt1000，及时钟芯片DS1302．DS18B20采用了单总线结构，具有非常低的功耗。适用温度范围－55℃至＋125℃，在－10℃至＋85℃，范围内精度为±0．5℃，分辨率可以达到0．0625℃。Pt1000采集温度电路采用三线制电路。如图2所示，通过接口6连到CC2430的I／0来实现数据采集。并通过3种方式提高温度采集的准确性：1）全部使用精密电阻；2）使用供电电压值稳定、精度比较高的稳压源；3）使用稳定性高的AD620放大器。

温度传感器节点的整体功耗非常低。整体供电分为2部分：一部分是ZigBee本身模块的供电，第二部分是传感器和时钟芯片的供电。ZigBee本身的供电来自于3节1．5VAAA电池，因为ZigBee板和传感器需要不同的电压供电，ZigBee板通过转换电路将电压转换成3．3V给CC2430供电。传感器DS18B20和时钟芯片DS1302以及pt1000都是使用5V供电。2）通过串口RS232连接，主要是雨量、风向、风速、湿度、大气压力采集模块。以雨量采集模块为例详细介绍。雨量采集模块由雨量翻斗和微控制处理器组成。翻斗雨量传感器输出翻斗雨量信号，经过脉冲发生及滤波整形电路，传输给数据处理单元MSP430，数据处理单元主要负责测量传感器的开关信号，完成传感器的信号采集，并对采样值进行数据运算处理、质量控制、记录存储，最后通过串口连接ZigBee实现数据通信和传输。结构框图如图3所示。

3软件设计

ZigBee的组网过程为先初始化应用层，确定设备类型，协调器通过ZDO层（设备对象层）向网络层发送网络形成请求，获取16位短地址，网络建立完成。终端设备发送网络发现请求，收到网络发现确认后，发送网络加入请求，获得协调器的16位短地址。然后发送IEEE地址请求，收到确认后，绑定过程完成。同时进行多点通信就是将多个终端与协调器绑定，即实现组网过程。ZigBee无线网络的软件流程主要为设备初始化，建立网络，加入网络，采集温度时间数据，发送数据，接收数据，将数据传输给上位机。协调器软件流程如图4所示，传感器节点软件流程如图5所示。

4系统测试及结果分析

4．1系统功能测试

为了检测ZigBee无线网络的功能，用温度模块进行验证。将温度模块放置于实验室各个角落，把采集到的温度和时间信息发送给中央控制单元。VB．NET编写的上位机监测界面如图6所示。左边是节点1的实时温度变化曲线，右边是各个节点的温度信息。打开开始采集，各个节点的信息将发送给上位机，点击节点1～节点3，可以打开或关闭对节点信息的接收。点击历史文件处理按钮，可以对采集的数据保存及历史数据查看。

4．2系统性能测试

为了测量系统传输距离，可以利用接收信号强度指示（RSSI）技术来实现，测试结果是终端到协调器无线电信号的衰减强度。所使用的CC2430芯片内置了接收信号强度指示器（RSSI）。分别在室内和室外及室内有阻挡的情况下做RSSI随距离变化的测试，结果如图7、图8所示。

分析图7，从测试的距离来看，室外测试的距离50m大于室内测试的最大距离40m；从RSSI的强弱来分析，室内在30～40m的各点RSSI高于室外，1～30m室外大部分RSSI高于室内；从整体的变化趋势看，室内RSSI下降幅度比室外大。

分析图8，从测试的距离来看，有阻挡的情况下，能够测试的距离明显减少；从RSSI的强弱来分析，室内有阻挡的情况下RSSI在各点明显低于没有阻挡的情况；从整体的变化趋势看，室内有阻挡的情况RSSI下降幅度比无阻挡的情况下大。气象站的地面观测场（传感器安装地）一般距离控制室几十米远，本设计采用的低功耗ZigBee模块可以满足气象要素传感器场地安装的要求。少数气象站地面观测场距离控制室较远，可以通过增大ZigBee的功率或者更换ZigBee发送模块可以达到100m到数百m距离的要求。

5结论

本文采用ZigBee星型网络把风向、风速、温度、湿度、大气压力、雨量等气象要素传感器集成、利用ZigBee无线技术对采集的数据进行传输，设计了上位机数据显示界面。通过温度要素验证了气象站无线网络的稳定性，分析ZigBee无线网络传输距离与RSSI之间的相关性，实验表明ZigBee无线网络使气象站具有建站简单、功耗低、维护方便等特点，符合目前国际气象探测的需求，具有良好的市场应用前景。