前言：本站為你精心整理了氣象站體系的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)范文，希望能為你的創(chuàng)作提供參考價(jià)值，我們的客服老師可以幫助你提供個(gè)性化的參考范文，歡迎咨詢。

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(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2.中國氣象局氣象探測中心

0引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們生活水平的提高，人們對(duì)氣象預(yù)報(bào)的要求越來越高，對(duì)觀測手段和檢測精度都提出了新的要求［1］。氣候預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性，會(huì)為國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)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(jié)構(gòu)采集各要素，沒有進(jìn)行各要素的綜合集成，各氣象要素的采集、傳輸、數(shù)據(jù)處理相互獨(dú)立，系統(tǒng)開放性以及兼容性不高［3－4］，主要采用有線網(wǎng)絡(luò)連接，導(dǎo)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(duì)各要素?cái)?shù)據(jù)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(shù)［7－10］，搭建了1個(gè)應(yīng)用于氣象站的智能傳感器系統(tǒng)，構(gòu)建了集中的數(shù)據(jù)處理平臺(tái)，解決了傳統(tǒng)氣象站數(shù)據(jù)分散處理，布線繁瑣的問題。

1設(shè)計(jì)思路

系統(tǒng)采用ZigBee技術(shù)配置成星型網(wǎng)絡(luò)，主節(jié)點(diǎn)為ZigBee協(xié)調(diào)器，其他節(jié)點(diǎn)為ZigBee的終端設(shè)備。各個(gè)傳感器模塊獲得數(shù)據(jù)后傳輸給ZigBee終端，ZigBee終端接收到數(shù)據(jù)后傳輸給ZigBee協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器將風(fēng)向、風(fēng)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(shè)備型號(hào)集中傳給PC終端處理，完成整個(gè)數(shù)據(jù)的采集、傳輸、處理過程。溫度傳感器采用的是DALLAS半導(dǎo)體公司的DS18B20數(shù)字溫度芯片和pt1000鉑電阻模擬傳感器。

雨量筒采用的中環(huán)天儀生產(chǎn)的雨量翻斗，選用0．5mm量程和0．1mm量程2種，對(duì)雨量的測量更準(zhǔn)確。風(fēng)速、風(fēng)向傳感器采用的是采用芬蘭VAISALA的WXT520，WXT520具備加熱功能，能夠?qū)︼L(fēng)速、風(fēng)向進(jìn)行溫度補(bǔ)償修正，保證測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)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(fēng)，這樣可減少風(fēng)對(duì)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(tǒng)方框圖如圖1所示。此外系統(tǒng)還要對(duì)各氣象要素傳感器的狀態(tài)信息進(jìn)行采集和控制，實(shí)現(xiàn)各氣象要素的傳感器的自檢和采集數(shù)據(jù)的非線性修正，從而達(dá)到智能氣象站傳感器設(shè)計(jì)的要求。

2硬件設(shè)計(jì)

2．1ZigBee模塊

ZigBee模塊采用TI／Chipcon公司生產(chǎn)的CC2430芯片。CC2430整合了2．4GHzIEEE802．15．4／ZigBeeRF收發(fā)機(jī)CC2420以及工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051MCU的卓越性能［11］。本設(shè)計(jì)采用的是CC2430－F128，CC2430－F128包含增強(qiáng)型8051，比標(biāo)準(zhǔn)的8051速度快12倍；128KB可編程閃存和8KB的RAM，增加數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)量；14位的A／D，使得模數(shù)轉(zhuǎn)換更精確等，因此CC2430非常適用于低功耗的無線傳感器系統(tǒng)。

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(shù)字溫度傳感器DS18B20和模擬溫度傳感器Pt1000，及時(shí)鐘芯片DS1302．DS18B20采用了單總線結(jié)構(gòu)，具有非常低的功耗。適用溫度范圍－55℃至＋125℃，在－10℃至＋85℃，范圍內(nèi)精度為±0．5℃，分辨率可以達(dá)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。并通過3種方式提高溫度采集的準(zhǔn)確性：1）全部使用精密電阻；2）使用供電電壓值穩(wěn)定、精度比較高的穩(wěn)壓源；3）使用穩(wěn)定性高的AD620放大器。

