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本文作者:何慧蕓1馬啟明2黃啟俊1常勝1作者單位:1.武漢大學物理科學與技術學院2.中國氣象局氣象探測中心
0引言
隨著社會經濟的發展和人們生活水平的提高,人們對氣象預報的要求越來越高,對觀測手段和檢測精度都提出了新的要求[1]。氣候預報的準確性和實時性,會為國民經濟的發展和決策提供有力支持[2]。我國目前普遍使用的氣象站來看,傳感器是以分離式結構采集各要素,沒有進行各要素的綜合集成,各氣象要素的采集、傳輸、數據處理相互獨立,系統開放性以及兼容性不高[3-4],主要采用有線網絡連接,導致氣象觀測儀器在野外安裝極其不便。因此如何解決氣象站的布線繁瑣和傳感器對各要素數據的綜合集成,是亟需解決的問題[5-6]。本文采用基于ZigBee的無線傳輸技術[7-10],搭建了1個應用于氣象站的智能傳感器系統,構建了集中的數據處理平臺,解決了傳統氣象站數據分散處理,布線繁瑣的問題。
1設計思路
系統采用ZigBee技術配置成星型網絡,主節點為ZigBee協調器,其他節點為ZigBee的終端設備。各個傳感器模塊獲得數據后傳輸給ZigBee終端,ZigBee終端接收到數據后傳輸給ZigBee協調器,協調器將風向、風速、溫度、大氣壓力、雨量等智能傳感器測量后的信息和ZigBee的設備型號集中傳給PC終端處理,完成整個數據的采集、傳輸、處理過程。溫度傳感器采用的是DALLAS半導體公司的DS18B20數字溫度芯片和pt1000鉑電阻模擬傳感器。
雨量筒采用的中環天儀生產的雨量翻斗,選用0.5mm量程和0.1mm量程2種,對雨量的測量更準確。風速、風向傳感器采用的是采用芬蘭VAISALA的WXT520,WXT520具備加熱功能,能夠對風速、風向進行溫度補償修正,保證測量數據的準確性。大氣壓力傳感器采用的是芬蘭VAISALA的PMT16A,通過靜壓力通風,這樣可減少風對壓力測量的影響。濕度傳感器采用VAISALA的電容性高分子薄膜HUMICAP180傳感器。系統方框圖如圖1所示。此外系統還要對各氣象要素傳感器的狀態信息進行采集和控制,實現各氣象要素的傳感器的自檢和采集數據的非線性修正,從而達到智能氣象站傳感器設計的要求。
2硬件設計
2.1ZigBee模塊
ZigBee模塊采用TI/Chipcon公司生產的CC2430芯片。CC2430整合了2.4GHzIEEE802.15.4/ZigBeeRF收發機CC2420以及工業標準的增強型8051MCU的卓越性能[11]。本設計采用的是CC2430-F128,CC2430-F128包含增強型8051,比標準的8051速度快12倍;128KB可編程閃存和8KB的RAM,增加數據的存儲量;14位的A/D,使得模數轉換更精確等,因此CC2430非常適用于低功耗的無線傳感器系統。
2.2傳感器與ZigBee連接
傳感器和ZigBee模塊主要通過2種連接方式:1)通過I/O口連接,主要溫度采集模塊。溫度采集模塊包括數字溫度傳感器DS18B20和模擬溫度傳感器Pt1000,及時鐘芯片DS1302.DS18B20采用了單總線結構,具有非常低的功耗。適用溫度范圍-55℃至+125℃,在-10℃至+85℃,范圍內精度為±0.5℃,分辨率可以達到0.0625℃。Pt1000采集溫度電路采用三線制電路。如圖2所示,通過接口6連到CC2430的I/0來實現數據采集。并通過3種方式提高溫度采集的準確性:1)全部使用精密電阻;2)使用供電電壓值穩定、精度比較高的穩壓源;3)使用穩定性高的AD620放大器。