溫度傳感器節(jié)點(diǎn)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(shí)鐘芯片的供電。ZigBee本身的供電來自于3節(jié)1．5VAAA電池，因?yàn)閆igBee板和傳感器需要不同的電壓供電，ZigBee板通過轉(zhuǎn)換電路將電壓轉(zhuǎn)換成3．3V給CC2430供電。傳感器DS18B20和時(shí)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(fēng)向、風(fēng)速、濕度、大氣壓力采集模塊。以雨量采集模塊為例詳細(xì)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(hào)，經(jīng)過脈沖發(fā)生及濾波整形電路，傳輸給數(shù)據(jù)處理單元MSP430，數(shù)據(jù)處理單元主要負(fù)責(zé)測量傳感器的開關(guān)信號(hào)，完成傳感器的信號(hào)采集，并對(duì)采樣值進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算處理、質(zhì)量控制、記錄存儲(chǔ)，最后通過串口連接ZigBee實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信和傳輸。結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

3軟件設(shè)計(jì)

ZigBee的組網(wǎng)過程為先初始化應(yīng)用層，確定設(shè)備類型，協(xié)調(diào)器通過ZDO層（設(shè)備對(duì)象層）向網(wǎng)絡(luò)層發(fā)送網(wǎng)絡(luò)形成請(qǐng)求，獲取16位短地址，網(wǎng)絡(luò)建立完成。終端設(shè)備發(fā)送網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)請(qǐng)求，收到網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)確認(rèn)后，發(fā)送網(wǎng)絡(luò)加入請(qǐng)求，獲得協(xié)調(diào)器的16位短地址。然后發(fā)送IEEE地址請(qǐng)求，收到確認(rèn)后，綁定過程完成。同時(shí)進(jìn)行多點(diǎn)通信就是將多個(gè)終端與協(xié)調(diào)器綁定，即實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)過程。ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的軟件流程主要為設(shè)備初始化，建立網(wǎng)絡(luò)，加入網(wǎng)絡(luò)，采集溫度時(shí)間數(shù)據(jù)，發(fā)送數(shù)據(jù)，接收數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)。協(xié)調(diào)器軟件流程如圖4所示，傳感器節(jié)點(diǎn)軟件流程如圖5所示。

4系統(tǒng)測試及結(jié)果分析

4．1系統(tǒng)功能測試

為了檢測ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的功能，用溫度模塊進(jìn)行驗(yàn)證。將溫度模塊放置于實(shí)驗(yàn)室各個(gè)角落，把采集到的溫度和時(shí)間信息發(fā)送給中央控制單元。VB．NET編寫的上位機(jī)監(jiān)測界面如圖6所示。左邊是節(jié)點(diǎn)1的實(shí)時(shí)溫度變化曲線，右邊是各個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度信息。打開開始采集，各個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息將發(fā)送給上位機(jī)，點(diǎn)擊節(jié)點(diǎn)1～節(jié)點(diǎn)3，可以打開或關(guān)閉對(duì)節(jié)點(diǎn)信息的接收。點(diǎn)擊歷史文件處理按鈕，可以對(duì)采集的數(shù)據(jù)保存及歷史數(shù)據(jù)查看。

4．2系統(tǒng)性能測試

為了測量系統(tǒng)傳輸距離，可以利用接收信號(hào)強(qiáng)度指示（RSSI）技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，測試結(jié)果是終端到協(xié)調(diào)器無線電信號(hào)的衰減強(qiáng)度。所使用的CC2430芯片內(nèi)置了接收信號(hào)強(qiáng)度指示器（RSSI）。分別在室內(nèi)和室外及室內(nèi)有阻擋的情況下做RSSI隨距離變化的測試，結(jié)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(nèi)測試的最大距離40m；從RSSI的強(qiáng)弱來分析，室內(nèi)在30～40m的各點(diǎn)RSSI高于室外，1～30m室外大部分RSSI高于室內(nèi)；從整體的變化趨勢看，室內(nèi)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(qiáng)弱來分析，室內(nèi)有阻擋的情況下RSSI在各點(diǎn)明顯低于沒有阻擋的情況；從整體的變化趨勢看，室內(nèi)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?guī)资走h(yuǎn)，本設(shè)計(jì)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(shù)氣象站地面觀測場距離控制室較遠(yuǎn)，可以通過增大ZigBee的功率或者更換ZigBee發(fā)送模塊可以達(dá)到100m到數(shù)百m距離的要求。

5結(jié)論

本文采用ZigBee星型網(wǎng)絡(luò)把風(fēng)向、風(fēng)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(shù)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，設(shè)計(jì)了上位機(jī)數(shù)據(jù)顯示界面。通過溫度要素驗(yàn)證了氣象站無線網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，分析ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)傳輸距離與RSSI之間的相關(guān)性，實(shí)驗(yàn)表明ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)使氣象站具有建站簡單、功耗低、維護(hù)方便等特點(diǎn)，符合目前國際氣象探測的需求，具有良好的市場應(yīng)用前景。