溫度傳感器節點的整體功耗非常低。整體供電分為2部分:一部分是ZigBee本身模塊的供電,第二部分是傳感器和時鐘芯片的供電。ZigBee本身的供電來自于3節1.5VAAA電池,因為ZigBee板和傳感器需要不同的電壓供電,ZigBee板通過轉換電路將電壓轉換成3.3V給CC2430供電。傳感器DS18B20和時鐘芯片DS1302以及pt1000都是使用5V供電。2)通過串口RS232連接,主要是雨量、風向、風速、濕度、大氣壓力采集模塊。以雨量采集模塊為例詳細介紹。雨量采集模塊由雨量翻斗和微控制處理器組成。翻斗雨量傳感器輸出翻斗雨量信號,經過脈沖發生及濾波整形電路,傳輸給數據處理單元MSP430,數據處理單元主要負責測量傳感器的開關信號,完成傳感器的信號采集,并對采樣值進行數據運算處理、質量控制、記錄存儲,最后通過串口連接ZigBee實現數據通信和傳輸。結構框圖如圖3所示。
3軟件設計
ZigBee的組網過程為先初始化應用層,確定設備類型,協調器通過ZDO層(設備對象層)向網絡層發送網絡形成請求,獲取16位短地址,網絡建立完成。終端設備發送網絡發現請求,收到網絡發現確認后,發送網絡加入請求,獲得協調器的16位短地址。然后發送IEEE地址請求,收到確認后,綁定過程完成。同時進行多點通信就是將多個終端與協調器綁定,即實現組網過程。ZigBee無線網絡的軟件流程主要為設備初始化,建立網絡,加入網絡,采集溫度時間數據,發送數據,接收數據,將數據傳輸給上位機。協調器軟件流程如圖4所示,傳感器節點軟件流程如圖5所示。
4系統測試及結果分析
4.1系統功能測試
為了檢測ZigBee無線網絡的功能,用溫度模塊進行驗證。將溫度模塊放置于實驗室各個角落,把采集到的溫度和時間信息發送給中央控制單元。VB.NET編寫的上位機監測界面如圖6所示。左邊是節點1的實時溫度變化曲線,右邊是各個節點的溫度信息。打開開始采集,各個節點的信息將發送給上位機,點擊節點1~節點3,可以打開或關閉對節點信息的接收。點擊歷史文件處理按鈕,可以對采集的數據保存及歷史數據查看。
4.2系統性能測試
為了測量系統傳輸距離,可以利用接收信號強度指示(RSSI)技術來實現,測試結果是終端到協調器無線電信號的衰減強度。所使用的CC2430芯片內置了接收信號強度指示器(RSSI)。分別在室內和室外及室內有阻擋的情況下做RSSI隨距離變化的測試,結果如圖7、圖8所示。
分析圖7,從測試的距離來看,室外測試的距離50m大于室內測試的最大距離40m;從RSSI的強弱來分析,室內在30~40m的各點RSSI高于室外,1~30m室外大部分RSSI高于室內;從整體的變化趨勢看,室內RSSI下降幅度比室外大。
分析圖8,從測試的距離來看,有阻擋的情況下,能夠測試的距離明顯減少;從RSSI的強弱來分析,室內有阻擋的情況下RSSI在各點明顯低于沒有阻擋的情況;從整體的變化趨勢看,室內有阻擋的情況RSSI下降幅度比無阻擋的情況下大。氣象站的地面觀測場(傳感器安裝地)一般距離控制室幾十米遠,本設計采用的低功耗ZigBee模塊可以滿足氣象要素傳感器場地安裝的要求。少數氣象站地面觀測場距離控制室較遠,可以通過增大ZigBee的功率或者更換ZigBee發送模塊可以達到100m到數百m距離的要求。
5結論
本文采用ZigBee星型網絡把風向、風速、溫度、濕度、大氣壓力、雨量等氣象要素傳感器集成、利用ZigBee無線技術對采集的數據進行傳輸,設計了上位機數據顯示界面。通過溫度要素驗證了氣象站無線網絡的穩定性,分析ZigBee無線網絡傳輸距離與RSSI之間的相關性,實驗表明ZigBee無線網絡使氣象站具有建站簡單、功耗低、維護方便等特點,符合目前國際氣象探測的需求,具有良好的市場應用前景。